LED道路照明裝置在低溫運行環(huán)境下的特殊技術要求(精)

1、技術交流LED 道路照明裝置在低溫運行環(huán)境下的特殊技術要求鞠曉晶，平立，侯慶娟,李愛蓮(哈爾濱市電子計算技術研究所，黑龍江哈爾濱 150080摘要:LED 路燈作為道路照明的發(fā)展趨勢已經得到普遍認同，但產品研發(fā)過程中 卻忽略了在寒地應用環(huán)境下的特殊技術要求。文章討論了冷熱沖擊的溫度變化可能 引起 LED器件的失效問題和 LED 驅動裝置低溫運行的可靠性保障，并依據(jù)大量實 驗和應用數(shù)據(jù)，總結了 LED 道路照明裝置在低溫運行環(huán)境推廣應用的特殊技術要求 和設計指導意見，并提供了詳細的指導性規(guī)范準則。關鍵詞:LED 路燈;寒地;應用環(huán)境;冷熱沖擊;冰凌凝結；親水性;疏水性中圖分類號:TN312+.8

2、文獻標識碼:BSpecial Tech ni cal Requireme nts for Operati on of LED Street LampDevice in Low Temperature En vir onmentJU Xiao-jing,PING Li,HOU Qing-juan,LI Ai-lian(Harbin Electro nic Computi ng Tech no logy In stitute,Harbin Heilo ngjia ng150080,Ch in aAbstract:LED street lamp used for roadway light ing

3、is commo nly recog nized,but the tech ni cal requireme nts of applicatio n in cold area are n eglected in productresearch.This paper discusses the devices failure of LED caused by the temperature change due to hot and cold impact and the reliability guara ntee of the cold operation of LEDdriving dev

4、ices.Meanwhile,the special technical requirements for cold operati on of LEDroadway lighti ng devices were summarized and guides for LED desig n were also given.This study provides the detailed guida nee sta ndards for cold applicati on of LEDroadway lighti ng.Keywords:LED street lamp;cold area;appl

5、icatio n en vir onmen t;hot and coldimpact;ice slush conden si ng;hydrophilicity;hydrophobicity文章編號：1006-6268(201005-0055-02技術交流引言隨著 LED 照明技術的快速發(fā)展，在國內的許多城市，道路照明已經不乏 LED 路燈的身影。尤其是大功率 LED 器件的光效超過 100lm/W 以后丄 ED路燈作為道路照明的發(fā)展趨勢已經得到普遍認同。2009 年，國內幾個城市分別組織了 LED 道路照明產品的評估測試工作，大多數(shù) LED 路燈產品在配光曲線、系統(tǒng)光效等關鍵技術指標方面進步

6、顯著，在道路照明標準的符合性、節(jié)能效果等方面已經達到相關標準和規(guī)范的要求。盡管 LED 路燈技術水平的發(fā)展較快，但是大多數(shù) LED 路燈廠商在產品研發(fā)過程中忽略了在寒地應用環(huán)境下的特殊技術要求。一個普遍的錯誤認識是丄 ED 在寒冷地區(qū)應用有利于散熱，不容易發(fā)生故障。殊不知，寒冷應用環(huán)境下，對 LED 路燈有著更為嚴格的技術要求，主要有以下兩個方面：(1 寒冷地區(qū)氣溫較低，且溫差大，驟變的冷熱沖擊和長期低溫工作對于器件有著更為嚴格的質量 要求。(2在寒冷地區(qū)應用的 LED 路燈必須要考慮防止冰凌凝結的預防措施。鑒于上述原因丄 ED 路燈在寒冷地區(qū)的推廣應 用,需要解決以下幾個方面的關鍵技術問題。

7、1 冷熱沖擊的溫度變化可能引起 LED器件的失效由于 LED 芯片封裝后，屬于固態(tài)的實心器件,存在著芯片、硅膠(或樹脂、金屬支架以及引線之間 膨脹系數(shù)的失配現(xiàn)象，加上寒冷地區(qū)溫差較大的冷 熱沖擊的影響，會使硅膠在溫度變化的過程中膨脹 和收縮加劇，器件內部應力過大,這將導致 LED 引 線鍵合點位移增大，引線過早疲勞和損壞。同時也會 使原本鍵合狀態(tài)較差的焊點出現(xiàn)脫焊的可能，而造 成焊球和芯片電極脫焊的現(xiàn)象，甚至使 LED 芯片出現(xiàn)分層脫落的失效現(xiàn)象一盞 LED 路燈應用的 LED 器件多達上百顆，通常采用以串聯(lián)為主的混聯(lián)組態(tài)方式，如果一顆 LED 發(fā)生故障,將會引起多顆 LED 連帶失效，因此

8、應用在寒冷地區(qū)的 LED路燈首先要根據(jù)特定使用 環(huán)境下的燈具溫度變化特性，設置合理的超聲功率、 鍵合壓力、鍵合時間及鍵合溫度等圭寸裝工藝參數(shù)，保 證每一顆 LED 器件在低溫運行環(huán)境下的可靠性。2LED 驅動裝置低溫運行的可靠性保障另一項關鍵技術挑戰(zhàn)在于 LED 路燈驅動裝置在低溫運行環(huán)境下的可靠性問題。目前大多數(shù) LED 路燈驅動電源在寒地低溫環(huán)境下表現(xiàn)出不同類型的 水土不服現(xiàn)象，較為突出的表征是低溫無法正常啟 動和長期低溫運行環(huán)境下的失效率較咼現(xiàn)象。上述 問題出現(xiàn)的主要原因在于，驅動電源在設計階段的 器件選型沒有考慮低溫工作狀態(tài)的可靠性，部分關 鍵元器件低溫環(huán)境下的特性發(fā)生變化，造成驅動裝

