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寒地LED照明應用分析

2019-11-10    

來源:半導體照明網

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導語: 過10年左右的快速發展,LED照明已經進入快速推廣階段,市場應用從最初的南方地區逐步向中西部滲透擴展。但在實際應用中我們發現,在南方用的很好的戶外照明產品,到了北方地區,尤其是東北、新疆等地區,產品的應用受到新的考驗。本文通過分析寒地環境下影響LED照明的一些關鍵因素,找出對應的解決策略,最終發揮出LED光源的應有優勢。

  過10年左右的快速發展,LED照明已經進入快速推廣階段,市場應用從最初的南方地區逐步向中西部滲透擴展。但在實際應用中我們發現,在南方用的很好的戶外照明產品,到了北方地區,尤其是東北、新疆等地區,產品的應用受到新的考驗。本文通過分析寒地環境下影響LED照明的一些關鍵因素,找出對應的解決策略,最終發揮出LED光源的應有優勢。

  一、寒地環境下LED照明的優勢

  相對原有的白熾燈、熒光燈和高強度氣體放電燈而言,LED器件在低溫下的工作性能要好的多,甚至可以說,光學性能比常溫下更加卓越。這是和LED器件的溫度特性密切相關的,圖1是某品牌大功率LED器件溫度和相對光輸出曲線圖?梢钥闯,隨著結溫的降低,燈具的光通量會相對增大。根據燈具的散熱規律,結溫和環境溫度密切相關,環境溫度越低,結溫必然越低。另外,根據圖2我們可以看出,結溫的降低,還可以降低LED光源的光衰過程,延遲燈具的使用壽命,這也是大部分電子元器件的特性。

  


  圖1 LED的結溫-相對光輸出曲線

  


  圖2 LED的結溫-壽命曲線

  二、寒地環境下LED照明面臨的困難和對策

  雖然LED本身在寒地條件下有更多的優勢,但不可忽略的是,LED燈具除了光源,息息相關的還有驅動電源、燈體材料以及在寒地環境下的霧天、強紫外等綜合天氣因素,都給這種新型光源應用帶來新的挑戰和麻煩。只有弄清這些制約因素,找到對應的解決方案,就能充分發揮LED光源的優勢,在寒地環境中大放異彩。

  1.驅動電源的低溫啟動問題

  做電源開發的人都知道,電源的低溫啟動是個難題。主要的原因是現有的大部分成熟電源方案,都離不開電解電容的廣泛應用(如圖3)。但是在-25℃以下低溫環境炙粳電解電容的電解質活性明顯下降,電容容量衰減很大〔1〕(如圖4),導致電路不能正常工作。要解決這個問題,目前有兩種方案:一是采用工作溫度范圍更寬的優質電容,當然這會帶來成本的增加。二是采用無電解電容的電路設計,包括采用陶瓷疊層電容,甚至采用線性驅動等其他驅動方案。

  


  圖3 LED的驅動電源

  (a)鉭電解電容 (b)鋁電解電容

  


  圖4 電解電容的溫度容量變化曲線

  此外,在低溫環境下,像MOS管等普通電子器件的耐壓性能也會降低,給電路的整體可靠性造成不利影響,需要特別注意。

  2.塑膠材料在高低溫沖擊下的可靠性問題

  根據國內外一些研究機構的研究人員實驗證實:很多普通塑料和橡膠材料在-15℃以下的低溫下韌性變差,脆性增大〔2,3〕(如下圖5所示)。對LED戶外產品而言,透光罩、光學透鏡、密封件以及部分結構件都有可能采用塑膠材料,那么就需要對這些材料的低溫機械性能進行仔細考慮,尤其是承力部件,避免燈具在低溫環境下受到大風、意外碰撞后破裂而導致意外事故的發生。

  


  


