交通信号灯电路板

交通信号灯电路板功能构成​

灯组驱动与显示控制功能​

灯组驱动功能主要是让红、黄、绿三种信号灯正常亮灭，保证按设定的顺序工作。电路板通过功率驱动电路连接每个灯组，每个灯的颜色都能单独控制。驱动电路支持高亮度 LED 光源的恒流驱动，输出电流能根据 LED 的数量调整，一般在 100-500mA 之间，这样能让灯光亮度均匀，亮度差别不超过 10%，在晴天、雨天、雾天等各种环境下都能看得清楚。​

显示控制功能是按照提前设定的交通信号顺序控制灯组切换。基本的顺序包括红灯亮 30-90 秒、黄灯亮 3-5 秒、绿灯亮 20-60 秒，然后循环。不同路口可以根据车流量设置不同的时间。电路设计有硬件和软件两重保护，硬件通过互锁设计防止红灯和绿灯同时亮，反应时间不超过 1 毫秒；软件也会做逻辑判断，保证灯组切换符合交通规则，比如绿灯变红灯前一定要先变黄灯。​

对于有多组灯的信号灯，比如有左转、右转箭头灯的，电路板能单独控制每组灯，让它们之间顺畅切换，切换时间不超过 50 毫秒，满足复杂路口疏导交通的需求。同时还有手动控制接口，遇到特殊情况，比如紧急车辆通过时，可以通过外部信号强制改变信号灯状态，比如变成全红或全绿。​

 

时序控制与联动功能​

时序控制功能是通过内部的定时器和程序控制信号灯自动切换，主要参数有每个灯的亮灯时间、切换间隔、顺序等，这些参数可以通过外部设备修改。有固定和自适应两种模式，固定模式适合车流量稳定的路口，按设定好的参数循环；自适应模式能接收外部的车流量、行人请求等数据，自动调整亮灯时间，比如某一方向车流量突然增多，就自动延长绿灯时间，最长能到原来设定的 2 倍。​

联动功能能让多个路口的信号灯一起工作，通过通信接口接收上级控制中心或附近路口的同步信号，保证路口间的信号灯顺序协调，比如让主干道的绿灯连续亮，减少车辆等待时间。联动时会用时间同步技术，让各路口信号灯的时间差别不超过 10 毫秒，避免因为顺序不对导致交通混乱。​

行人请求联动功能会接收行人过街按钮的信号，当检测到有人要过马路时，在当前信号灯顺序结束后，专门给行人亮绿灯，时间一般 15-30 秒，同时点亮行人信号灯，保证行人安全。如果短时间内多次按按钮，只会响应第一次，避免频繁打断正常的信号灯顺序。​

 

状态监测与故障诊断功能​

状态监测功能会实时收集信号灯和电路板的运行数据，包括每个灯组的电流、电压、温度和总的运行时间等，通过内部的传感器和采样电路获取这些数据。监测灯组电流能判断 LED 是否损坏，比如电流比额定值低 80% 以上，就说明可能坏了；监测电压能知道供电是否稳定，正常工作电压在 180-240V 之间，超过这个范围 10% 就会报警；还会监测功率器件的温度，保证它们的工作温度不超过 70℃。​

故障诊断功能通过分析监测到的数据找出问题，常见的故障有灯组断路、短路、顺序错误、通信中断等。诊断系统能确定故障的具体位置，比如哪个灯组或哪个电路模块出问题，还会用故障代码记录故障类型和时间，能存 100 条以上，方便后面维修。​

处理故障时会根据严重程度采取不同措施：小故障，比如个别 LED 损坏，会点亮备用 LED，并通过通信接口发送报警信息；严重故障，比如红绿灯同时亮、供电中断，会自动切换到安全模式，比如黄灯闪烁或全亮红灯，同时现场的蜂鸣器和故障指示灯会发出警报，并在 10 秒内向上级控制中心发送紧急信息。​

 

通信与远程控制功能​

通信功能能让电路板和外部系统交换数据，有有线和无线两种方式，适合不同的安装环境。有线通信适合固定路口，传输速度不低于 9600bps，最远能传 1000 米；无线通信适合临时路口或不好布线的地方，开阔环境下能传 1 公里以上，数据上传的时间间隔可以设置，1-60 秒不等，还能切换到低功耗模式，待机时电流不超过 50mA。​

远程控制功能允许控制中心修改信号灯的参数和状态，比如调整亮灯时间、强制切换灯的颜色、启动手动模式等。控制指令会加密传输，防止被非法操作。还能通过通信接口更新电路板的程序，增加新功能或修复问题，更新时如果中断，能接着上次的进度继续，避免设备无法使用。​

数据上报功能会定时向控制中心发送运行状态，正常时每 5 分钟发一次，出故障时马上发，内容包括当前亮的灯色、剩余时间、故障代码、运行总时间等，给交通管理部门提供数据支持。​

 

