CN107514550B - 一种led铁路信号点光源装置 - Google Patents
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Abstract
一种LED铁路信号点光源装置由散热片（1），LED发光管芯片（2），LED发光芯片基板（3），电路板1（4），电路板2（5），壳体（6），定焦盘（7），主副丝转换测试开关(8），主丝连接线（9），副丝连接线（10），电流补偿电路（11）、电流检测电路（12），驱动及控制电路（13）,恒流和点灯电路(14)，主副丝切换继电器(15)组成，各部件之间为电连接方式联结。这种LED铁路信号点光源装置，具有一体化设计、体积小、插拔方便、可直接替换现有铁路系统中白炽灯泡的特点。使用LED铁路信号点光源可减少铁路信号工的维护量、LED铁路信号点光源具有长寿命、低功耗，可为铁路系统节省电力等优点。尤其电路中使用了容性电流补偿技术，此技术在国内铁路信号灯泡系统中未曾使用，能够起到既满足铁路系统室内H18继电器吸合的电流要求，又起到节省电力的作用。
Description
技术领域
本发明是一种用于铁路色灯信号机构的LED光源，采用了大功率LED发光管芯片，新型的开关恒流技术，电流补偿技术，智能控制等多项现代电子技术。
技术背景
随着LED发光技术的进步，LED照明得到了普遍的应用。其高亮度长寿命的特点也得到了广泛的认可，在铁路信号点灯系统中也开始推广应用。铁路信号显示系统对铁路行车安全起着重要的安全作用。目前，铁路现场信号点灯系统采用的是白炽灯泡做为信号显示，它是一个由主副两组灯丝组成的白炽灯泡，有着较强的抗干扰能力，设计简单可靠。
点灯电源装置供电交流13V，白炽灯泡功耗为25W。当工作时首先使用主灯丝，当主灯丝故障时点灯电源装置自动切换到副灯丝工作。
LED发光管芯片具备性能稳定、功耗小、节能、长寿命等优点。但如何使LED铁路信号点光源装置达到白炽灯泡工作时的电流，并且使现有点光源装置能满足原有点灯电源装置，使室内灯丝继电器正常工作，又不改变原有点灯系统电路，这都是关键需要解决的技术难题。一般要使用LED光源时除需更换LED 灯泡外，还必须用专用的LED点灯电源装置来替换原有的点灯电源装置，这对于我国已建成正在运行的数万台信号机来说，更换的工作量和费用都是十分巨大。因而发明能直接替换原有铁路信号白炽灯泡的LED铁路信号点光源装置就十分必要了。本装置不需改变和调整原有铁路系统任何结构和电路就可以保证原铁路信号点灯系统的正常工作。
发明内容
为了实现上述目标，本发明采用了一体化结构。本装置的结构与白炽灯泡的定焦盘和发光点相同，可直接与铁路信号白炽灯泡更换。LED发光管芯片热量由外部散热片散热，可保证芯片的工作温度不过热。采用了多项先进的电子技术，如：开关恒流源电路技术、电流补偿电路技术、检测控制电路技术等。装置结构图见图1：LED铁路信号点光源装置爆炸图、图2：LED铁路信号点光源装置正面结构图、图3：LED铁路信号点光源装置背面结构图。
一种LED铁路信号点光源装置由散热片（1），LED发光管芯片（2），LED发光芯片基板（3），电路板1（4），电路板2（5），壳体（6），定焦盘（7），主副丝转换测试开关(8），主丝连接线（9），副丝连接线（10），电流补偿电路（11）、电流检测电路（12），驱动及控制电路（13）, 恒流和点灯电路(14)，主副丝切换继电器(15)组成；各部件之间为电连接方式联结。工作原理图见图4：LED铁路信号点光源装置工作原理图。
散热片：由于LED发光管采用大功率发光管，其在工作时会产生一定的热量，为保证LED发光管不受损坏将发光管的热量由散热片导出。
LED发光管芯片：采用进口大功率发光管，其具有发光强度高、寿命长等特点。
LED发光芯片基板：LED发光管芯片固定在基板上，通过基板与散热片的连接将热量导出。
电路板：分为电路板1（4），电路板2（5），电路板是LED铁路信号点光源装置的核心，其具有控制LED发光管点主丝还是副丝功能，具有恒流功能，具有为保证室内H18继电器吸起的电流补偿功能，具有检测电流和驱动控制功能等。