  圖5 塑料材料在低溫下強度變差

  另外,LED燈具常采用塑膠件和金屬的配合結構(如圖6)。由于塑料材質和金屬材料在大溫差環境下的膨脹系數差異較大(如表1所示),例如燈具常用的金屬鋁和常用塑料材料的膨脹系數大概相差5倍以上,這可能會導致塑料材料破裂,或者兩者的間隙增大,最終致使防水密封結構失效,進而產品出現問題。

  


  圖6 LED燈具中金屬和塑膠材料組合

  表1 不同材料的線膨脹系數(1/℃)

  


  材料溫度范圍

  20~100(℃)

  20~200(℃)

  20~300(℃)

  黃銅 17.8×10-6 18.8×10-6 20.9×10-6

  碳鋼 (10.6~12.2)×10-6 (11.3~13)×10-6 (12.1~13.5)×10-6

  鑄鐵 (8.7~11.1)×10-6 (8.5~11.6)×10-6 (10.1~12.2)×10-6

  鋁 23.03×10-6

  有機玻璃 130×10-6

  尼龍1010 105×10-6

  在諸如東北這些高寒地區,從每年的10月份到次年的4月份,都可能處于冰雪季節。LED燈具在下午臨近傍晚開燈前,溫度可能低于-20℃以下,然后晚上通電工作后,由于燈具發熱,又可能使得燈體溫度上升到30℃~40℃以上,基本上每天燈具都要經歷一次高低溫的循環沖擊。在這種環境下,如果處理不好燈具的結構設計以及不同材料的匹配問題,很容易導致我們上述所說的材料開裂和防水失效問題。

  針對這種情況,國家半導體照明工程研發及產業聯盟從2010年開始,連續推出兩版的《寒地LED道路照明產品技術規范》LB/T005,其中的關于高低溫沖擊的實驗方法,考慮了這種特殊環境下的工作方式,筆者認為非常值得借鑒和采納。試驗樣品應經歷圖7所示的2個溫度變化循環試驗,每個循環歷時5h。即:

  試驗循環:5次;

  每個循環時間:5h;

  溫度曲線:按圖1規定;

  溫度升降變化速率:0.5℃∕min~4.0℃∕min;

  循環開始溫度:20℃;

  低溫:-40℃,保持時間1h;

  高溫: 40℃,保持時間1h;

  通電方式:在圖1“A”點處開始通電至“B”點處。

  


  圖7 寒地照明LED產品的高低溫沖擊實驗曲線

  3.LED的光色問題

  進入秋冬季節后,北方的大霧天氣也會逐步多起來。當然,大霧不是高寒地區的特產,全世界到處都鈾粳但是在這些高寒地區,光的顏色除了會涉及霧的穿透問題之外,還有感覺舒適性和環境和諧的問題。

  關于LED燈的霧穿透力的問題,業界一直討論比較多,那么不同波長的光對霧的穿透力是否有差異,鈉燈的黃光和LED的白光對霧的穿透性究竟有多少不同呢?

  觀點一:在一定霧濃度下,不同波長的光,由于衍射能力不同,具有不同的霧穿透能力。這個觀點也被國內外一些研究結構的相關實驗證實:單色光炙粳黃光的霧穿透能力最強,其次是紅光、綠光和藍光〔4〕。

  表2和圖8分別是不同顏色的單色光的相對穿透能力的比對,其中橫坐標表示是霧的濃度。我們可以看出:同一種單色光情況下,隨著霧的濃度增大,透過性越來越差。在同一種霧的濃度下,黃光的透光性最強,其次是紅光、綠光和藍光,但是數量級都是一樣的,相差不多。

  表2 不同LED單色光的相對霧穿透能力

  


  


