LED道路照明装置在低温运行环境下的特殊技术要求精

1、 技术交流 LED 道路照明装置 在低温运行环境下的特殊技术要求 鞠晓晶,平立,侯庆娟,李爱莲 (哈尔滨市电子计算技术研究所,黑龙江哈尔滨150080 摘要:LED 路灯作为道路照明的发展趋势已经得到普遍认同,但产品研发过程中却忽略了在寒地应用环境下的特殊技术要求。文章讨论了冷热冲击的温度变化可能引起LED 器件的失效问题和LED 驱动装置低温运行的可靠性保障,并依据大量实验和应用数据,总结了LED 道路照明装置在低温运行环境推广应用的特殊技术要求和设计指导意见,并提供了详细的指导性规范准则。 关键词:LED 路灯;寒地;应用环境;冷热冲击;冰凌凝结;亲水性;疏水性中图分类号:TN312+.8

2、 文献标识码:B Special Technical Requirements for Operation of LED Street Lamp Device in Low Temperature Environment JU Xiao-jing,PING Li,HOU Qing-juan,LI Ai-lian (Harbin Electronic Computing Technology Institute,Harbin Heilongjiang 150080,ChinaAbstract:LED street lamp used for roadway lighting is commonl

3、y recognized,but the technical requirements of application in cold area are neglected in product research.This paper discusses the devices failure of LED caused by the temperature change due to hot and cold impact and the reliability guarantee of the cold operation of LED driving devices.Meanwhile,t

4、he special technical requirements for cold operation of LED roadway lighting devices were summarized and guides for LED design were also given.This study provides the detailed guidance standards for cold application of LED roadway lighting. Keywords:LED street lamp;cold area;application environment;

5、hot and cold impact;ice slush condensing;hydrophilicity;hydrophobicity 文章编号:1006-6268(201005-0055-02 技术交流引言 随着LED照明技术的快速发展,在国内的许多 城市,道路照明已经不乏LED路灯的身影。尤其是 大功率LED器件的光效超过100lm/W以后,LED 路灯作为道路照明的发展趋势已经得到普遍认同。 2009年,国内几个城市分别组织了LED道路照明 产品的评估测试工作,大多数LED路灯产品在配光 曲线、系统光效等关键技术指标方面进步显著,在道 路照明标准的符合性、节能效果等方面已经达到相

6、关标准和规范的要求。 尽管LED路灯技术水平的发展较快,但是大多 数LED路灯厂商在产品研发过程中忽略了在寒地 应用环境下的特殊技术要求。一个普遍的错误认识 是,LED在寒冷地区应用有利于散热,不容易发生故 障。殊不知,寒冷应用环境下,对LED路灯有着更为 严格的技术要求,主要有以下两个方面: (1寒冷地区气温较低,且温差大,骤变的冷热 冲击和长期低温工作对于器件有着更为严格的质量 要求。 (2在寒冷地区应用的LED路灯必须要考虑防 止冰凌凝结的预防措施。 鉴于上述原因,LED路灯在寒冷地区的推广应 用,需要解决以下几个方面的关键技术问题。 1冷热冲击的温度变化可能引起LED 器件的失效 由于

7、LED芯片封装后,属于固态的实心器件, 存在着芯片、硅胶(或树脂、金属支架以及引线之间 膨胀系数的失配现象,加上寒冷地区温差较大的冷 热冲击的影响,会使硅胶在温度变化的过程中膨胀 和收缩加剧,器件内部应力过大,这将导致LED引 线键合点位移增大,引线过早疲劳和损坏。同时也会 使原本键合状态较差的焊点出现脱焊的可能,而造 成焊球和芯片电极脱焊的现象,甚至使LED芯片出 现分层脱落的失效现象。 一盏LED路灯应用的LED器件多达上百颗, 通常采用以串联为主的混联组态方式,如果一颗 LED发生故障,将会引起多颗LED连带失效,因此 应用在寒冷地区的LED路灯首先要根据特定使用 环境下的灯具温度变化特

8、性,设置合理的超声功率、 键合压力、键合时间及键合温度等封装工艺参数,保 证每一颗LED器件在低温运行环境下的可靠性。 2LED驱动装置低温运行的可靠性 保障 另一项关键技术挑战在于LED路灯驱动装置 在低温运行环境下的可靠性问题。目前大多数LED 路灯驱动电源在寒地低温环境下表现出不同类型的 水土不服现象,较为突出的表征是低温无法正常启 动和长期低温运行环境下的失效率较高现象。上述 问题出现的主要原因在于,驱动电源在设计阶段的 器件选型没有考虑低温工作状态的可靠性,部分关 键元器件低温环境下的特性发生变化,造成驱动装 置无法低温启动或正常运行,引发故障的具体原因 主要有以下几方面: (1开关