电流补偿电路：LED芯片发光很省电，功耗仅为原白炽灯泡的1/10左右。如不加电流补偿电路，根本达不到也无法使点灯电源装置一次侧电流达到要求值，从而造成铁路信号点灯系统不能正常工作。为了解决这个问题，在LED点光源装置的电压输入端并联了一个电流补偿模块，其增加的无功电流满足了室内灯丝继电器吸起电流值的要求。由于增加的是无功电流，不会产生实际的功耗，充分起到了节能效果。
LED铁路信号点光源装置工作原理：
所述的LED铁路信号点光源装置接线端子分别为主丝端子、副丝端子、公共端子，接入印制板三接线端分别为接原点灯电源装置ZS、接原点灯电源装置FS、接原点灯电源装置G；上点时由于继电器J1线包（J1-1）未得电，印制板线路电源由点灯电源装置副丝（FS）和点灯电源装置公共端（G）形成回路供电。控制电路检测整流后的13V电源供电正常后，继续检测LED灯泡主丝或副丝是否正常，如主丝正常控制继电器线包（J1-1）得电，此时J1继电器常开触点接通，印制板电路由电源装置主丝（ZS）和点灯电源装置公共端（G）形成回路供电。控制电路控制继电器线包（J2-2）得电，此时J2继电器常开触点接通，补偿电路接入主丝与公共端回路中，点灯电源装置主丝端就得到稳定的电流补偿，保证了室内H18继电器可靠吸起；如主丝断丝，控制电路控制继电器线包（J1-1）失电，此时J1继电器常闭触点接通，印制板电路由电源装置副丝（FS）和点灯电源装置公共端（G）形成回路供电，控制电路控制继电器线包（J2-2）得电，此时J2继电器常开触点接通，补偿电路接入副丝与公共端回路中，点灯电源装置主丝端就得到稳定的电流补偿，保证了室内H18继电器可靠吸起。
所述LED铁路信号点光源装置的电流补偿电路由C1、C2、C3、C4四个电解电容和V1、V2两个二极管组成，在交流电路中采用电解电容必须通过二极管隔离，这样半波是直流，所以电解电容不会损坏；当主丝交流电源13V正半波工作时电流流经C1、C3和V2，使得C1和C3迅速充电，C2和C4迅速放电，主丝交流电源13V负半波工作时电流流经C2 、C4和V1，使得C2和C4迅速充电，C1和C3迅速放电，因为电解电容C1、C2、C3、C4始终处于正向充电负向放电，保证了交流电路工作时元器件不受损伤；同时通过C1、C2、C3、C4电解电容的充放电，使得回路中电荷量增加，因而电流也增大了，电荷量的大小由电容容量大小决定，选择1000μF加200μF电容构成即1200μF，通过调整点灯电源装置抽头电压，就能够保证一次侧电流达到150mA，满足室内H18继电器可靠吸起。
所述LED铁路信号点光源装置的电流补偿检测电路：电流检测电路是专为检测电流大小而设，确保补偿电容在电路中可靠工作，当LED点光源在长期使用过程中，由于电容长时间工作，快速的充放电会导致电容的容量性能有所下降，所以选用高性能、抗高纹波、长寿命的红宝石电容，其有效工作时间为30000小时，即使这样依然采取了电流检测的手段，实时检测补偿电流的电流大小；当电容容量有所下降时，检测电流电路设置门槛：一次侧为120mA时，后级控制电路让J1继电器线包J1-1失电，J1继电器处于副丝状态，同时控制LED灯泡转为副丝，点灯电源装置开始报警，提醒信号工更换点光源装置；电容容量再次下降时，检测电路检测到一次侧电流为100mA时，控制J2继电器，让J2继电器线包J2-1失电，使J2继电器常闭触点接通，切断电流补偿。同时控制电路让LED灯泡处于黑灯状态，让室内H18继电器可靠落下，保证了铁路信号灯泡使用的安全性。
所述的U5芯片是专门测试电流的传感芯片，将电路电流的大小转换成电压信号，通过电容C11隔离电容取出相应的交流信号，再通过U6芯片进行放大，就能将微弱的电压信号放大到后级控制电路能够识别的范围内，通过D5二极管和C13电容的滤波将交流信号变为直流信号，再通过R1和R2分压电阻，就得到了可以判定信号大小的稳定直流信号，方便后级控制电路作出判断处理。
所述LED铁路信号点光源装置的驱动及控制电路：是LED点光源的中央处理器。它由控制电路芯片STC15W404AS和驱动芯片ULN2003A组成，所有的模拟量信息和控制量信息均由它们来测量和采集。控制电路芯片STC15W404AS检测电源电压、补偿电流、LED芯片主副丝电压，这几种信息均为模拟量，根据信息量采集的大小和程序设置的门槛进行比较判断进而控制驱动芯片是点主丝还是副丝，从而控制J1和J2继电器吸合还是断开。
