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[摘 要]本文根据铁路信号机点灯单元组成，设计制作出了LED信号机点灯电路。为了验证电路，对样机进行了相关技术指标测试及故障、安全测试，并在铁路现场进行试验。测試和试验结果表明，本文的设计完全符合各项性能指标，达到预期设计目标。
[关键词]铁路信号机 点灯电路 LED
中图分类号：TP23 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）10-0092-01
引言
信号机是铁路信号显示的主要设备。它在保障行车安全，提高运输效率和改善行车工作人员劳动强度等方面发挥着十分重要的作用。传统铁路信号机采用直丝灯光源。但灯泡耗寿命短、维修频繁，存在极大的安全隐患，逐渐不适应铁路信号显示的要求。LED较之传统白炽灯有长寿命、颜色纯正、无冲击电流、绿色环保等优点。与灯泡不同，LED信号机直接替换灯丝信号机时，需要设计专门的点灯电路、驱动电路，并能与现有设备兼容。
一、点灯单元总体设计
点灯单元主要完成电源转换、防雷、驱动LED发光盘、故障—安全、告警输出等功能。点灯单元将220ACV电源转换成合适的直流稳压电源，给LED发光盘供电，并为点灯单元中的其他部分供电。其结构框图如图1所示。
防浪涌电路防止上电瞬间通过的浪涌电流，保护点灯单元其他部分。EMC电路用来滤除线路中的共模和差模信号，并降低点灯单元电路对其他设备的电磁于扰。工频变压器对输入的交流电降压，整流滤波电路把变压后的交流整流滤波成脉动直流。DC-DC电源变换电路把整流后的直流变换成稳定的直流输出，并为LED灯盘和单元中其他部分供电。电源检测电路检测双路电源的状态，当其中任一路电源故障时，电源检测电路通过告警电路输出告警信号。LED检测电路检测LED损坏的个数。当LED损坏超过30%时，LED检测电路通过告警电路输出告警信号。告警调试电路用来检查告警功能的好坏。告警电路通过控制告警继电器l（J向控制室发出告警信号。
二、具体电路设计
1 防浪涌电路
在上电瞬间，电路中的电解电容和寄生电容迅速充电，工频变压器的磁芯严重饱和，会产生很大的浪涌电流，并对点灯单元和联锁设备中的元器件造成损坏。
在交流线路中串接一个NTC热敏电阻可以抑制开机时浪涌电流。
NTC是负温度系数电阻器，电阻值随温度的变化呈现非线性变化，电阻值随温度升高而降低。上电瞬间，由于NTC阻值较高，线路中电流较低。由于电流发热，NTC温度升高，阻值降低，线路中电流逐渐释放到讵常水平。当电路进入稳态工作时，由于线路中持续工作电流引起的NTC电阻器的发热，NTC的电阻值变得很小，对线路造成的影响可以完全忽略。选择NTC电阻时，主要考虑R25（Q）、最大稳态电流、耗散系数、热时间常数等参数。
本设计选择MF72-50D9型NTC电阻，R25=50 Q。
2 EMC电路
为了满足铁路标准中对电磁干扰的要求，需要加入EMC电路。
C1选择超高压陶瓷片状电容器，103/1KV；T1选择Sumida生产的PFCl816.033共模电感。
3 工频变压器
工频变压器实现交流电降压。工频变压器功率为25VA，使用R型磁芯。AC220V输入时，空载输出为25V。
4 整流滤波电路
整流滤波电路由桥式整流电路和两个并联的滤波电容组成（选择100uF/63V铝电解电容和金属化聚丙烯膜抗干扰电容）。桥式整流把交流整流成脉动直流。滤波电容用来滤除脉动直流中的交流成分，使直流输出平滑。工频变压器输出为AC18-30V，峰值电压小于50V，所以整流桥选择2W04G（200V/4A）即可满足要求。
5 DC-DC变换电路
DC-DC变换电路将整流滤波后的脉动直流转换为稳压直流输出。输入电压范围为DC20-35V，点灯单元输出电压为DC12V±1V，额定输出电流为0.8A，最大输出电流为1.5A。并且要求电源转换效率达到85%以上，且体积小，电路简单。LT1076是Liner公司推出的一款BUCK型DC-DC变换器。工作电压高达40V，100kHz开关频率，动态响应高，静态电流只有8.5mA，输出电流高达2A，可供选择的低价格TO-220 5或7管脚封装，可编程电流限制，微电源关闭模式。基于LT1076的BUCK变换器如图2所示。
6 电源检测电路
电源检测电路用来检测双路电源的状态，电路如图3所示。当电源l故障时，电源l无输出，BJ失磁，BJ前接点断开，告警电路无电源输入，告警继电器失磁，告警继电器的后节点闭合，发出告警信号。当电源2故障时，电源2无输出，AJ失磁，AJ前接点断开，BJ失磁，BJ前接点断开，告警继电器失磁，并发出告警信号。当双路电源都故障时，AJ和BJ都失磁，告警继电器告警。这样就实现了双路电源的检测。
7 LED检测
LED检测电路由电流反馈电路、放大电路和比较电路组成，如图4所示。检流电阻RCS串接在LED发光盘的负端。LED总电流流经RCS，并在RCS上产生一个压降。由于该电压幅值较小，我们采用同相比例放大电路把该小信号放大。放大信号通过比较电路，与一定固定电压进行比较，以确定LED总电流是否下降了正常值的30%以上。比较电路的输出用来控制告警电路。当LED总电流变化范围没有超过正常值的30%以上时，比较电路输出高电平，该高电平使得告警继电器磁力，无告警信号输出；否则，比较电路输出低电平，告警继电器失磁，有告警信号输出。
三、结论