电源管理与抗干扰功能​

电源管理功能能保证电路板在电网不稳定的情况下正常工作，输入电压在 170-264V 之间都能适应。电源转换模块会把交流电转换成多种直流电压，供不同的部件使用，比如 5V 给微控制器和通信模块，12V 给驱动电路，24V 给传感器，转换效率不低于 85%，电压波动不超过 100mV，保证各部件供电稳定。​

有备用电源接口，能接蓄电池或 UPS，停电时会自动切换到备用电源，切换时间不超过 50 毫秒，备用电源至少能让信号灯工作 4 小时。电源管理电路还能管理充放电，接蓄电池时，会控制充电电流，防止过充，当电压超过 13.8V 就停止充电，同时监测电池电量，低于 20% 就报警。​

抗干扰功能通过硬件和软件减少电磁干扰和电网噪声，电源输入端有浪涌保护器和滤波器，能承受 2kV 的浪涌电压，滤波器能抑制 10kHz-30MHz 的干扰；电路板采用隔离设计，信号和功率电路之间的电压隔离不低于 2500V，减少相互干扰。软件会用数字滤波的方法处理采集到的信号，去掉噪声，保证数据准确。​

 

交通信号灯电路板设计要点​

高可靠性设计​

交通信号灯电路板需要在恶劣环境下长期稳定工作，温度在 - 40℃到 70℃之间、湿度 95% 不结露、有振动冲击的情况下，要能工作 5 年以上。选元件时要考虑耐环境性能，LED 驱动芯片用工业级的，能在 - 40℃到 85℃工作；电容用长寿命的，在 105℃下能工作 10000 小时以上；连接器要防水，防护等级达到 IP65，引脚镀金，金层厚度不低于 1μm，增强抗腐蚀能力。​

电路设计有冗余，关键模块有备份，主模块坏了会自动切换到备份模块，切换时间不超过 100 毫秒，保证基本功能正常。灯组驱动电路独立设计，一路坏了不影响其他灯组，比如红灯驱动坏了，黄灯和绿灯还能正常切换。​

PCB 板设计要增强机械强度和散热，用厚铜箔和 4 层以上的板子，提高电流承载和散热能力；边缘有固定孔，用防震支架安装，减少振动对焊点的影响；表面涂三防漆，厚度 50-80μm，能防潮、防盐雾、防霉菌，适应户外环境。​

 

电磁兼容设计​

电路板要能在复杂的电磁环境中正常工作，不干扰其他设备，也不受其他设备干扰，符合相关标准。控制传导发射要优化电源回路和布线，电源输入端的 EMI 滤波器能抑制干扰，在 150kHz-30MHz 范围内，插入损耗不低于 40dB；功率回路的线要短而粗，减少回路面积，控制在 50cm² 以内，降低辐射。​

控制辐射发射要注意高频信号，时钟频率低于 100MHz，减少高频谐波；通信线用屏蔽线，屏蔽层一端接地，减少传输时的辐射；敏感电路周围设接地屏蔽环，隔离外部干扰。​

提高抗扰度，让电路板能抵御外部干扰，静电放电接触放电能承受 ±6kV，空气放电能承受 ±15kV；电快速瞬变脉冲群在电源端口能承受 2kV，信号端口能承受 1kV；浪涌在电源端口线 - 线能承受 2kV，线 - 地能承受 4kV，保证雷击或电网浪涌时不会损坏。​

 

低功耗与节能设计​

低功耗设计能降低能耗，适合太阳能供电的信号灯。主控制器用低功耗的微处理器，正常工作时电流不超过 10mA，休眠时不超过 1mA，能根据工作情况调整频率，空闲时降到 8MHz，工作时升到 48MHz，减少能耗；LED 驱动电路用恒流芯片，转换效率不低于 90%，比线性稳压器更省电。​

智能节能会根据环境亮度调 LED 亮度，白天光线强，亮度 100%；晚上光线弱，亮度 50%，既能看清又能节能，晚上能省 50% 以上的电。调光用 PWM 技术，至少有 10 级可调，不会闪烁。​

待机时功耗控制在 1W 以内，长时间没车流量时，比如深夜，会进入间歇模式，延长亮灯时间，比如红灯延长到 60 秒，减少切换次数，降低能耗，同时保持基本的警示功能。​

 

模块化与标准化设计​

模块化设计把电路板分成电源、驱动、控制、通信等独立模块，模块间用标准接口连接，方便生产、调试和维修。模块用统一的供电接口和通信协议，一个模块坏了可以单独换，降低维修成本。​

标准化设计遵循交通设备标准，接口类型、电气参数、通信协议等符合行业规范，不同厂家的电路板能互换。比如灯组接口用标准端子，间距 5.08mm；通信接口用 RS485 标准，速率 9600bps，无奇偶校验，方便系统集成和升级。​

模块化设计还支持扩展功能，预留传感器和扩展槽接口，能根据需要加功能模块，适应智能交通系统的发展。​

 