所述LED铁路信号点光源装置的恒流和点灯电路：由于LED发光二极管是一种半导体材料，对工作的环境温度比较敏感，在高温下容易损坏，往往是温度越高电流就会越大，电流越大又会加速温度升高而造成损坏。由于本装置是安装在信号机构内，机构灯室体积小、四面密封，散热条件很差，因而设计了开关型恒流源电路，调整用的晶体管处于开关状态，除了导通就是截止不会产生多余的热量，为LED芯片、电解电容、二极管、集成电路等创造了合适的工作环境。
所述LED铁路信号点光源装置的恒流和点灯电路：是由大功率LED发光管灯泡和U4恒流源及外围电路电感、电容、二极管及取样电阻组成，发光管的发光强度是由电流决定的，恒流源AP1501-50内部提供1.25V恒定的电压，选用取样电阻4.7Ω，保证发光管具有恒定的260mA电流，保证了发光管的发光强度不随电压的高低而受影响。
所述LED铁路信号点光源装置壳体（6）：为一体化设计，与定焦盘（7）连接后主副丝的位置与原有铁路系统中主副丝的高度一直，不影响调焦；壳体（6），定焦盘（7），主副丝转换测试开关(8），主丝连接线（9），副丝连接线（10）组成。
所述LED铁路信号点光源装置定焦盘（7）：定焦盘（7）与铁路原有系统定焦盘一致，可直接装入灯座中。
所述LED铁路信号点光源装置的主副丝转换测试开关(8）：为方便铁路信号工定期检测LED铁路信号点光源的好坏，特此设置了主副丝转换测试开关(8），轻按开关LED发光管主丝转为副丝，点灯电源装置发码。
所述LED铁路信号点光源装置主丝连接线（9），副丝连接线（10）：由于灯座的簧片有时接触不好，特设主丝、副丝连接线，分别连接主丝、副丝接线柱，可防止簧片接触不好影响系统工作
所述LED铁路信号点光源装置电路板工作过程是这样的：通过点灯光源装置公共端、主灯丝接线端给LED点光源装置供电，通过二极管D1、D2、D3、D4组成的整流桥和电解电容C4、C5、C6把交流整型滤波为16V的直流电压，开关稳压集成电路U4、U1工作。单片机上电后，开始执行既定程序：首先让单片机U2第4脚变为低电平，再经过驱动集成电路U3的3脚、14脚、2脚进行倒相后由15脚输出低电平使J2继电器吸合；吸合后由V1、V2、C1、C2、C3、C4组成的电流补偿电路开始工作，这时串联在电路中的霍尔电流传感器U5的第7脚就输出了与电流成正比的电压信号，电压信号通过电容C11加到运算放大器U6上，经过其放大后由1脚输出；输出的信号再经由D5向C13充电后得到一个可代表补偿电流大小的直流电压，这个电压再由电阻R1、R2分压后加到单片机U2的1脚，进行补偿电流测量；当测量的结果低于设定的正常值，则表示供电电压过低或补偿电路故障，点光源装置不能工作；当测量的结果为正常值，单片机U2的第5脚输出高电平，然后接入驱动集成电路U3的1脚，16脚输出低电平使J1吸合；单片机U2的第12脚变为高电平加到场效应管Q1的柵极上，主丝LED芯片工作正常；单片机U2的19脚通过电阻R3、R4检查主丝的工作电压，由于是恒流供电如芯片正常其电压必定在正常设定范围内，如有断路和短路的情况测量口电压将会大于或小于正常设定值。当电压值在正常设定范围内点光源装置主丝工作正常，当电压值不在正常范围内，表示主丝LED有故障，单片机U2的第12脚变为低电平关闭主丝场效应管Q1，U2第11脚变为高电平打开副丝场效应管Q2，U2的第5脚变为低电平，使U3的16脚变为高电平释放J1继电器，改由点灯电源装置副丝端供电；同时点光源装置向点灯电源装置传递了LED主丝芯片故障的信息，点灯电源装置主丝无电流，副丝产生电流；通过单片机U2的第19脚检查副丝工作电压是否正常，当测量口电压在正常范围内表示副丝工作正常；当测量口电压不在正常范围内，单片机U2的第11脚也变为低电平，关闭副丝场效应管Q2，单片机U2的第4脚也变为高电平通过U3使J2继电器释放，切断补偿电路补偿电流消失，这时点光源装置处于黑灯状态即点光源装置损坏。
一种LED铁路信号点光源装置由散热片（1），LED发光管芯片（2），LED发光芯片基板（3），电路板1（4），电路板2（5），壳体（6），定焦盘（7），主副丝转换测试开关(8），主丝连接线（9），副丝连接线（10），电流补偿电路（11）、电流检测电路（12），驱动及控制电路（13）, 恒流和点灯电路(14)，主副丝切换继电器(15)组成，具有一体化设计、体积小、插拔方便、可直接替换现有铁路系统中白炽灯泡等特点。使用LED铁路信号点光源可减少铁路信号工的维护量、LED铁路信号点光源具有长寿命、低功耗，可为铁路系统节省电力等优点。尤其电路中使用了容性电流补偿技术，此技术在国内铁路信号灯泡系统中未曾使用，能够起到既满足铁路系统室内H18继电器吸合的电流要求，又起到节省电力的作用。
