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寒地LED照明分析

 
 
 
 

      经过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,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。

 

 

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,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,这会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。

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

 

 
 

 

  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,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。

另外,LED灯具常采用塑胶件和金属的配合结构。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,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。

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,小编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。

 

 

 

 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。

     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。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。小编认为这个观点还是有一定道理的。

 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。

 

 
 

 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。

 
 
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