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元朝云从龙:LED路燈主要問題解決方案

作者 : EPILEDS 光宏    文章來源 : 南昌云从龙 www.uzruj.club    時間:2017-10-14

南昌云从龙 www.uzruj.club

一、LED路燈主要存在的問題,經過近幾年來LED路燈在城市道路照明中的實際運行情況來看,大部分的產品均存在不同程度的問題。主要具體表現在:

1、由于對LED光源工作條件的要求不甚了解造成光衰減嚴重甚至于死燈。

2、對道路照明要求感悟不足,科學性點光源光學配光難點及對色溫在道路照明中的重要性忽略,易造成眩光,斑馬效應和在空氣污染嚴重,下雨有霧天氣的環境中,造成燈亮地面不夠亮的現象。

3、對保證LED工作條件和對電源技術性的認知程度不足,造成產品在電源上的故障層出不窮。

4、對當今LED路燈對功能性道路照明的應用概念不清,盲目的與大功率氣體放電燈“媲美”不計成本的制作超大功率LED路燈,造成不切合實際的價格昂貴的路燈產品難以推廣。 ?

5、對道路照明要求模糊,實際使用維護欠考慮,造成了直接使用業主的抵制。 ?

6、對LED光源的工作環境這個問題需具備了解LED的基本常識:發光二極管其核心是PN結。因此它具有一般P-N結的I-N特性,即正向導通,反向截止、擊穿特性。此外,在一定條件下,它還具有發光特性。在正向電壓下,電子由N區注入P區,空穴由P區注入N區。進入對方區域的少數載流子(少子)一部分與多數載流子(多子)復合而發光,其現今大功率LED發光效率約為30%,70%將是熱能,需要將其散熱處理。大功率白光LED的結溫TJ在亮度衰減70%時與壽命的關系可看出:TJ=50℃時,壽命為90000小時,TJ=80℃時,壽命降到34000小時,TJ=115℃時,其壽命只有13300小時了。TJ在散熱設計中要提出最大允許結溫值TJmax,實際的結溫值TJ應小于或等于要求的TJmax,即TJ≤TJmax。

二、如何解決LED路燈的散熱問題,提高其使用壽命 ?

經測試發光二極管可正常工作的環境溫度其結溫溫度應<85℃。高于此溫度范圍效率將大大降低,甚至于燒毀??梢鑰闖鑫露榷云渲苯佑跋斕鬧匾?。特別值得一提的是,對散熱材料的熱平衡速度要求重視度,造成光源的熱得不到有效的處理而引起光衰減嚴重。現在許多生產廠家大功率LED的散熱殼體應用基本采用不同的合金鋁材料,其導熱系數不一,一些材料的散熱速率難以滿足LED工作條件。不可忽略的鋁基板及導熱硅膠,硅脂材料的導熱環節,使用材料的實際壽命質量,將直接影響LED的工作散熱條件。如何減少中間環節,直接與熱沉散熱近距離接觸將熱量快速達到平衡的有效散熱,是現今高質量的LED燈具產品開發需考慮的方向。先從材料分析:

金屬的熱傳導系數:銀 429、銅 401、金 317、鋁 237、鐵 80、錫 67、鉛 34.8 ?

銀熱傳導系數比較好,但缺點就是價格太高,純銅散熱效果則次之,但已經算是非常優秀的了。不過銅也有缺點:造價高、重量重、不耐腐蝕等。所以現在大多數散熱片都是采用輕盈堅固的鋁材料制作的,其中鋁合金的熱傳導能力最好,好的風冷散熱器一般采用鋁合金制作。至于銅,目前市場上也出現了純銅的散熱器,銅的導熱性能比起鋁要快的多,但銅的散熱沒有鋁快,銅可以快速的把熱量帶走,但無法在短時間內把本身的熱量散去,另外銅的可氧化性是銅本身最大的弊病。當銅一旦出現氧化狀態,導熱和散熱方面都會大大的下降。 ?

從對比上看,最好的散熱材料也并不是鋁材。銅和鋁的對比中形成了一種新型的工藝——銅鋁結合。所謂的銅鋁結合就是把銅和鋁用一定的工藝完美的結合到一塊,讓銅快速的把熱量傳給鋁,再由大面積的鋁把熱量散去,這不但增充了鋁的導熱不及銅,還彌補了銅的散熱不如鋁,有機的結合從而達到急速傳熱快速散熱的效果。 ?

多篇文章中都闡述了散熱是靠面積而不是看體積的大小,許多企業都了解了個中道理,殼體采用多層翅片散熱,但對熱沉散熱殼體的翅片忽略了防塵和積塵,日積月累將會影響殼體的散熱效果。應從在自然條件下規避積塵的最小化,不同方向的風和雨的自然沖刷可易性和清除灰塵的粘敷性。保證熱沉殼體的散熱效果不受惡劣環境的影響和散熱通道的暢通,做到真正的長壽命。 ?

