過(guò)10年左右的快速發(fā)展，LED照明已經(jīng)進(jìn)入快速推廣階段，市場(chǎng)應(yīng)用從最初的南方地區(qū)逐步向中西部滲透擴(kuò)展。但在實(shí)際應(yīng)用中我們發(fā)現(xiàn)，在南方用的很好的戶外照明產(chǎn)品，到了北方地區(qū)，尤其是東北、新疆等地區(qū)，產(chǎn)品的應(yīng)用受到新的考驗(yàn)。本文通過(guò)分析寒地環(huán)境下影響LED照明的一些關(guān)鍵因素，找出對(duì)應(yīng)的解決策略，最終發(fā)揮出LED光源的應(yīng)有優(yōu)勢(shì)。

作者：羅文正 焦彩玲 四川新力光源股份有限公司

 

 

相對(duì)原有的白熾燈、熒光燈和高強(qiáng)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(shuō)，光學(xué)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(guān)的，圖1是某品牌大功率LED器件溫度和相對(duì)光輸出曲線圖?？梢钥闯觯S著結(jié)溫的降低，燈具的光通量會(huì)相對(duì)增大。根據(jù)燈具的散熱規(guī)律，結(jié)溫和環(huán)境溫度密切相關(guān)，環(huán)境溫度越低，結(jié)溫必然越低。另外，根據(jù)圖2我們可以看出，結(jié)溫的降低，還可以降低LED光源的光衰過(guò)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(jié)溫－相對(duì)光輸出曲線

 

 

圖2 LED的結(jié)溫－壽命曲線

 

 

雖然LED本身在寒地條件下有更多的優(yōu)勢(shì)，但不可忽略的是，LED燈具除了光源，息息相關(guān)的還有驅(qū)動(dòng)電源、燈體材料以及在寒地環(huán)境下的霧天、強(qiáng)紫外等綜合天氣因素，都給這種新型光源應(yīng)用帶來(lái)新的挑戰(zhàn)和麻煩。只有弄清這些制約因素，找到對(duì)應(yīng)的解決方案，就能充分發(fā)揮LED光源的優(yōu)勢(shì)，在寒地環(huán)境中大放異彩。

 

 

做電源開(kāi)發(fā)的人都知道，電源的低溫啟動(dòng)是個(gè)難題。主要的原因是現(xiàn)有的大部分成熟電源方案，都離不開(kāi)電解電容的廣泛應(yīng)用（如圖3）。但是在－25℃以下低溫環(huán)境中，電解電容的電解質(zhì)活性明顯下降，電容容量衰減很大〔1〕（如圖4），導(dǎo)致電路不能正常工作。要解決這個(gè)問(wèn)題，目前有兩種方案：一是采用工作溫度范圍更寬的優(yōu)質(zhì)電容，當(dāng)然這會(huì)帶來(lái)成本的增加。二是采用無(wú)電解電容的電路設(shè)計(jì)，包括采用陶瓷疊層電容，甚至采用線性驅(qū)動(dòng)等其他驅(qū)動(dòng)方案。

 

 

圖3 LED的驅(qū)動(dòng)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(huán)境下，像MOS管等普通電子器件的耐壓性能也會(huì)降低，給電路的整體可靠性造成不利影響，需要特別注意。

 

 

根據(jù)國(guó)內(nèi)外一些研究機(jī)構(gòu)的研究人員實(shí)驗(yàn)證實(shí)：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(duì)LED戶外產(chǎn)品而言，透光罩、光學(xué)透鏡、密封件以及部分結(jié)構(gòu)件都有可能采用塑膠材料，那么就需要對(duì)這些材料的低溫機(jī)械性能進(jìn)行仔細(xì)考慮，尤其是承力部件，避免燈具在低溫環(huán)境下受到大風(fēng)、意外碰撞后破裂而導(dǎo)致意外事故的發(fā)生。

 

 

圖5 塑料材料在低溫下強(qiáng)度變差

 

另外，LED燈具常采用塑膠件和金屬的配合結(jié)構(gòu)（如圖6）。由于塑料材質(zhì)和金屬材料在大溫差環(huán)境下的膨脹系數(shù)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(shù)大概相差5倍以上，這可能會(huì)導(dǎo)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(jié)構(gòu)失效，進(jìn)而產(chǎn)品出現(xiàn)問(wèn)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(shù)（1／℃）

 

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(jī)玻璃 130×10－6

 

尼龍1010 105×10－6

 

在諸如東北這些高寒地區(qū)，從每年的10月份到次年的4月份，都可能處于冰雪季節(jié)。LED燈具在下午臨近傍晚開(kāi)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(fā)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(jīng)歷一次高低溫的循環(huán)沖擊。在這種環(huán)境下，如果處理不好燈具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及不同材料的匹配問(wèn)題，很容易導(dǎo)致我們上述所說(shuō)的材料開(kāi)裂和防水失效問(wèn)題。

 

針對(duì)這種情況，國(guó)家半導(dǎo)體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟從2010年開(kāi)始，連續(xù)推出兩版的《寒地LED道路照明產(chǎn)品技術(shù)規(guī)范》LB／T005，其中的關(guān)于高低溫沖擊的實(shí)驗(yàn)方法，考慮了這種特殊環(huán)境下的工作方式，筆者認(rèn)為非常值得借鑒和采納。試驗(yàn)樣品應(yīng)經(jīng)歷圖7所示的2個(gè)溫度變化循環(huán)試驗(yàn)，每個(gè)循環(huán)歷時(shí)5h。即：

 

試驗(yàn)循環(huán)：5次；

 

每個(gè)循環(huán)時(shí)間：5h；

 

溫度曲線：按圖1規(guī)定；

 