附图说明：
图１是：LED铁路信号点光源装置爆炸图，具体组成部分如下：
1、壳体散热片，2、LED发光管芯片，3、LED发光芯片基板，4、电路板1，5、电路板2，6、壳体，7、定焦盘，
图2是：LED铁路信号点光源装置正面结构图，具体组成部分如下：
2、LED发光管芯片，9、主丝连接线，10、副丝连接线
图3是：LED铁路信号点光源装置背面结构图，具体组成部分如下：
8、主副丝转换测试开关，9、主丝连接线，10、副丝连接线
图4是：LED铁路信号点光源装置工作原理图，具体组成部分如下：
图5是：电流补偿电路图，具体组成部分如下： J1-J2:继电器、型号：JQC-3FF/012-1ZS；D1-D4:二极管、型号：IN4007；V1-V2:二极管、型号：IN5819；C1-C2:电解电容、型号：35V/1000μF；C3-C4:电解电容、型号：35V/200μF；J1-1\J2-1:继电器线包控制端
图6是：电流补偿及检测电路图，具体组成部分如下：J2:继电器、型号：JQC-3FF/012-1ZS；V1-V2:二极管、型号：IN5819；C1-C2:电解电容、型号：35V/1000μ f；C3-C4:电解电容、型号：35V/200μF；J2-1:继电器线包控制端；U5:电流检测芯片、型号ACS712；C10:独石电容、型号102(1nF)；C11: 独石电容、型号22μF；C12:独石电容、型号104(0.1μF)；C13:电解电容35V/100μF；R8:电阻1k，R9:电阻10k，R10:电阻6.2k，R1-R2:电阻1k；D5:二极管IN4148 ；U6:放大器LM358
图7是：驱动及控制电路图，具体组成部分如下：U2：控制芯片、型号：STC15W404AS；U3:驱动芯片、型号：ULN2003A。
图8是：恒流和点灯电路图，具体组成部分如下：
LED灯泡：大功率发光管、由四只发光LED灯泡组成，V1和V2串联做主丝，V3和V4串联做副丝；Q1-Q2:驱动场效应管、型号：IRF640N；L1:电感、型号47μH；C9:电解电容、型号：16V/100 μf；D7:二极管、型号：IN5819；R5:电阻、型号：4.7Ω/ 0.5W；U4:恒流源、型号：AP1501-50。
具体实施方式
一种LED铁路信号点光源装置由散热片（1），LED发光管芯片（2），LED发光芯片基板（3），电路板1（4），电路板2（5），壳体（6），定焦盘（7），主副丝转换测试开关(8），主丝连接线（9），副丝连接线（10），电流补偿电路（11）、电流检测电路（12），驱动及控制电路（13）, 恒流和点灯电路(14)，主副丝切换继电器(15)组成。各部件之间为电连接方式联结。工作原理图见图4：LED铁路信号点光源装置工作原理图。
散热片：由于LED发光管采用大功率发光管，其在工作时会产生一定的热量，为保证LED发光管不受损坏将发光管的热量由散热片导出。
LED发光管芯片：采用进口大功率发光管，其具有发光强度高、寿命长等特点。
LED发光芯片基板：LED发光管芯片固定在基板上，通过基板与散热片的连接将热量导出。
电路板：分为电路板1（4），电路板2（5），电路板是LED铁路信号点光源装置的核心，其具有控制LED发光管点主丝还是副丝功能，具有恒流功能，具有为保证室内H18继电器吸起的电流补偿功能，具有检测电流和驱动控制功能等。
下面详细叙述各个电路的不同作用和特点。
电流补偿电路
LED芯片发光很省电，功耗仅为原白炽灯泡的1/10左右。如不加电流补偿电路，根本达不到也无法使点灯电源装置一次侧电流达到要求值，从而造成铁路信号点灯系统不能正常工作。为了解决这个问题，在LED点光源装置的电压输入端并联了一个电流补偿模块，其增加的无功电流满足了室内灯丝继电器吸起电流值的要求。由于增加的是无功电流，不会产生实际的功耗，充分起到了节能效果。电路图见附图2：电流补偿电路图。
