過10年左右的快速發展，LED照明已經進入快速推廣階段，市場應用從最初的南方地區逐步向中西部滲透擴展。但在實際應用中我們發現，在南方用的很好的戶外照明產品，到了北方地區，尤其是東北、新疆等地區，產品的應用受到新的考驗。本文通過分析寒地環境下影響LED照明的一些關鍵因素，找出對應的解決策略，最終發揮出LED光源的應有優勢。

作者：羅文正 焦彩玲 四川新力光源股份有限公司

 

 

相對原有的白熾燈、熒光燈和高強度氣體放電燈而言，LED器件在低溫下的工作性能要好的多，甚至可以說，光學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的，圖1是某品牌大功率LED器件溫度和相對光輸出曲線圖。可以看出，隨著結溫的降低，燈具的光通量會相對增大。根據燈具的散熱規律，結溫和環境溫度密切相關，環境溫度越低，結溫必然越低。另外，根據圖2我們可以看出，結溫的降低，還可以降低LED光源的光衰過程，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的結溫－相對光輸出曲線

 

 

圖2 LED的結溫－壽命曲線

 

 

雖然LED本身在寒地條件下有更多的優勢，但不可忽略的是，LED燈具除了光源，息息相關的還有驅動電源、燈體材料以及在寒地環境下的霧天、強紫外等綜合天氣因素，都給這種新型光源應用帶來新的挑戰和麻煩。只有弄清這些制約因素，找到對應的解決方案，就能充分發揮LED光源的優勢，在寒地環境中大放異彩。

 

 

做電源開發的人都知道，電源的低溫啟動是個難題。主要的原因是現有的大部分成熟電源方案，都離不開電解電容的廣泛應用（如圖3）。但是在－25℃以下低溫環境中，電解電容的電解質活性明顯下降，電容容量衰減很大〔1〕（如圖4），導致電路不能正常工作。要解決這個問題，目前有兩種方案：一是采用工作溫度范圍更寬的優質電容，當然這會帶來成本的增加。二是采用無電解電容的電路設計，包括采用陶瓷疊層電容，甚至采用線性驅動等其他驅動方案。

 

 

圖3 LED的驅動電源

 

（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，在低溫環境下，像MOS管等普通電子器件的耐壓性能也會降低，給電路的整體可靠性造成不利影響，需要特別注意。

 

 

根據國內外一些研究機構的研究人員實驗證實：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LED戶外產品而言，透光罩、光學透鏡、密封件以及部分結構件都有可能采用塑膠材料，那么就需要對這些材料的低溫機械性能進行仔細考慮，尤其是承力部件，避免燈具在低溫環境下受到大風、意外碰撞后破裂而導致意外事故的發生。

 

 

圖5 塑料材料在低溫下強度變差

 

另外，LED燈具常采用塑膠件和金屬的配合結構（如圖6）。由于塑料材質和金屬材料在大溫差環境下的膨脹系數差異較大（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大概相差5倍以上，這可能會導致塑料材料破裂，或者兩者的間隙增大，最終致使防水密封結構失效，進而產品出現問題。

 

 

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（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

 

有機玻璃 130×10－6

 

尼龍1010 105×10－6

 

在諸如東北這些高寒地區，從每年的10月份到次年的4月份，都可能處于冰雪季節。LED燈具在下午臨近傍晚開燈前，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歷一次高低溫的循環沖擊。在這種環境下，如果處理不好燈具的結構設計以及不同材料的匹配問題，很容易導致我們上述所說的材料開裂和防水失效問題。

 

針對這種情況，國家半導體照明工程研發及產業聯盟從2010年開始，連續推出兩版的《寒地LED道路照明產品技術規范》LB／T005，其中的關于高低溫沖擊的實驗方法，考慮了這種特殊環境下的工作方式，筆者認為非常值得借鑒和采納。試驗樣品應經歷圖7所示的2個溫度變化循環試驗，每個循環歷時5h。即：

 

試驗循環：5次；

 

每個循環時間：5h；

 

溫度曲線：按圖1規定；

 