溫度升降變化速率：0．5℃∕min～4．0℃∕min；

 

循環(huán)開(kāi)始溫度：20℃；

 

低溫：－40℃，保持時(shí)間1h；

 

高溫： 40℃，保持時(shí)間1h；

 

通電方式：在圖1“A”點(diǎn)處開(kāi)始通電至“B”點(diǎn)處。

圖7 寒地照明LED產(chǎn)品的高低溫沖擊實(shí)驗(yàn)曲線

 

 

進(jìn)入秋冬季節(jié)后，北方的大霧天氣也會(huì)逐步多起來(lái)。當(dāng)然，大霧不是高寒地區(qū)的特產(chǎn)，全世界到處都有，但是在這些高寒地區(qū)，光的顏色除了會(huì)涉及霧的穿透問(wèn)題之外，還有感覺(jué)舒適性和環(huán)境和諧的問(wèn)題。

 

關(guān)于LED燈的霧穿透力的問(wèn)題，業(yè)界一直討論比較多，那么不同波長(zhǎng)的光對(duì)霧的穿透力是否有差異，鈉燈的黃光和LED的白光對(duì)霧的穿透性究竟有多少不同呢？

 

觀點(diǎn)一：在一定霧濃度下，不同波長(zhǎng)的光，由于衍射能力不同，具有不同的霧穿透能力。這個(gè)觀點(diǎn)也被國(guó)內(nèi)外一些研究結(jié)構(gòu)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)證實(shí)：?jiǎn)紊庵?，黃光的霧穿透能力最強(qiáng)，其次是紅光、綠光和藍(lán)光〔4〕。

 

表2和圖8分別是不同顏色的單色光的相對(duì)穿透能力的比對(duì)，其中橫坐標(biāo)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(guò)性越來(lái)越差。在同一種霧的濃度下，黃光的透光性最強(qiáng)，其次是紅光、綠光和藍(lán)光，但是數(shù)量級(jí)都是一樣的，相差不多。

 

表2 不同LED單色光的相對(duì)霧穿透能力

 

 

 

 

圖8 不同顏色的LED光透過(guò)率曲線

 

同時(shí)，還有一種觀點(diǎn)認(rèn)為：不同可見(jiàn)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(guān)系，而相比霧粒子的尺寸，則相當(dāng)于是個(gè)足球（如圖9所示）。當(dāng)霧的濃度很大的時(shí)候，任何的光都很難穿過(guò)去。這個(gè)時(shí)候表現(xiàn)出來(lái)鈉燈的黃光比LED的白光霧穿透能力更強(qiáng)，其主要原因是在LED白光照射下，霧呈現(xiàn)白茫茫一片，而黃光則表現(xiàn)出很好的誘導(dǎo)性〔5〕。筆者認(rèn)為這個(gè)觀點(diǎn)還是有一定道理的，我們可以通過(guò)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(duì)比示意圖

 

 

 

圖10 冷白光和黃光的誘導(dǎo)性對(duì)比照片

 

綜合上述兩種觀點(diǎn)，我們?cè)賮?lái)對(duì)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(guò)遠(yuǎn)方的PM－80光譜分析系統(tǒng)實(shí)際測(cè)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(duì)而言，高色溫LED的藍(lán)色成分比例較大，黃光和紅光的比例比例相對(duì)較少。高壓鈉燈和2700K的低色溫的LED中，藍(lán)光成分相對(duì)較少，黃光和紅光的成分則相對(duì)較大。而且鈉燈和2700K的LED相比，并沒(méi)有多少優(yōu)勢(shì)，如果考慮到LED顯色指數(shù)的影響，則低色溫的LED有更多的優(yōu)勢(shì)。因此，寒地照明中，應(yīng)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(dǎo)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(dāng)然，在北方，除了霧的原因之外，大多季節(jié)的晚上都比較冷。冷白色得光更加會(huì)讓城市顯得冷清和凄涼，而暖色光會(huì)給人一種溫暖、愉悅的感受，從這個(gè)角度，也應(yīng)該采用更加暖色調(diào)的燈光，讓城市夜色顯得更加的和諧美麗。

 

 

記得在前兩年上海的一次行業(yè)論壇上，有業(yè)內(nèi)專家提到了一個(gè)現(xiàn)象。當(dāng)時(shí)他們開(kāi)展了一次批量的戶外LED燈具實(shí)地性能測(cè)試，半年后在評(píng)估光衰指標(biāo)時(shí)發(fā)現(xiàn)一個(gè)奇怪的現(xiàn)象：在同時(shí)段戶外老化實(shí)驗(yàn)的LED燈具，光源電源的配置也是差不多的，但是24小時(shí)工作的LED隧道燈的光衰卻比10個(gè)多小時(shí)工作的路燈還要小的多，他們覺(jué)得非常奇怪，經(jīng)過(guò)多次分析研究，最后認(rèn)為主要還是白天的紫外線對(duì)燈具相關(guān)部件的老化造成的。這個(gè)結(jié)論當(dāng)時(shí)也得到了臺(tái)灣一個(gè)專家的現(xiàn)場(chǎng)支持，他說(shuō)他們也研究過(guò)，白天戶外的紫外線對(duì)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(shí)加入抗紫外的組分。

 

 

我們通過(guò)對(duì)寒地環(huán)境下多個(gè)因素的分析可以看出，LED作為一種半導(dǎo)體照明器件，有它自身的很多優(yōu)勢(shì)，但也存在有別于傳統(tǒng)照明光源的一些問(wèn)題，只有仔細(xì)的研究這些差異性，逐個(gè)認(rèn)真分析解決，才能真正發(fā)揮出LED照明在寒地條件下的優(yōu)勢(shì)。——本文選自第2期《半導(dǎo)體照明》雜志）