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寒地LED照明分析

 
 
 
 

      經過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,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。

 

 

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,但是在-25℃以下低溫環境中,電解電容的電解質活性明顯下降,電容容量衰減很大,這會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。

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

 

 
 

 

  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,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。

另外,LED燈具常采用塑膠件和金屬的配合結構。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,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。

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,小編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。

 

 

 

 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,全世界到處都有,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:單色光中,黃光的霧穿透能力最強,其次是紅光、綠光和藍光。

     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。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。小編認為這個觀點還是有一定道理的。

 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。

 

 
 

 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。

 
 
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