关键词: 铁路信号; 制造; 维护; 展望

      LED ( L ightEm itt ing D iode, 发光二极管) 作为一种较为普及的新一代固体发光光源, 用于铁路信号机构的光源体, 已有十余年的时间。因其养护维修工作量少、维护成本低, 深受现场欢迎, 并因此得以迅速替代传统的白炽灯在铁路信号机构上道使用。
      但铁路信号机构作为铁路行车的凭证, LED光源体大规模推广应用仍然存在诸多技术问题, 需要继续研究和解决。为了具体说明这种光源体的特征优势, 有必要从简单认识LED 的制造过程开始,分析当前建立LED 铁路信号机构养护维修体制的必要性, 探索铁路信号机构光源体如何顺应LED技术的快速发展。
1?? LED生产制造过程
       目前, 国内、外多采用A lGaInP (磷铟镓铝)四元化合物制造红光和黄光LED, 采用InGaN (氮化镓铟) 三元化合物制造绿光和蓝光LED, 采用InGaN蓝光加荧光粉转换为白光LED。红光、黄光LED 的生产过程可以简述为: 外延生长衬底多采用GaAs (砷化镓) , 所谓生长就是几种元素的原子有序、整齐的堆积。国际上一般流行先生长N 型材料, 而N 型和P型材料的不同,就是InP (磷化铟)、GaP ( 磷化镓)、A lP (磷化铝) 三种二元化合物雾化的比例不同。在N 型材料生长厚度达到预期值时, 做量子阱, 用以提高发光效率, 之后再生长P型材料。P型材料生长完成后, PN 结形成。PN 结的结构决定了自由电子在发生能级跃迁过程中电子能量的损失。而电子能量的损失又以红光或黄光波长的能带宽度散射, 形成有视觉反映的可见红光和黄光。
      绿光和蓝光LED 的制造过程与红光和黄光LED的制造过程大致相同, 只不过衬底材料多采用A l2O3 (蓝宝石) , 在衬底上先生长一层低温GaN (氮化镓) 外延层, 之后生长N 型GaN, 然后做InG aN 量子阱发光层, 再生长P型GaN, 最后生长一薄层GaN。
      近年来, 我国LED 制造业有了长足的发展,但与日、美等几家技术先进的LED 制造企业相比,仅仅取得了数量上的优势, 其产品质量还存在较大差距。主要体现在以下4个方面。
      1. 外延技术。从上述制造过程的简介中可以看出, 外延技术的水平在很大程度上决定了LED的特性和质量。因此, 外延技术被LED 的研究和制造者们称之为外延艺术, 而我国目前外延技术还比较落后。
      2. 在外延生长过程中使用的关键材料质量,还达不到国外领先企业所采用材料的水平。
      3. 电极与芯片的连结材料和超声波压力焊的工艺, 与国外领先企业有较大的差距。
      4. 封装材料和封装工艺, 与国外领先企业相比, 还不能满足产品长寿命使用的需要。以上所述的差距决定了国产LED 的质量还处于相对较低的水平。然而一些LED 铁路信号机构的制造商, 往往又以世界领先企业的高端产品和平均寿命来计算LED 铁路信号机构的可靠性。这就使商家的设计值与产品的实际性能之间有较大差异。
2?? LED作为铁路信号机构的光源体在现场运用中存在的问题
       1. 目前国家对LED产品的质量控制, 还没有形成严格的管理体系, 致使国产LED 市场混乱, 质量差异过于悬殊。同一品种的产品灾变性失效和参数失效都不尽相同, 尤其是参数失效差异更大。质量好的, 在室温条件下可以达到50, 000h光衰30%,具有国际公认的有效寿命。质量差的仅使用1, 000h光衰就达到30% , 即其有效寿命已经结束。
      2. 冷光源存在的弊病, LED 也同样存在, 即发光强度随环境温度的上升而急剧下降。
      3. 大部分LED产品, 其发光颜色随照射方向偏离光轴角度的变化而变化。体现在色品坐标中,不但变化大, 而且没有规律。
      4. 环境温度的变化, 不但影响LED 的发光强度, 而且影响其发光颜色, 尤其是铁路信号保障行车安全的红色和黄色, 其伴随性更强。这种伴随性取决于外延技术和关键材料的品质。国产相当比重的产品, 其保持发光颜色的能力, 甚至达不到室内环境下的标准要求, 在色品坐标上颜色变化的覆盖面, 已经超出TB /T 2081??1989 要求的范围, 那么在室外环境温度变化的条件下, 其色品变化将有更大的反应。
      5. 目前LED 铁路信号机构多采用集成组合方式, 致使部分区域LED 的结温上升, 结温升高不但导致LED 的有效寿命下降, 而且使发光颜色随其线性变化。浙江大学光电系的研究人员选用一组品质优良的LED, 通过大量实验总结出了红光和黄光LED结温与峰值波长间的关系:
      红: Tj = 6??277( ?? /nm ) ??peak - 3911??7??
      黄: Tj = 6??833( ?? /nm ) ??peak - 4016??5??

