寒地LED照明应用分析

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。

作者：罗文正 焦彩玲 四川新力光源股份有限公司

 

 

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

 

 

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。

 

 

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。

 

 

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／℃）

 

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

 

 

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。

 

 

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。

 

 

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）