安全性设计​

安全性设计要保证信号灯控制符合交通规则，避免因电路故障导致信号冲突，比如红灯和绿灯同时亮。硬件上用互锁电路，红、黄、绿灯的驱动信号通过逻辑门互锁，任何时候最多只有一组灯亮，反应时间不超过 1 毫秒；软件上多次校验，切换灯色前检查目标状态是否合法，不合法就切换到黄灯闪烁。​

防误操作设计限制手动控制权限，手动控制要输密码或用物理钥匙，操作记录自动保存，包括时间、人员、内容，方便追溯。远程控制指令要加密和校验，防止恶意攻击或误操作导致信号异常。​

电气安全设计符合标准，电路板和外壳之间的绝缘电阻不低于 100MΩ，接地电阻不超过 4Ω，有过流、过压、短路保护，保证安装和维修人员的安全。​

 

交通信号灯电路板组成元件​

控制与逻辑元件​

控制与逻辑元件是电路板的核心，有主控制器、定时器、逻辑电路等。主控制器用工业级微处理器，有足够的 I/O 接口、定时器、通信接口，工作频率不低于 48MHz，程序存储容量不低于 256KB，数据存储容量不低于 32KB，负责控制时序、诊断故障、通信等，支持在线编程和升级。​

定时器提供精确的时间基准，计时精度误差不超过 0.1%，能多通道独立计时，满足多相位控制需求。逻辑电路由门电路和触发器组成，实现灯组互锁、状态切换等，主控制器故障时还能维持基本的灯色切换。​

实时时钟芯片提供日历和时间，记录故障时间和运行数据，断电后靠电池供电，能维持时间运行 7 天以上，时间精度误差不超过 ±5ppm，每年误差不超过 2 分钟。​

 

驱动与功率元件​

驱动与功率元件把控制信号转换成灯组的驱动电流，有 LED 驱动芯片、功率开关、保护电路等。LED 驱动芯片支持 100-500mA 的恒流输出，能调电流，有过流、过温保护，转换效率不低于 90%，能驱动多颗串联或并联的 LED，通过 PWM 信号调光，调光范围 0-100%。​

功率开关用继电器或 MOSFET，继电器适合高压交流灯组，能切换 10 万次以上；MOSFET 适合低压直流 LED 灯组，导通电阻不超过 10mΩ，开关速度不超过 100ns，都能隔离，防止灯组高压影响控制电路。​

驱动保护电路有保险丝、TVS 二极管、限流电阻，灯组短路时能快速切断电路，保护驱动芯片。保险丝用快熔型的，额定电流是灯组电流的 1.5 倍。​

 

电源与转换元件​

电源与转换元件把市电转换成电路板需要的直流电压，有电源适配器、整流桥、滤波器、稳压器等。电源适配器输入 AC 220V，输出多种直流电压，总功率不低于 20W，效率不低于 85%，有过流、过压、短路保护。​

整流桥把交流电转换成直流电，额定电流不低于 1A，反向耐压不低于 400V；滤波器由电感和电容组成，滤除整流后的波动，让直流输出平稳，波动电压不超过 50mV；稳压器用线性或开关型的，线性的用于低噪声电路，输出噪声不超过 10μVrms；开关型的用于大电流电路，效率不低于 90%。​

备用电源接口能接蓄电池，一般是 12V/7Ah 的，有充放电管理芯片，能恒流恒压充电，充电电压 13.8V，电流 0.5-1A，过充保护电压 14.4V，过放保护电压 10.5V。​

 

监测与传感元件​

监测与传感元件采集运行状态数据，有电流传感器、电压传感器、温度传感器、光敏传感器等。电流传感器串联在灯组回路，把电流信号转换成电压信号，1V 对应 1A，测量范围 0-1A，精度误差不超过 2%，监测灯组电流。​

电压传感器通过电阻分压监测输入和灯组电压，测量范围 AC 0-300V 或 DC 0-30V，精度误差不超过 1%，帮助诊断电源故障。温度传感器用 NTC 热敏电阻，贴在功率器件表面，测量范围 - 40-125℃，精度误差不超过 1℃，用于过温保护。​

光敏传感器检测环境光强度，范围 0-100000lux，输出 0-3.3V 的模拟信号，用于自动调节 LED 亮度，白天亮、夜间暗，响应时间不超过 100ms。​

 

通信与接口元件​

通信与接口元件实现数据传输和外部控制，有通信芯片、接口连接器、保护元件等。通信芯片支持 RS485、以太网或无线通信，RS485 芯片能差分传输，通信距离不低于 1000 米，数据速率 9600-115200bps 可调，支持多节点组网；以太网芯片支持 TCP/IP 协议，接入有线网络，速率 10/100Mbps；无线通信芯片用于无线传输，距离 1-10 公里，工作频段符合国家无线通信标准。​

接口连接器有电源接口、灯组接口、控制接口等，电源接口用 AC 插座，防护等级 IP65；灯组接口用端子排，间距 5.08mm，能接多组 LED 灯；控制接口用于连接外部控制设备，如行人按钮、交通信号机，有防反插设计，保证连接正确。