本设计采用Linear公司的专业仿真软件LTspice对基于LT1076的BUCK变换器进行仿真。仿真结果显示，BUCK型DC/DC电源变换电路的设计，符合设计目标的要求。
[关键词]铁路信号机 点灯电路 LED
中图分类号：TP23 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）10-0092-01
引言
信号机是铁路信号显示的主要设备。它在保障行车安全，提高运输效率和改善行车工作人员劳动强度等方面发挥着十分重要的作用。传统铁路信号机采用直丝灯光源。但灯泡耗寿命短、维修频繁，存在极大的安全隐患，逐渐不适应铁路信号显示的要求。LED较之传统白炽灯有长寿命、颜色纯正、无冲击电流、绿色环保等优点。与灯泡不同，LED信号机直接替换灯丝信号机时，需要设计专门的点灯电路、驱动电路，并能与现有设备兼容。
一、点灯单元总体设计
点灯单元主要完成电源转换、防雷、驱动LED发光盘、故障—安全、告警输出等功能。点灯单元将220ACV电源转换成合适的直流稳压电源，给LED发光盘供电，并为点灯单元中的其他部分供电。其结构框图如图1所示。
防浪涌电路防止上电瞬间通过的浪涌电流，保护点灯单元其他部分。EMC电路用来滤除线路中的共模和差模信号，并降低点灯单元电路对其他设备的电磁于扰。工频变压器对输入的交流电降压，整流滤波电路把变压后的交流整流滤波成脉动直流。DC-DC电源变换电路把整流后的直流变换成稳定的直流输出，并为LED灯盘和单元中其他部分供电。电源检测电路检测双路电源的状态，当其中任一路电源故障时，电源检测电路通过告警电路输出告警信号。LED检测电路检测LED损坏的个数。当LED损坏超过30%时，LED检测电路通过告警电路输出告警信号。告警调试电路用来检查告警功能的好坏。告警电路通过控制告警继电器l（J向控制室发出告警信号。
二、具体电路设计
1 防浪涌电路
在上电瞬间，电路中的电解电容和寄生电容迅速充电，工频变压器的磁芯严重饱和，会产生很大的浪涌电流，并对点灯单元和联锁设备中的元器件造成损坏。
在交流线路中串接一个NTC热敏电阻可以抑制开机时浪涌电流。
NTC是负温度系数电阻器，电阻值随温度的变化呈现非线性变化，电阻值随温度升高而降低。上电瞬间，由于NTC阻值较高，线路中电流较低。由于电流发热，NTC温度升高，阻值降低，线路中电流逐渐释放到讵常水平。当电路进入稳态工作时，由于线路中持续工作电流引起的NTC电阻器的发热，NTC的电阻值变得很小，对线路造成的影响可以完全忽略。选择NTC电阻时，主要考虑R25（Q）、最大稳态电流、耗散系数、热时间常数等参数。
本设计选择MF72-50D9型NTC电阻，R25=50 Q。
2 EMC电路
为了满足铁路标准中对电磁干扰的要求，需要加入EMC电路。
C1选择超高压陶瓷片状电容器，103/1KV；T1选择Sumida生产的PFCl816.033共模电感。
3 工频变压器
工频变压器实现交流电降压。工频变压器功率为25VA，使用R型磁芯。AC220V输入时，空载输出为25V。
4 整流滤波电路
整流滤波电路由桥式整流电路和两个并联的滤波电容组成（选择100uF/63V铝电解电容和金属化聚丙烯膜抗干扰电容）。桥式整流把交流整流成脉动直流。滤波电容用来滤除脉动直流中的交流成分，使直流输出平滑。工频变压器输出为AC18-30V，峰值电压小于50V，所以整流桥选择2W04G（200V/4A）即可满足要求。
5 DC-DC变换电路
DC-DC变换电路将整流滤波后的脉动直流转换为稳压直流输出。输入电压范围为DC20-35V，点灯单元输出电压为DC12V±1V，额定输出电流为0.8A，最大输出电流为1.5A。并且要求电源转换效率达到85%以上，且体积小，电路简单。LT1076是Liner公司推出的一款BUCK型DC-DC变换器。工作电压高达40V，100kHz开关频率，动态响应高，静态电流只有8.5mA，输出电流高达2A，可供选择的低价格TO-220 5或7管脚封装，可编程电流限制，微电源关闭模式。基于LT1076的BUCK变换器如图2所示。
6 电源检测电路
电源检测电路用来检测双路电源的状态，电路如图3所示。当电源l故障时，电源l无输出，BJ失磁，BJ前接点断开，告警电路无电源输入，告警继电器失磁，告警继电器的后节点闭合，发出告警信号。当电源2故障时，电源2无输出，AJ失磁，AJ前接点断开，BJ失磁，BJ前接点断开，告警继电器失磁，并发出告警信号。当双路电源都故障时，AJ和BJ都失磁，告警继电器告警。这样就实现了双路电源的检测。
7 LED检测
LED检测电路由电流反馈电路、放大电路和比较电路组成，如图4所示。检流电阻RCS串接在LED发光盘的负端。LED总电流流经RCS，并在RCS上产生一个压降。由于该电压幅值较小，我们采用同相比例放大电路把该小信号放大。放大信号通过比较电路，与一定固定电压进行比较，以确定LED总电流是否下降了正常值的30%以上。比较电路的输出用来控制告警电路。当LED总电流变化范围没有超过正常值的30%以上时，比较电路输出高电平，该高电平使得告警继电器磁力，无告警信号输出；否则，比较电路输出低电平，告警继电器失磁，有告警信号输出。
三、结论
本设计采用Linear公司的专业仿真软件LTspice对基于LT1076的BUCK变换器进行仿真。仿真结果显示，BUCK型DC/DC电源变换电路的设计，符合设计目标的要求。