      式中Tj 为结温, ??peak为峰值波长, 实验不但证实了LED存在色品的漂移, 而且可以推算出色品漂移有相当宽的幅度。品质优良的LED尚且如此,
那么品质一般的LED 结温对发光颜色产生的影响将更加劣化。
      6. 目前国内、外LED 的生产工艺水平, 还不能做到同一批次产品达到一致的光学标准。生产厂商只有通过简易光学测试进行筛选, 来实现基本的一致性。由此组合而成的LED 信号光源体, 其颜色和发光强度的漂移必将影响LED 铁路信号机构的光学质量。
      7. 由铁道行业标准认可的2 种结构形式的LED铁路信号, 现在已有多个厂家参与制造, LED发光体的采购由生产厂家各自进行。由于缺乏对原材料质量的技术管理和行政管理, 产品的运用质量难以保证。同时, 各生产厂家的出厂检验, 由于都没有配备既符合专业特点, 又具有一定精度的测试设备, 所以由其生产的LED铁路信号机构的光学品质检验方法和检验标准, 没有根据LED 光源的特点进行规范, 多数仅以简易的测试作为出厂检验依据。
      8. 现场维修单位, 目前迫切需要可以具体操作的维护标准和养护维修的检测手段, 这在我们走访的多个电务段、车间和信号工长群体中, 意见比
较集中。他们目前组织生产也只是测量供电电压和瞭望, 这样对LED 铁路信号机构光学品质的检查责任没有落实, 建议无论是电务段还是车间, 应当
成立专业的维修工区, 配置专用仪器仪表。因此, 尽快研制可普及、高水准、高效率的铁路信号机构测试设备作为检测手段, 并以此为技术支撑制定LED 铁路信号机构的上道管理规则和养护维修规则, 已是我们当前较为紧迫的任务, 否则LED铁路信号机构的显示质量, 有处于失控局面的可能。
3?? LED养护维修管理的建议
      1. 用现代光学原理, 研制能够快速自动测量铁路信号机构光学品质的设备, 使生产工厂和维护单位能够具备LED 铁路信号机构的测试能力。该
测量设备应分别研制装置式和手持式2种。装置式用于出场检验和轮换修使用, 手持式用于现场信号工区定点测试使用。装置式检测设备应采用折、反射的原理开发, 以减少占地面积, 用计算机控制按铁道行业标准要求对包括LED 铁路信号机构在内的所有铁路信号机构, 进行快捷、高精度的高、常、低温环境下色品和光强的测试。手持式应能在一定距离内, 自动简化背景, 对在用铁路信号机构进行快捷的在线色品和光强测试。
       2. 北京工业大学的LED 专家们, 在北京光电子试验室用强迫老化的方法, 对品质优良的LED群组, 进行了有效寿命试验, 结论是: 在常温正常
使用的条件下, LED 有效寿命约为32 000h左右。因为LED 铁路信号机构在室外使用, 所以其有效寿命将会进一步降低。因此建议2年轮换修一次,
最多不超过3年。
      3. 返所检修的LED 铁路信号机构应包括以下内容的检修:
      1) 机构清扫整治; 配套电路及防雷元件的整治、测试。
      2) 按30%以上的比例淘汰发光失效、色品变化和发光强度低的LED 组件, 之后将经测试和老化的新LED 组件, 在盘内平衡安装。
      3) 进行光学品质的全面测试, 其技术参数应能保证到下一个轮换期结束时光参数的衰减和漂移仍不低于铁道行业标准TB的要求。
4?? 对未来LED铁路信号机构的展望
       近2年来国际上LED 技术发展的速度异常迅猛, 发光效率已经达到白炽灯的10倍; 商用价格也在大大降低, 相同光通量的LED 两年来价格降低50% 。这些卓越的成就, 使我们感到铁路信号机构的实质性更新, 正向我们悄然逼近。

      LED的光效虽然已经很高, 但InGaN 加荧光材料的白光LED 光衰指数因现用荧光材料的不稳定, 而处于较低的水平。但可以断定的是, 在众多科学家的努力下, 这个问题的解决指日可待。笔者认为: 届时仍以色品稳定的透镜组加白光LED 是LED铁路信号机构的最佳组合方案。

      目前LED铁路信号机构的使用方式, 并没有发挥其节能的优势, 全国数千万个铁路信号灯位,每天的耗电量相当于一个中型热电厂的发电量。如
果我们用现代单片机技术作为频率识别和运行状况的监督, 用抗干扰频率电源供电, 重新设计铁路信号点灯电路, 这样不但可以解决灯丝监督和抗干扰问题, 而且即使按最低的换算指数, 也可以节约电能50% 以上。
5?? 结束语
       综上所述, LED 光源技术在铁路信号机构上应用的研究和实践意义重大, 应当持续进行下去。