溫度升降變化速率：0．5℃∕min～4．0℃∕min；

 

循環開始溫度：20℃；

 

低溫：－40℃，保持時間1h；

 

高溫： 40℃，保持時間1h；

 

通電方式：在圖1“A”點處開始通電至“B”點處。

圖7 寒地照明LED產品的高低溫沖擊實驗曲線

 

 

進入秋冬季節后，北方的大霧天氣也會逐步多起來。當然，大霧不是高寒地區的特產，全世界到處都有，但是在這些高寒地區，光的顏色除了會涉及霧的穿透問題之外，還有感覺舒適性和環境和諧的問題。

 

關于LED燈的霧穿透力的問題，業界一直討論比較多，那么不同波長的光對霧的穿透力是否有差異，鈉燈的黃光和LED的白光對霧的穿透性究竟有多少不同呢？

 

觀點一：在一定霧濃度下，不同波長的光，由于衍射能力不同，具有不同的霧穿透能力。這個觀點也被國內外一些研究結構的相關實驗證實：單色光中，黃光的霧穿透能力最強，其次是紅光、綠光和藍光〔4〕。

 

表2和圖8分別是不同顏色的單色光的相對穿透能力的比對，其中橫坐標表示是霧的濃度。我們可以看出：同一種單色光情況下，隨著霧的濃度增大，透過性越來越差。在同一種霧的濃度下，黃光的透光性最強，其次是紅光、綠光和藍光，但是數量級都是一樣的，相差不多。

 

表2 不同LED單色光的相對霧穿透能力

 

 

 

 

圖8 不同顏色的LED光透過率曲線

 

同時，還有一種觀點認為：不同可見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系，而相比霧粒子的尺寸，則相當于是個足球（如圖9所示）。當霧的濃度很大的時候，任何的光都很難穿過去。這個時候表現出來鈉燈的黃光比LED的白光霧穿透能力更強，其主要原因是在LED白光照射下，霧呈現白茫茫一片，而黃光則表現出很好的誘導性〔5〕。筆者認為這個觀點還是有一定道理的，我們可以通過圖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比示意圖

 

 

 

圖10 冷白光和黃光的誘導性對比照片

 

綜合上述兩種觀點，我們再來對比一下鈉燈、高色溫LED和低色溫LED的光譜分布曲線，圖11、圖12和圖13是本人通過遠方的PM－80光譜分析系統實際測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，相對而言，高色溫LED的藍色成分比例較大，黃光和紅光的比例比例相對較少。高壓鈉燈和2700K的低色溫的LED中，藍光成分相對較少，黃光和紅光的成分則相對較大。而且鈉燈和2700K的LED相比，并沒有多少優勢，如果考慮到LED顯色指數的影響，則低色溫的LED有更多的優勢。因此，寒地照明中，應該更多的考慮采用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

 

當然，在北方，除了霧的原因之外，大多季節的晚上都比較冷。冷白色得光更加會讓城市顯得冷清和凄涼，而暖色光會給人一種溫暖、愉悅的感受，從這個角度，也應該采用更加暖色調的燈光，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論壇上，有業內專家提到了一個現象。當時他們開展了一次批量的戶外LED燈具實地性能測試，半年后在評估光衰指標時發現一個奇怪的現象：在同時段戶外老化實驗的LED燈具，光源電源的配置也是差不多的，但是24小時工作的LED隧道燈的光衰卻比10個多小時工作的路燈還要小的多，他們覺得非常奇怪，經過多次分析研究，最后認為主要還是白天的紫外線對燈具相關部件的老化造成的。這個結論當時也得到了臺灣一個專家的現場支持，他說他們也研究過，白天戶外的紫外線對熒光粉、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加入抗紫外的組分。

 

 

我們通過對寒地環境下多個因素的分析可以看出，LED作為一種半導體照明器件，有它自身的很多優勢，但也存在有別于傳統照明光源的一些問題，只有仔細的研究這些差異性，逐個認真分析解決，才能真正發揮出LED照明在寒地條件下的優勢。——本文選自第2期《半導體照明》雜志）