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寒地LED照明应用分析

2019-11-10    

来源:半导体照明网

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导语: 过10年左右的快速发展,LED照明已经进入快速推广阶段,市场应用从最初的南方地区逐步向中西部渗透扩展。但在实际应用中我们发现,在南方用的很好的户外照明产品,到了北方地区,尤其是东北、新疆等地区,产品的应用受到新的考验。本文通过分析寒地环境下影响LED照明的一些关键因素,找出对应的解决策略,最终发挥出LED光源的应有优势。

  过10年左右的快速发展,LED照明已经进入快速推广阶段,市场应用从最初的南方地区逐步向中西部渗透扩展。但在实际应用中我们发现,在南方用的很好的户外照明产品,到了北方地区,尤其是东北、新疆等地区,产品的应用受到新的考验。本文通过分析寒地环境下影响LED照明的一些关键因素,找出对应的解决策略,最终发挥出LED光源的应有优势。

  一、寒地环境下LED照明的优势

  相对原有的白炽灯、荧光灯和高强度气体放电灯而言,LED器件在低温下的工作性能要好的多,甚至可以说,光学性能比常温下更加卓越。这是和LED器件的温度特性密切相关的,图1是某品牌大功率LED器件温度和相对光输出曲线图。可以看出,随着结温的降低,灯具的光通量会相对增大。根据灯具的散热规律,结温和环境温度密切相关,环境温度越低,结温必然越低。另外,根据图2我们可以看出,结温的降低,还可以降低LED光源的光衰过程,延迟灯具的使用寿命,这也是大部分电子元器件的特性。

  


  图1 LED的结温-相对光输出曲线

  


  图2 LED的结温-寿命曲线

  二、寒地环境下LED照明面临的困难和对策

  虽然LED本身在寒地条件下有更多的优势,但不可忽略的是,LED灯具除了光源,息息相关的还有驱动电源、灯体材料以及在寒地环境下的雾天、强紫外等综合天气因素,都给这种新型光源应用带来新的挑战和麻烦。只有弄清这些制约因素,找到对应的解决方案,就能充分发挥LED光源的优势,在寒地环境中大放异彩。

  1.驱动电源的低温启动问题

  做电源开发的人都知道,电源的低温启动是个难题。主要的原因是现有的大部分成熟电源方案,都离不开电解电容的广泛应用(如图3)。但是在-25℃以下低温环境中,电解电容的电解质活性明显下降,电容容量衰减很大〔1〕(如图4),导致电路不能正常工作。要解决这个问题,目前有两种方案:一是采用工作温度范围更宽的优质电容,当然这会带来成本的增加。二是采用无电解电容的电路设计,包括采用陶瓷叠层电容,甚至采用线性驱动等其他驱动方案。

  


  图3 LED的驱动电源

  (a)钽电解电容 (b)铝电解电容

  


  图4 电解电容的温度容量变化曲线

  此外,在低温环境下,像MOS管等普通电子器件的耐压性能也会降低,给电路的整体可靠性造成不利影响,需要特别注意。

  2.塑胶材料在高低温冲击下的可靠性问题

  根据国内外一些研究机构的研究人员实验证实:很多普通塑料和橡胶材料在-15℃以下的低温下韧性变差,脆性增大〔2,3〕(如下图5所示)。对LED户外产品而言,透光罩、光学透镜、密封件以及部分结构件都有可能采用塑胶材料,那么就需要对这些材料的低温机械性能进行仔细考虑,尤其是承力部件,避免灯具在低温环境下受到大风、意外碰撞后破裂而导致意外事故的发生。

  


  


  图5 塑料材料在低温下强度变差

  另外,LED灯具常采用塑胶件和金属的配合结构(如图6)。由于塑料材质和金属材料在大温差环境下的膨胀系数差异较大(如表1所示),例如灯具常用的金属铝和常用塑料材料的膨胀系数大概相差5倍以上,这可能会导致塑料材料破裂,或者两者的间隙增大,最终致使防水密封结构失效,进而产品出现问题。

  


  图6 LED灯具中金属和塑胶材料组合

  表1 不同材料的线膨胀系数(1/℃)

  


  材料温度范围

  20~100(℃)

  20~200(℃)

  20~300(℃)

  黄铜 17.8×10-6 18.8×10-6 20.9×10-6

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

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

  铝 23.03×10-6

  有机玻璃 130×10-6

  尼龙1010 105×10-6

  在诸如东北这些高寒地区,从每年的10月份到次年的4月份,都可能处于冰雪季节。LED灯具在下午临近傍晚开灯前,温度可能低于-20℃以下,然后晚上通电工作后,由于灯具发热,又可能使得灯体温度上升到30℃~40℃以上,基本上每天灯具都要经历一次高低温的循环冲击。在这种环境下,如果处理不好灯具的结构设计以及不同材料的匹配问题,很容易导致我们上述所说的材料开裂和防水失效问题。

  针对这种情况,国家半导体照明工程研发及产业联盟从2010年开始,连续推出两版的《寒地LED道路照明产品技术规范》LB/T005,其中的关于高低温冲击的实验方法,考虑了这种特殊环境下的工作方式,笔者认为非常值得借鉴和采纳。试验样品应经历图7所示的2个温度变化循环试验,每个循环历时5h。即:

  试验循环:5次;

  每个循环时间:5h;

  温度曲线:按图1规定;

  温度升降变化速率:0.5℃∕min~4.0℃∕min;

  循环开始温度:20℃;

  低温:-40℃,保持时间1h;

  高温: 40℃,保持时间1h;

  通电方式:在图1“A”点处开始通电至“B”点处。

  


  图7 寒地照明LED产品的高低温冲击实验曲线

  3.LED的光色问题

  进入秋冬季节后,北方的大雾天气也会逐步多起来。当然,大雾不是高寒地区的特产,全世界到处都有,但是在这些高寒地区,光的颜色除了会涉及雾的穿透问题之外,还有感觉舒适性和环境和谐的问题。

  关于LED灯的雾穿透力的问题,业界一直讨论比较多,那么不同波长的光对雾的穿透力是否有差异,钠灯的黄光和LED的白光对雾的穿透性究竟有多少不同呢?