工作原理：点灯电源装置接线端子分别为主丝、副丝、公共端，接入印制板三接线端分别为接原点灯电源装置ZS、接原点灯电源装置FS、接原点灯电源装置G。上点时由于继电器J1线包（J1-1）未得电，印制板线路电源由点灯电源装置副丝（FS）和点灯电源装置公共端（G）形成回路供电。控制电路检测整流后的13V电源供电正常后，继续检测LED灯泡主丝或副丝是否正常，如主丝正常控制继电器线包（J1-1）得电，此时J1继电器常开触点接通，印制板电路由电源装置主丝（ZS）和点灯电源装置公共端（G）形成回路供电。控制电路控制继电器线包（J2-2）得电，此时J2继电器常开触点接通，补偿电路接入主丝与公共端回路中，点灯电源装置主丝端就得到稳定的电流补偿。保证了室内H18继电器可靠吸起。如主丝断丝，控制电路控制继电器线包（J1-1）失电，此时J1继电器常闭触点接通，印制板电路由电源装置副丝（FS）和点灯电源装置公共端（G）形成回路供电。控制电路控制继电器线包（J2-2）得电，此时J2继电器常开触点接通，补偿电路接入副丝与公共端回路中，点灯电源装置主丝端就得到稳定的电流补偿。保证了室内H18继电器可靠吸起。
此电流补偿电路由C1、C2、C3、C4四个电解电容和V1、V2两个二极管组成。电流补偿电路是一种特殊的用法，要在交流电路中采用电解电容必须通过二极管隔离，这样半波是直流，所以电解电容不会损坏。当主丝交流电源13V正半波工作时电流流经C1、C3和V2。使得C1和C3迅速充电，C2和C4迅速放电。主丝交流电源13V负半波工作时电流流经C2 、C4和V1。使得C2和C4迅速充电，C1和C3迅速放电。因为电解电容C1、C2、C3、C4始终处于正向充电负向放电，保证了交流电路工作时元器件不受损伤。同时通过C1、C2、C3、C4电解电容的充放电，使得回路中电荷量增加，因而电流也增大了。通过导体横截面的电荷量Q跟通过这些电荷量所用的时间t的比值称为电流，也叫电流强度。即 I=Q/t 。电荷量的大小由电容容量大小决定，所以我们选择1000μF加200μF电容构成即1200μF，通过调整点灯电源装置抽头电压，就能够保证一次侧电流达到150mA，满足室内H18继电器可靠吸起。
电流补偿及检测电路
工作原理：电流检测电路是转为检测电流大小而设，确保补偿电容在电路中可靠工作。电流补偿电路是一种特殊的工作方式为保证补偿电路的可靠性采用了电流检测手段。当LED点光源在长期使用过程中，由于电容长时间工作，快速的充放电会导致电容的容量性能有所下降，所以选用高性能、抗高纹波、长寿命的红宝石电容，其有效工作时间为30000小时。即使这样依然采取了电流检测的手段，实时检测补偿电流的电流大小。当电容容量有所下降时，检测电流电路设置门槛（一次侧为120mA时），后级控制电路让J1继电器线包（J1-1）失电，J1继电器处于副丝状态，同时控制LED灯泡转为副丝，点灯电源装置开始报警，提醒信号工更换点光源装置。电容容量再次下降时，检测电路检测到一次侧电流为100mA时，控制J2继电器，让J2继电器线包（J2-1）失电，使J2继电器常闭触点接通，切断电流补偿。同时控制电路让LED灯泡处于黑灯状态，让室内H18继电器可靠落下。保证了铁路信号灯泡使用的安全性。电路图见附图3：电流补偿及检测电路图。
U5芯片是专门测试电流的传感芯片，将电路电流的大小转换成电压信号，通过电容C11隔离电容取出相应的交流信号，再通过U6芯片进行放大，就能将微弱的电压信号放大到后级控制电路能够识别的范围内。通过D5二极管和C13电容的滤波将交流信号变为直流信号，再通过R1和R2分压电阻，就得到了可以判定信号大小的稳定直流信号，方便后级控制电路作出判断处理。
驱动控制电路
工作原理：驱动控制电路是LED点光源的中央处理器。它由控制电路芯片STC15W404AS和驱动芯片ULN2003A组成，所有的模拟量信息和控制量信息均由它们来测量和采集。控制电路芯片STC15W404AS检测电源电压、补偿电流、LED芯片主副丝电压，这几种信息均为模拟量，根据信息量采集的大小和程序设置的门槛进行比较判断进而控制驱动芯片是点主丝还是副丝，从而控制J1和J2继电器吸合还是断开。电路图见附图4：驱动及控制电路。
恒流和点灯电路