9、 置無法低溫啟動或正常運行，引發(fā)故障的具體原因主要有以下幾方面(1 開關管在低溫條件下載流子的密度和活性 都會降低,過載保護的啟動點也會因此降低。(2電解電容電解液在低溫下凍結，失去電容效 應(溶液中的離子此時只存在離子極化，無帶載能力 (3 部分類型的光藕器件在低溫狀態(tài)下無法正 常工作。(4 輸入端防止浪涌電流的熱敏電阻，在低溫下阻值變大(是常溫的 35 倍，也會造成低溫無法 正常啟動。上述問題的解決途徑主要是從選擇溫度特性更 好的器件入手。例如，不是所有的電解電容都無法在 低溫下工作，一般來講,200V 以上的電解電容耐低溫 特性較差，而160V 以下的電解電容基本都能夠在 -40C環(huán)境正

10、常工作，只要選用兩個低壓電解串連使 用就可以解決問題。器件選型的調整可能會略微提高 驅動裝置的成本，但是從LED 路燈的整體成本來看 可以忽略不計，考慮到提高可靠性和降低維護成本的 因素,這種設計調整是非常必要和劃算的3LED 路燈冰凌凝結危害的防護措施路燈在寒冷地區(qū)推廣應用非常容易被忽視的一（下轉第 62 頁技術交流個問題就是由于冰雪在燈具表面堆積，受熱融化后形成的冰凌，冰凌一旦形成，則 會對車輛和行人產生非常大的安全隱患。尤其是 LED 路燈，由于燈具殼體普遍采用 鋁材，表面的氧化鋁屬于親水性材料，更容易產生冰凌凝結。2008 年，我國南方大范圍 雪災，造成鋁制表面高壓導線大量冰凌凝結，壓

11、塌損毀大量電力設施。這一災害惡果 不僅是氣候造成的，氧化鋁表面的高壓線纜屬于親水性材料也是一個重要誘因。由 于影響到道路交通的安全，因此防止冰凌凝結是 LED 路燈在寒冷地區(qū)應用必須考慮 到的安全措施。為了解決這一關鍵技術，我們通過對覆冰體表面進行顯微成像分析，分析了水在 物體表面結冰，以及冰在物體表面可以牢固附著的原因。實驗結果發(fā)現(xiàn)，僅僅采用疏水性能優(yōu)異的材料，防止冰凌凝結的效果并不理想，甚至水在某些材料表面可以凍得 非常的結實。測試結果表明：冰可以附著在任何物體表面上；物體表面上的裂縫和凹 陷，是冰可以牢固地粘附在物體表面上的另一個主要原因；單純疏水性能好的材料，可 以延緩結冰的過程，卻無

12、法阻止冰的形成。為了更為準確地對比不同材料間防止冰凌凝結的能力，我們從不同角度深入研 究了不同物件的表面結構、表面物性與覆冰的內在關系，包括:結構外形與覆冰、結 構材質與覆冰、表面光潔度與覆冰、表面剛柔性與覆冰。研究結果表明：外形結構 簡單、組織結構緊密、表面防水、疏水性能優(yōu)異的構件，就不容易發(fā)生冰凌凝結。以此試驗數(shù)據(jù)為基礎，我們連續(xù) 2 年在冬季設立了不同外觀和外殼材料的 LED 路燈,通過實驗發(fā)現(xiàn)：凡是燈具外觀圓滑、光潔、平整的；沒有冰雪或水積存承載結構 的;表面材料具備優(yōu)異疏水性能的 LED 路燈就不會產生冰凌凝結。4 結論我國寒冷地區(qū)大多處于高緯度地域，氣候寒冷、 溫差較大，因此對 L

13、ED 道路照明 產品的應用帶來了新的挑戰(zhàn)。另一方面，大多數(shù)寒冷地區(qū)年平均每天的照明時間長 于國內平均水平，故照明耗電也高于國內平均水平，因此晝短夜長的地域特點帶來了 更多的LED 照明應用需求?？傊扔刑魬?zhàn)又有機遇。作者簡介:鞠曉晶(1975-,女，黑龍江省哈爾濱人，碩士，工程師，就職于哈爾濱市電 子計算技術研究所，主要從事軟件設計與開發(fā)工作，E-mail: happy_。3 出奇莫忘守正方案提出來簡單，實際設計還是有很多方面需要充分驗證的，我們在設計時要遵 循前面提到的戶外顯示屏的三個基本點：(1 在安全方面，不同的國家有不同的要求，如 CCC、CE、UL 等，嚴格的按照標準 規(guī)范進行設計，并通過權威機構的檢測是必須的。(2 在顯示性能上，選好用好 LED 不容忽視，如何確保在沒有輔助散熱系統(tǒng)的條件 下丄 ED 能夠工作在合理的溫度范圍內而不至于快速衰老是關注重點；(3 在戶外防護性及運行穩(wěn)定性上，應在電力供應、結構強度、耐老化抗腐蝕方 面進行冗余設計，IP66 是必須的,并力求作到免維護。4 結論本文對箱體式 LED戶外顯示屏應用項目的結構與能耗分配模式最優(yōu)性提出了 質疑，并給出了 LE