9、管在低温条件下载流子的密度和活性 都会降低,过载保护的启动点也会因此降低。 (2电解电容电解液在低温下冻结,失去电容效 应(溶液中的离子此时只存在离子极化,无带载能力。 (3部分类型的光藕器件在低温状态下无法正 常工作。 (4输入端防止浪涌电流的热敏电阻,在低温 下阻值变大(是常温的35倍,也会造成低温无法 正常启动。 上述问题的解决途径主要是从选择温度特性更 好的器件入手。例如,不是所有的电解电容都无法在 低温下工作,一般来讲,200V以上的电解电容耐低温 特性较差,而160V以下的电解电容基本都能够在 -40环境正常工作,只要选用两个低压电解串连使 用就可以解决问题。器件选型的调整可能会略

10、微提高 驱动装置的成本,但是从LED路灯的整体成本来看 可以忽略不计,考虑到提高可靠性和降低维护成本的 因素,这种设计调整是非常必要和划算的。 3LED路灯冰凌凝结危害的防护措施 路灯在寒冷地区推广应用非常容易被忽视的一 (下转第62页 技术交流 个问题就是由于冰雪在灯具表面堆积,受热融化后形成的冰凌,冰凌一旦形成,则会对车辆和行人产生非常大的安全隐患。尤其是LED路灯,由于灯具壳体普遍采用铝材,表面的氧化铝属于亲水性材料,更容易产生冰凌凝结。2008年,我国南方大范围雪灾,造成铝制表面高压导线大量冰凌凝结,压塌损毁大量电力设施。这一灾害恶果不仅是气候造成的,氧化铝表面的高压线缆属于亲水性材料

11、也是一个重要诱因。由于影响到道路交通的安全,因此防止冰凌凝结是LED路灯在寒冷地区应用必须考虑到的安全措 施。 为了解决这一关键技术,我们通过对覆冰体表面进行显微成像分析,分析了水在物体表面结冰,以及冰在物体表面可以牢固附着的原因。实验结果发现,仅仅采用疏水性能优异的材料,防止冰凌凝结的效果并不理想,甚至水在某些材料表面可以冻得非常的结实。测试结果表明:冰可以附着在任何物体表面上;物体表面上的裂缝和凹陷,是冰可以牢固地粘附在物体表面上的另一个主要原因;单纯疏水性能好的材料,可以延缓结冰的过程,却无法阻止冰的形成。 为了更为准确地对比不同材料间防止冰凌凝结的能力,我们从不同角度深入研究了不同物件

12、的表面结构、表面物性与覆冰的内在关系,包括:结构外形与覆冰、结构材质与覆冰、表面光洁度与覆冰、表面刚柔性与覆冰。研究结果表明:外形结构简单、组织结构紧密、表面防水、疏水性能优异的构件,就不容易发生冰凌凝结。 以此试验数据为基础,我们连续2年在冬季设立了不同外观和外壳材料的LED路灯,通过实验发现:凡是灯具外观圆滑、光洁、平整的;没有冰雪或水积存承载结构的;表面材料具备优异疏水性能的LED路灯就不会产生冰凌凝结。 4结论 我国寒冷地区大多处于高纬度地域,气候寒冷、温差较大,因此对LED道路照明产品的应用带来了新的挑战。另一方面,大多数寒冷地区年平均每天的照明时间长于国内平均水平,故照明耗电也高于

13、国内平均水平,因此昼短夜长的地域特点带来了更多的LED照明应用需求。总之,既有挑战又有机遇。 作者简介:鞠晓晶(1975-,女,黑龙江省哈尔滨人,硕士,工程师,就职于哈尔滨市电子计算技术研究所,主要从事软件设计与开发工作,E-mail: happy_。 3出奇莫忘守正 方案提出来简单,实际设计还是有很多方面需要充分验证的,我们在设计时要遵循前面提到的户外显示屏的三个基本点: (1在安全方面,不同的国家有不同的要求,如CCC、CE、UL等,严格的按照标准规范进行设计,并通过权威机构的检测是必须的。 (2在显示性能上,选好用好LED不容忽视,如何确保在没有辅助散热系统的条件下,LED能够工作在合理的温度范围内而不至于快速衰老是关注重点; (3在户外防护性及运行稳定性上,应在电力供应、结构强度、耐老化抗腐蚀方面进行冗余设计, IP66是必须的,并力求作到免维护。4结论 本文对箱体式LED户外显示屏应用项目的结构与能耗分配模式最优性提出了质疑,并给出了L