由于LED发光二极管是一种半导体材料，对工作的环境温度比较敏感，在高温下容易损坏，往往是温度越高电流就会越大，电流越大又会加速温度升高而造成损坏。由于本装置是安装在信号机构内，机构灯室体积小、四面密封，散热条件很差，因而设计了开关型恒流源电路。调整用的晶体管处于开关状态，除了导通就是截止不会产生多余的热量，为LED芯片、电解电容、二极管、集成电路等创造了合适的工作环境。电路图见附图5。
工作原理：恒流和点灯电路是由大功率LED发光管灯泡和U4恒流源及外围电路电感、电容、二极管及取样电阻组成。我们知道发光管的发光强度是由电流决定的，恒流源AP1501-50内部提供1.25V恒定的电压，选用取样电阻4.7Ω，保证发光管具有恒定的260mA电流，保证了发光管的发光强度不随电压的高低而受影响。
线路板工作过程说明：
通过LED铁路信号点光源装置公共端、主灯丝接线端给LED点光源装置供电，通过二极管D1、D2、D3、D4组成的整流桥和电解电容C4、C5、C6把交流整型滤波为16V的直流电压，开关稳压集成电路U4、U1工作。单片机上电后，开始执行既定程序。首先让单片机U2第4脚变为低电平，再经过驱动集成电路U3的3脚、14脚、2脚进行倒相后由15脚输出低电平使J2继电器吸合。吸合后由V1、V2、C1、C2、C3、C4组成的电流补偿电路开始工作，这时串联在电路中的霍尔电流传感器U5的第7脚就输出了与电流成正比的电压信号，电压信号通过电容C11加到运算放大器U6上，经过其放大后由1脚输出。输出的信号再经由D5向C13充电后得到一个可代表补偿电流大小的直流电压。这个电压再由电阻R1、R2分压后加到单片机U2的1脚，进行补偿电流测量。当测量的结果低于设定的正常值，则表示供电电压过低或补偿电路故障，点光源装置不能工作。当测量的结果为正常值单片机U2的第5脚输出高电平，然后接入驱动集成电路U3的1脚，16脚输出低电平使J1吸合。单片机U2的第12脚变为高电平加到场效应管Q1的柵极上，主丝LED芯片工作正常。单片机U2的19脚通过电阻R3、R4检查主丝的工作电压，由于是恒流供电如芯片正常其电压必定在正常设定范围内，如有断路和短路的情况测量口电压将会大于或小于正常设定值。当电压值在正常设定范围内点光源装置主丝工作正常。当电压值不在正常范围内，表示主丝LED有故障，单片机U2的第12脚变为低电平关闭主丝场效应管Q1，U2第11脚变为高电平打开副丝场效应管Q2，U2的第5脚变为低电平，使U3的16脚变为高电平释放J1继电器，改由点灯电源装置副丝端供电。同时点光源装置向点灯电源装置传递了LED主丝芯片故障的信息（点灯电源装置主丝无电流，副丝产生电流）。通过单片机U2的第19脚检查副丝工作电压是否正常，当测量口电压在正常范围内表示副丝工作正常。当测量口电压不在正常范围内，单片机U2的第11脚也变为低电平，关闭副丝场效应管Q2，单片机U2的第4脚也变为高电平通过U3使J2继电器释放，切断补偿电路补偿电流消失。这时点光源装置处于黑灯状态即点光源装置损坏。
一种LED铁路信号点光源装置，具有一体化设计、体积小、插拔方便、可直接替换现有铁路系统中白炽灯泡的特点。使用LED铁路信号点光源可减少铁路信号工的维护量、LED铁路信号点光源具有长寿命、低功耗，可为铁路系统节省电力等优点。尤其电路中使用了容性电流补偿技术，此技术在国内铁路信号灯泡系统中未曾使用，能够起到既满足铁路系统室内H18继电器吸合的电流要求，又起到节省电力的作用。
Claims (10)
1.一种LED铁路信号点光源装置，其特征是：信号点光源装置由散热片(1)，LED发光管芯片(2)，LED发光芯片基板(3)，电路板1(4)，电路板2(5)，壳体(6)，定焦盘(7)，主副丝转换测试开关(8)，主丝连接线(9)，副丝连接线(10)，电流补偿电路(11)、电流检测电路(12)，驱动及控制电路(13),恒流和点灯电路(14)，主副丝切换继电器(15)组成；各部件之间为电连接方式联结；
LED发光管芯片(2)固定在LED发光芯片基板(3)上，并通过LED发光芯片基板(3)与散热片(1)连接；壳体(6)与定焦盘(7)连接；电流补偿电路(11)分别与电流检测电路(12)与主副丝切换继电器(15)电连接，电流检测电路(12)与驱动及控制电路(13)电连接，驱动及控制电路(13)分别与恒流和点灯电路(14)以及主副丝切换继电器(15)电连接。