  圖8 不同顏色的LED光透過率曲線

  同時,還有一種觀點認為:不同可見光透霧能力是差不多的,理由是:不同光子的尺寸大小相比而言是綠豆和黃豆的關系,而相比霧粒子的尺寸,則相當于是個足球(如圖9所示)。當霧的濃度很大的時候,任何的光都很難穿過去。這個時候表現出來鈉燈的黃光比LED的白光霧穿透能力更強,其主要原因是在LED白光照射下,霧呈現白茫茫一片,而黃光則表現出很好的誘導性〔5〕。筆者認為這個觀點還是有一定道理的,我們可以通過圖10的兩張照片看出這種差異,左邊是LED的冷白光,右邊是鈉燈的黃光。

  


  圖9 光子和霧粒子的尺寸對比示意圖

  


  圖10 冷白光和黃光的誘導性對比照片

  綜合上述兩種觀點,我們再來對比一下鈉燈、高色溫LED和低色溫LED的光譜分布曲線,圖11、圖12和圖13是本人通過遠方的PM-80光譜分析系統實際測量得到的上述燈具的光譜圖。其中圖11是6500K高色溫LED光譜,圖12是2700K低色溫LED光譜,圖13則是高壓鈉燈的光譜。

  很明顯,相對而言,高色溫LED的藍色成分比例較大,黃光和紅光的比例比例相對較少。高壓鈉燈和2700K的低色溫的LED炙粳藍光成分相對較少,黃光和紅光的成分則相對較大。而且鈉燈和2700K的LED相比,并沒有多少優勢,如果考慮到LED顯色指數的影響,則低色溫的LED有更多的優勢。因此,寒地照明炙粳應該更多的考慮采用3000K以下的低色溫LED,具有更好的透霧能力和誘導性。

  


  圖11 6500K高色溫LED的光譜圖

  


  圖12 2700K高色溫LED的光譜圖

  


  圖13 高壓鈉燈的光譜圖

  當然,在北方,除了霧的原因之外,大多季節的晚上都比較冷。冷白色得光更加會讓城市顯得冷清和凄涼,而暖色光會給人一種溫暖、愉悅的感受,從這個角度,也應該采用更加暖色調的燈光,讓城市夜色顯得更加的和諧美麗。

  4.紫外老化問題

  記得在前兩年上海的一次行業論壇上,有業內專家提到了一個現象。當時他們開展了一次批量的戶外LED燈具實地性能測試,半年后在評估光衰指標時發現一個奇怪的現象:在同時段戶外老化實驗的LED燈具,光源電源的配置也是差不多的,但是24小時工作的LED隧道燈的光衰卻比10個多小時工作的路燈還要小的多,他們覺得非常奇怪,經過多次分析研究,最后認為主要還是白天的紫外線對燈具相關部件的老化造成的。這個結論當時也得到了臺灣一個專家的現場支持,他說他們也研究過,白天戶外的紫外線對熒光粉、透鏡等部件的加速老化是不可小視的。需要在透鏡、燈罩等部分做抗紫外線的處理,比如鍍抗紫外膜,或者在這些部件成型時加入抗紫外的組分。

  三、結語

  我們通過對寒地環境下多個因素的分析可以看出,LED作為一種半導體照明器件,有它自身的很多優勢,但也存在有別于傳統照明光源的一些問題,只有仔細的研究這些差異性,逐個認真分析解決,才能真正發揮出LED照明在寒地條件下的優勢!疚倪x自第2期《半導體照明》雜志)

  參考文獻

  李享,李岱霖,葉雪榮,翟國富?LED開關電源中鋁電解電容性能退化模型的研究〔J〕? 電源學報,2012(06)


  王金輝,張立志,于凱?工程塑料低溫性能的研究[J]?塑料工業,1991(04)


  阮裕堯?低溫對工程塑料橡膠及典型結構件的影響研究[J]?環境技術,2009(03)


  張倩,王兆均,姚其,林燕丹?可見光光譜透霧性研究[C]?優發娛樂國際-綠色照明與照明節能科技研討會專題報告文集,2008


  喬乾, 許敏?LED在道路照明中穿透性及光色分析研究[J]?照明工程學報2009(8)


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