大家共同來探討一個設計方式:散熱是靠面積的道理顯而易見,是否可以將散熱面做成柱狀或多面形錐體。 ?在增加散熱面保證散熱效果的基礎上,解決了不同方向的風和雨的自然沖刷可易性和清除灰塵的粘敷性的問題,保證了熱沉殼體的散熱效果不受惡劣環境的影響。 ?

以現在的金屬加工技術來看,機械加工是不可能做出理想化的絕對的平整表面,即便是鏡面,也有很多細小的坑凹,只是肉眼不太容易發現,除了表面上存在坑凹外,還會有很多細小雜質,如灰塵什么的。當散熱器表面和芯片表面接觸時,存在的很多溝壑或空隙中都是空氣??掌牡既饒芰懿?,因此必須用其它物質來降低熱阻,否則散熱器的性能會大打折扣,甚至無法發揮作用。 ?作為解決辦法,導熱介質就應運而生了,它的作用就是填充兩個接觸表面之間大大小小的空隙,增大發熱源與散熱片的接觸面積。導熱硅脂是我們最常見的導熱介質。導熱硅脂是用來填充鋁基板與散熱片之間的空隙的材料的一種,這種材料又稱之為熱界面材料。其作用是用來向散熱片傳導鋁基板散發出來的熱量,使鋁基板溫度保持在一個可以穩定工作的水平,防止鋁基板因為散熱不良而損毀,并延長使用壽命。 ?

作為一種化學物質,導熱硅脂有著一些反映自身特性的相關性能參數。了解這些參數的含義,大致上可以判斷一款導熱硅脂產品的性能高低。 ?導熱系數(Thermal Conductivity):導熱系數的單位為W/(m·K),表示截面積為1平方米的柱體沿軸向1米距離的溫差為1開爾文(K=℃+273.15)時的熱傳導功率。數值越大,表明該材料的熱傳遞速度越快,導熱性能越好。 ?目前主流導熱硅脂的導熱系數均大于1W/(m·K),優秀的可達到6W/(m·K)以上,是空氣的200倍以上。但是和銅鋁這些金屬材料相比,導熱硅脂的導熱系數只有它們的1/100左右,換而言之,在整個散熱系統中,硅脂層其實是散熱瓶頸之所在。對于一個散熱系統而言,不僅是散熱器的事,導熱介質也是很重要的組成部分: ?散熱系統的總熱阻 = 散熱器熱阻 + 導熱介質熱阻 ?導熱硅脂作為我們最常用的導熱介質,其重要性不言而喻了,要降低其熱阻,一方面取決于產品本身的性能, 另一方面取決于對產品的使用。因此我們要盡量選用那些導熱性能好熱阻低的導熱硅脂,并在使用上多加注意,在保證硅脂完全填充熱源和散熱器表面空隙前提下,涂抹方式硅脂層盡可能地薄。 ?值得大家注意的是普通導熱硅脂在高溫環境中使用一段時間后會出現“干化”或“硬化”現象,將會大大影響散熱效果。因此在鋁基板與熱沉之間的導熱環節需重視。有關人士正研究在熱沉材料上進行特殊的陶瓷化處理直接安裝線路,經過這樣的優化后將會根本解決散熱的導熱環節。

三、設計符合道路照明實際應用的LED路燈造型結構 ?

從國內現有參與制作LED路燈的企業廠家來看,大部分是沒有制作過路燈,對路燈制作的技術具體要求較模糊,互相參照模仿,以常規傳統“蛇頭”形狀制作具多。當今LED路燈矩形狀的重量與風阻影響著路燈的改造安裝,在光學配光和維護要求上與其常規氣體放電燈燈具相比難度較大,特別是直接的使用方業主反應強烈,給應用推廣帶來了困難。 ?

我從國家電光源檢測中心得到的相關信息,在諸多廠家送檢產品中就在IP防護這一項目上,絕大多數存在問題,而且意識不到問題的所在,認為我們的產品在水里都浸泡過也沒有問題,怎么到檢測中心就出問題?相信也有些產品在使用一段時間暴露出光源腔體存有水氣。我看到許多廠家在檢測中心排隊送檢的產品,感到心痛,很多彎路是可以避免的。在燈體密封結構上,在密封圈的材料選用上,飛利浦的燈具在這方面就做了專門的研究。 ?

