寒地LED照明应用分析

时间:2021-05-23作者:佚名

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

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。

寒地LED照明应用分析

图1 LED的结温-相对光输出曲线

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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。

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图3 LED的驱动电源

(a)钽电解电容 (b)铝电解电容

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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。

寒地LED照明应用分析

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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。

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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/℃)

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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;

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