2.根据权利要求1所述的一种LED铁路信号点光源装置，其特征是：所述的电流补偿电路是在LED点光源装置的电压输入端并联了一个电流补偿模块，其增加的无功电流满足了室内灯丝继电器吸起电流值的要求，由于增加的是无功电流，不会产生实际的功耗，充分起到了节能效果；LED铁路信号点光源装置接线端子分别为主丝端子、副丝端子、公共端子，接入印制板三接线端分别为接原点灯电源装置ZS、接原点灯电源装置FS、接原点灯电源装置G；上点时由于继电器J1线包(J1-1)未得电，印制板线路电源由点灯电源装置副丝(FS)和点灯电源装置公共端(G)形成回路供电；控制电路检测整流后的13V电源供电正常后，继续检测LED灯泡主丝或副丝是否正常，如主丝正常控制继电器线包(J1-1)得电，此时J1继电器常开触点接通，印制板电路由电源装置主丝(ZS)和点灯电源装置公共端(G)形成回路供电；控制电路控制继电器线包(J2-2)得电，此时J2继电器常开触点接通，补偿电路接入主丝与公共端回路中，点灯电源装置主丝端就得到稳定的电流补偿，保证了室内H18继电器可靠吸起；如主丝断丝，控制电路控制继电器线包(J1-1)失电，此时J1继电器常闭触点接通，印制板电路由电源装置副丝(FS)和点灯电源装置公共端(G)形成回路供电，控制电路控制继电器线包(J2-2)得电，此时J2继电器常开触点接通，补偿电路接入副丝与公共端回路中，点灯电源装置副丝端就得到稳定的电流补偿，保证了室内H18继电器可靠吸起。
3.根据权利要求1所述的一种LED铁路信号点光源装置，其特征是：所述LED铁路信号点光源装置的电流补偿电路由C1、C2、C3、C4四个电解电容和V1、V2两个二极管组成，在交流电路中采用电解电容必须通过二极管隔离，这样半波是直流，所以电解电容不会损坏；当主丝交流电源13V正半波工作时电流流经C1、C3和V2，使得C1和C3迅速充电，C2和C4迅速放电，主丝交流电源13V负半波工作时电流流经C2、C4和V1，使得C2和C4迅速充电，C1和C3迅速放电，因为电解电容C1、C2、C3、C4始终处于正向充电负向放电，保证了交流电路工作时元器件不受损伤；同时通过C1、C2、C3、C4电解电容的充放电，使得回路中电荷量增加，因而电流也增大了，电荷量的大小由电容容量大小决定，选择1000μF加200μF电容构成即1200μF，通过调整点灯电源装置抽头电压，就能够保证一次侧电流达到150mA，满足室内H18继电器可靠吸起。
4.根据权利要求1所述的一种LED铁路信号点光源装置，其特征是：所述LED铁路信号点光源装置的电流检测电路是专为检测电流大小而设，确保补偿电容在电路中可靠工作，当LED点光源在长期使用过程中，由于电容长时间工作，快速的充放电会导致电容的容量性能有所下降，所以选用高性能、抗高纹波、长寿命的红宝石电容，其有效工作时间为30000小时，即使这样依然采取了电流检测的手段，实时检测补偿电流的电流大小；当电容容量有所下降时，检测电流电路设置门槛：一次侧为120mA时，后级控制电路让J1继电器线包J1-1失电，J1继电器处于副丝状态，同时控制LED灯泡转为副丝，点灯电源装置开始报警，提醒信号工更换点光源装置；电容容量再次下降时，检测电路检测到一次侧电流为100mA时，控制J2继电器，让J2继电器线包J2-1失电，使J2继电器常闭触点接通，切断电流补偿，同时控制电路让LED灯泡处于灭灯状态，让室内H18继电器可靠落下，保证了铁路信号使用的安全性。
5.根据权利要求1所述的一种LED铁路信号点光源装置，其特征是：U5芯片是专门测试电流的传感芯片，将电路电流的大小转换成电压信号，通过电容C11隔离电容取出相应的交流信号，再通过U6芯片进行放大，就能将微弱的电压信号放大到后级控制电路能够识别的范围内，通过D5二极管和C13电容的滤波将交流信号变为直流信号，再通过R1和R2分压电阻，就得到了可以判定信号大小的稳定直流信号，方便后级控制电路作出判断处理。
6.根据权利要求1所述的一种LED铁路信号点光源装置，其特征是：所述LED铁路信号点光源装置的驱动及控制电路是LED点光源的中央处理器，它由控制电路芯片STC15W404AS和驱动芯片ULN2003A组成，所有的模拟量信息和控制量信息均由它们来测量和采集；控制电路芯片STC15W404AS检测电源电压、补偿电流、LED芯片主副丝电压，这几种信息均为模拟量，根据信息量采集的大小和程序设置的门槛进行比较判断进而控制驱动芯片是点主丝还是副丝，从而控制J1和J2继电器吸合还是断开。