在路燈造型結構設計上,不要跟著傳統路燈的模樣走。路燈的功能是要達到道路照明的要求,可以發揮LED光源的任意組合強項,可制作成“變形金剛”的特點,能真正做到“白天觀景,夜晚觀燈”的城市景觀效果。道路照明要求的是;一定的照度和路面均勻度與平均照度,常規照明燈具反射器的缺憾在路面平均照度上難以達到標準要求。在燈具出光效率的有效利用上,傳統路燈的效率標準應≥70%為合格,但實際上有一部分溢散光不能準確地控制在照射面上并且無法利用,造成光污染,有效利用率約50%,而LED路燈的光學配光可以準確控制光線方向,有效利用率達60%以上。 ?

從當今大功率LED路燈點光源及光效的特點來看,要滿足道路照明的要求,必須要把有效的光強利用到有效的照明范圍,道路照明的燈桿間距基本在30—40m,要保證道路的平均照度要求,其點光源LED燈具配光要使得路面沒有斑馬效應,需進行相應的二次光學系統配套設計。高質量的大功率LED路燈用??榛涮椎畝喂庋低晨梢雜行Э刂坡返普彰韉鈉驕斬?,10米高時為34米×12米近似矩形光斑,光斑形狀與均勻度均能滿足道路照明要求。 ? ? 從以上兩點可以看出,只要LED路燈二次光學設計合理,投向目標照射面的有效光通量和傳統路燈基本接近。 ?

目前LED路燈的配光技術已經有了很大的發展,有些廠家已經開發出良好的二次配光系統,而不再是單純依靠光源排列來配光,但綜合看,配光還不能做到完全合理,有些在道路內側的配光較亮,均勻度也能滿足要求,但人行道側環境光的亮度明顯不足,SR值明顯不符合要求,還是廠家設計人員對道路照明標準的要求理解不夠。

LED路燈的色溫問題,目前大功率LED路燈基本上是采用5000K 左右所在色溫的白光。作為道路照明光源,視覺感過分陰冷,同時遠視時觀察能力會下降,在這方面路燈使用單位最有發言權,3000K左右的黃光或暖白光是比較適合道路照明的,因此日光色的LED路燈不適合做路燈使用。

四、盡快制定符合功能性道路照明的LED路燈產品標準

當今LED路燈在產品規格方面缺少統一的技術標準,目前還沒有統一的LED路燈生產技術標準,每個廠家按自己的標準生產自己的產品,彼此間是很難通用的,另外LED路燈生產廠家的燈具自成體系,光源電器組裝和燈具捆綁在一起,各自不同的工作特性難以維護,維護時必須使用原廠產品。而高壓鈉燈由于技術標準的統一,燈具、光源、電器方面通用互換性較強,不同廠家之間的產品可以互用,從維護角度考慮,這是非常重要,而維護對于路燈管理單位來說 則又是重中之重,只有這樣才可以及時對故障路燈進行維護,保證良好的亮燈率(上級部門對路燈管理考核中最重要的一項內容),同時大大降低維護成本??梢運翟贚ED路燈目前的發展狀況下,一旦出現故障時,只能整個燈具進行更換,除了高額成本外,而維護的時間也要大大延長,這對使用單位來說是非常不利的。對燈具的維護 ,常規照明燈具要簡易的多,可在現場直接更換光源電器,成本也較低。而當今許多生產廠家的LED路燈,可能廠家認為是免維護的,所以現場的維護就無法進行了,維修方面真正的負?;故墻桓松Ъ?。殊不知,造成產品難以推廣的瓶頸還是來之于直接使用單位。 ?

針對當今LED路燈應用推廣其中的兩大難題:1. 維護困難;2. 大功率LED電源的瓶頸。 ?

根據這兩大難點我個人建議:從安全、維護方便更換,規避大功率電源的質量風險,??榛楹鮮繳杓埔歡ㄊ欠⒄溝姆較?。做成標準??榛?,諸如30w,40w,50w連同適合本功率電源一體化。不但解決了大功率電源的風險,而且遇到故障換用方便。單組??橛摯梢砸豢畹貧嚶猛?,可改裝為LED隧道燈、LED頂棚燈、LED洗墻燈、LED投光燈、LED隧道燈等,一套方案多款燈具。

散熱材料、導熱環節和科學化的造型結構設計,在現今大功率LED路燈的制作中,值得大家去感悟。從LED路燈市場的置疑甚至排斥,走到了現在的嘗試與接納,我們看到了前景的曙光,但我們還需要一段路要走。隨著大功率LED光效的不斷提高和硅基LED日新月異的發展,將根本解決半導體照明光源高價格的瓶頸,讓我們共同攜起手來摸索與探討,相信在大家的努力下,用第四代光源做出更好的LED路燈照明燈具,更好地取代高壓鈉燈,從而達到節能環保的目的。

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