寒地LED照明应用分析
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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，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
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。
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。
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。
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／℃）
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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