  观点一:在一定雾浓度下,不同波长的光,由于衍射能力不同,具有不同的雾穿透能力。这个观点也被国内外一些研究结构的相关实验证实:单色光中,黄光的雾穿透能力最强,其次是红光、绿光和蓝光〔4〕。

  表2和图8分别是不同颜色的单色光的相对穿透能力的比对,其中横坐标表示是雾的浓度。我们可以看出:同一种单色光情况下,随着雾的浓度增大,透过性越来越差。在同一种雾的浓度下,黄光的透光性最强,其次是红光、绿光和蓝光,但是数量级都是一样的,相差不多。

  表2 不同LED单色光的相对雾穿透能力

  


  


  图8 不同颜色的LED光透过率曲线

  同时,还有一种观点认为:不同可见光透雾能力是差不多的,理由是:不同光子的尺寸大小相比而言是绿豆和黄豆的关系,而相比雾粒子的尺寸,则相当于是个足球(如图9所示)。当雾的浓度很大的时候,任何的光都很难穿过去。这个时候表现出来钠灯的黄光比LED的白光雾穿透能力更强,其主要原因是在LED白光照射下,雾呈现白茫茫一片,而黄光则表现出很好的诱导性〔5〕。笔者认为这个观点还是有一定道理的,我们可以通过图10的两张照片看出这种差异,左边是LED的冷白光,右边是钠灯的黄光。

  


  图9 光子和雾粒子的尺寸对比示意图

  


  图10 冷白光和黄光的诱导性对比照片

  综合上述两种观点,我们再来对比一下钠灯、高色温LED和低色温LED的光谱分布曲线,图11、图12和图13是本人通过远方的PM-80光谱分析系统实际测量得到的上述灯具的光谱图。其中图11是6500K高色温LED光谱,图12是2700K低色温LED光谱,图13则是高压钠灯的光谱。

  很明显,相对而言,高色温LED的蓝色成分比例较大,黄光和红光的比例比例相对较少。高压钠灯和2700K的低色温的LED中,蓝光成分相对较少,黄光和红光的成分则相对较大。而且钠灯和2700K的LED相比,并没有多少优势,如果考虑到LED显色指数的影响,则低色温的LED有更多的优势。因此,寒地照明中,应该更多的考虑采用3000K以下的低色温LED,具有更好的透雾能力和诱导性。

  


  图11 6500K高色温LED的光谱图

  


  图12 2700K高色温LED的光谱图

  


  图13 高压钠灯的光谱图

  当然,在北方,除了雾的原因之外,大多季节的晚上都比较冷。冷白色得光更加会让城市显得冷清和凄凉,而暖色光会给人一种温暖、愉悦的感受,从这个角度,也应该采用更加暖色调的灯光,让城市夜色显得更加的和谐美丽。

  4.紫外老化问题

  记得在前两年上海的一次行业论坛上,有业内专家提到了一个现象。当时他们开展了一次批量的户外LED灯具实地性能测试,半年后在评估光衰指标时发现一个奇怪的现象:在同时段户外老化实验的LED灯具,光源电源的配置也是差不多的,但是24小时工作的LED隧道灯的光衰却比10个多小时工作的路灯还要小的多,他们觉得非常奇怪,经过多次分析研究,最后认为主要还是白天的紫外线对灯具相关部件的老化造成的。这个结论当时也得到了台湾一个专家的现场支持,他说他们也研究过,白天户外的紫外线对荧光粉、透镜等部件的加速老化是不可小视的。需要在透镜、灯罩等部分做抗紫外线的处理,比如镀抗紫外膜,或者在这些部件成型时加入抗紫外的组分。

  三、结语

  我们通过对寒地环境下多个因素的分析可以看出,LED作为一种半导体照明器件,有它自身的很多优势,但也存在有别于传统照明光源的一些问题,只有仔细的研究这些差异性,逐个认真分析解决,才能真正发挥出LED照明在寒地条件下的优势。——本文选自第2期《半导体照明》杂志)

  参考文献

  李享,李岱霖,叶雪荣,翟国富•LED开关电源中铝电解电容性能退化模型的研究〔J〕• 电源学报,2012(06)


  王金辉,张立志,于凯•工程塑料低温性能的研究[J]•塑料工业,1991(04)


  阮裕尧•低温对工程塑料橡胶及典型结构件的影响研究[J]•环境技术,2009(03)


  张倩,王兆均,姚其,林燕丹•可见光光谱透雾性研究[C]•中国照明论坛-绿色照明与照明节能科技研讨会专题报告文集,2008


  乔乾, 许敏•LED在道路照明中穿透性及光色分析研究[J]•照明工程学报2009(8)


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