7.根据权利要求1所述的一种LED铁路信号点光源装置，其特征是：所述LED铁路信号点光源装置的恒流和点灯电路，由于LED发光二极管是一种半导体材料，对工作的环境温度比较敏感，在高温下容易损坏，往往是温度越高电流就会越大，电流越大又会加速温度升高而造成损坏，由于本装置是安装在信号机构内，机构灯室体积小、四面密封，散热条件很差，因而设计了开关型恒流源电路，调整用的晶体管处于开关状态，除了导通就是截止不会产生多余的热量，为LED芯片、电解电容、二极管、集成电路创造了合适的工作环境。
8.根据权利要求1所述的一种LED铁路信号点光源装置，其特征是：所述LED铁路信号点光源装置的恒流和点灯电路，是由大功率LED发光二极管和U4恒流源及外围电路、电感、电容、二极管及取样电阻组成，发光二极管的发光强度是由电流决定的，恒流源AP1501-50内部提供1.25V恒定的电压，选用取样电阻4.7Ω，保证发光二极管具有恒定的260mA电流，保证了发光二极管的发光强度不随电压的高低而受影响。
9.根据权利要求1所述的一种LED铁路信号点光源装置，其特征是：所述LED铁路信号点光源装置壳体(6)为一体化设计，与定焦盘(7)连接后主副丝的位置与原有铁路系统中白炽灯泡主副丝的高度一致，不影响调焦；所述LED铁路信号点光源装置定焦盘(7)：定焦盘(7)与铁路原有系统定焦盘一致，可直接装入灯座中；所述LED铁路信号点光源装置的主副丝转换测试开关(8)：为方便铁路信号工定期检测LED铁路信号点光源的好坏，特此设置了主副丝转换测试开关(8)，轻按开关LED发光管主丝转为副丝，点灯电源装置发码；所述LED铁路信号点光源装置由主丝连接线(9)，副丝连接线(10)组成，由于灯座的簧片有时接触不好，特设主丝、副丝连接线，分别连接主丝、副丝接线柱，可防止簧片接触不好影响系统工作。
10.根据权利要求1所述的一种LED铁路信号点光源装置，其特征是：所述LED铁路信号点光源装置电路工作过程是这样的：通过点灯电源装置公共端、主灯丝接线端给LED点光源装置供电，通过二极管D1、D2、D3、D4组成的整流桥和电解电容C5、C6把交流整型滤波为16V的直流电压，开关稳压集成电路U4、U1工作；单片机上电后，开始执行既定程序：首先让单片机U2第4脚变为低电平，再经过驱动集成电路U3的3脚、14脚、2脚进行倒相后由15脚输出低电平使J2继电器吸合；吸合后由V1、V2、C1、C2、C3、C4组成的电流补偿电路开始工作，这时串联在电路中的霍尔电流传感器U5的第7脚就输出了与电流成正比的电压信号，电压信号通过电容C11加到运算放大器U6上，经过其放大后由1脚输出；输出的信号再经由D5向C13充电后得到一个可代表补偿电流大小的直流电压，这个电压再由电阻R1、R2分压后加到单片机U2的1脚，进行补偿电流测量；当测量的结果低于设定的正常值，则表示供电电压过低或补偿电路故障，点光源装置不能工作；当测量的结果为正常值，单片机U2的第5脚输出高电平，然后接入驱动集成电路U3的1脚，16脚输出低电平使J1吸合；单片机U2的第12脚变为高电平加到场效应管Q1的柵极上，主丝LED芯片工作正常；单片机U2的19脚通过电阻R3、R4检查主丝的工作电压，由于是恒流供电如芯片正常其电压必定在正常设定范围内，如有断路和短路的情况测量口电压将会大于或小于正常设定值，当电压值在正常设定范围内点光源装置主丝工作正常，当电压值不在正常范围内，表示主丝LED有故障，单片机U2的第12脚变为低电平关闭主丝场效应管Q1，U2第11脚变为高电平打开副丝场效应管Q2，U2的第5脚变为低电平，使U3的16脚变为高电平释放J1继电器，改由点灯电源装置副丝端供电；同时点光源装置向点灯电源装置传递了LED主丝芯片故障的信息，点灯电源装置主丝无电流，副丝产生电流；通过单片机U2的第19脚检查副丝工作电压是否正常，当测量口电压在正常范围内表示副丝工作正常；当测量口电压不在正常范围内，单片机U2的第11脚也变为低电平，关闭副丝场效应管Q2，单片机U2的第4脚也变为高电平通过U3使J2继电器释放，切断补偿电路补偿电流消失，这时点光源装置处于黑灯状态即点光源装置损坏。
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