LED照明灯具在轨道车辆上的应用

LED照明灯具在轨道车辆上的应用技术工程部宋玉庆高夫基摘要：本文简述了LED照明灯具特点及应用场合，重点介绍在轨道车辆客室照明系统的应用结构及可行性。1.简介近年来，随着以节约能源、保护环境为宗旨的绿色照明灯具的应用。LED是LightEmittingDiode（发光二极管）的简称，早在上世经60年代就已经出现，80年代后在辅助、指示、信号等低照度的场合成功地广泛应用。从LED产生到现在，其能够达到的最高光通量已经增加了几个数量级，目前达到了100lm以上，已逐渐开始成为白炽灯甚至荧光灯的实际替代品。随着轨道车辆的技术发展，客室照明要求相应地日趋严格，LED作为一种新型的固态光源，正逐渐被应用在客室照明系统中，将成为轨道车辆的新一代照明光源。2.LED发光的原理及性能特点电致发光原理与其他二极管一样，LED包含有一片半导体材料基片与杂质相互渗秀或掺杂形成的pn结。稳态时，极性相反的载流子（电子或空穴）因形成了空间电场无法穿过Dpn结。当LED的pn结正向偏置时，电流可以正分容易地从P区（阳极）流向N区（阴极），但不能反向流动。当电子空过PN结从N型材料进P型材料时，电子和空穴的复合过程会产生光子。这一过程称为电致发光。因此暴露的的半导体材料表面可以发光，这就是LED发光的原理。灯具的作用灯具是能起到分配、透过和改变光源的光的设备，包括除光源外所有用于固定和保护所需的全部零部件，必要时还可包括其与电源连接的线路附件。其具体作用是1).合理地分配光，即将光源的光通量重新分配2).防止光源或灯具所产生的眩光3).提高光的利用率4).保护光源免受损伤5).美化和装饰照明环境。光学特性灯具的光学特性主要由下列三特性决定。1).灯具效率灯具效率是在规定条件下灯具所发出的光通量ΦL与灯具内的全部光源在灯具外点燃时发射的总光通量Φs之比。以符号η表示。η=ΦL/ΦS灯具的效率愈高愈好，一般灯具的效率为0.7时属于较高效率的灯具；如果灯具效率达到0.8，则属于高效率灯具。灯具所用的材料影响灯具的效率，如采用高反射比和透射比的材料，则灯具效率提高甚大。效率也取决于灯具的出光口大小，出光口愈大，则效率愈高。此外灯具效率还取决于灯罩和反射器形状的光学设计。2).灯具的截光角和遮光角灯具的截光角（γ）是在灯具垂直轴与刚好看不见高亮度发光体的视线之间的夹角。而遮光角是截光角的余角（α）。遮光角愈大，则眩光愈小。3).配光曲线灯具在空间各个方向上的光强分布情况，用配光曲线来描述。配光特性是衡量灯具光学特性的重要指标。在城轨车辆的客室照明实际应用中，一般要求灯具光线均匀，不能有防碍视觉的眩光或闪光。同时照度均匀易于控制。在距地板面0.8米处的照度不低于300lx。LED灯具特点与轨道车辆上目前广泛应用日光灯相比，LED灯具的优点是比较明显的，作为新一代的照明光源，较其他照明光源，具有以下优点：光效高、功率因素高、无频闪、无紫外光、启动快、寿命长、抗震性好、绿色环保。第一，节能，在满足同样要求照度情况下，采用LED灯的功率仅为普通日光灯的1/2~1/3。节省效果是很明显的。这一点在轨道车辆的客室照明系统，将再通过合理的电源选择形式与应急灯设置方式，可以在简化线路与控制方式的同时，并大大减少照明系统辅助功率的需求。第二，耐震性优良，作为一种新型的固态光源确立了在机动车、轨道交通等车辆中应用的绝对优势，目前汽车除前大灯外几乎都由LED取代。第三，维护简单寿命长。一般普通日光灯的寿命在5000小时左右，由于轨道车辆的交流供电品质影响，其实际寿命会更低。再加上因镇流器、启辉器等零件的故障造成车辆使用过程的维护保养方面花费在照明系统的费用与时间很大。而LED灯的寿命一般在30000小时，远远长于日光灯的使用寿命，几乎是轨道车辆系统寿命最长的零部件。而且LED灯采用直流恒压供电，受电源品质的影响也小得多。因此采用LED灯具会极大地减轻轨道车辆在照明系统的维护精力，提高整个车辆的可靠性。第四，无频闪效应，照明品质高。日光灯的闪烁频率为电源频率的两倍。第五，启动过程简单、迅速，并且不会因频繁启动而损害LED的工作寿命。第六，工作时动态范围大，从3％工作电流～100％工作电流范围内可大幅度调光的特性，易实现智能化调光节能，既节能又延长LED的使用寿命。这在上海地铁3号线等有频繁开关或调节亮度的应用中具有绝对优势。第七，LED供电电压低，在普通照明中要设置电源转换电路，使灯具结构复杂。但是在轨道车辆上通过合理选择客室照明系统的供电方式，会简化照明系统的电气设计及要求。第八，LED灯具的制造和使用过程无重金属污染，而且还能再利用，是具有绿色前景的新一代照明灯具。3.LED照明灯具的结构形式LED作为轨道车辆的客室照明形式主要有三种方式第一种方式最为简单，制作外形结构与原来荧光灯外形接口一致的LED灯具，直接替换下原来灯具。需要说明的是由于LED的工作方式与原来荧光类大不相同，电源部分需要重新设计，由于目前市场一般用的超高亮度LED单元，为直流12V或24V。所以这种荧光灯式LED灯在LED单元的背面均设有电源驱动转换电路，将交流220V电源转换成LED照明单元所需的直流电源。对于我们轨道车辆来说，因为车辆系统本身有24V的直流电源，因此可以对客室照明系统的供电电路重新进行设计，直接使用车辆的24V系统供电，取消灯具本身的驱动电路，将会极大增强灯具的可靠性。这种灯管式的LED灯具由于受制于遮光角度问题，难以避免在灯罩背面产生暗区，目前还难以被广泛应用。但是，在已有车辆的节能改造中是优选的易行方案。图2荧光灯管式LED灯具第二种方式是边缘布置LED光源的平板照明形式，这种灯的结构如图3所示，主要有超高亮度LED灯带、散热片、弹性卡簧、平板灯体、封装胶带及电源线组成，一般的平板灯的厚度可以做到8mm或者更小，长度和宽度通过组合几乎不受限制。这种结构的平板灯体将导光板与扩散板设计集于一体，因此不会产生牛顿环等现象。与通过将单个LED光源通过列组成的平面光源（深圳地铁5号线）相比，这种结构的简单，散热性良好，此外还可以很容易地与顶板或侧顶板集成嵌入安装，但是由于结构布置上的限制灯具照度较低，导光板的选材上也必须保证其出光率高，光色纯正，无眩光，无暗区，透光率在90%以上，据报道目前已有可用于LED热管理系统冷却组件的聚碳酸脂导光板。在轨道车辆的客室照明上边缘布置LED光源的平板灯应趋于设计成条状灯具，可以沿客室纵向布置多条灯具，来扩大灯具面积，满足照度要求。图3LED平板灯结构示意图第三种方式是设计LED灯带（国外称LightBar），安装在原来的灯安装位置。这种结构的灯具进行线状设计，利用LED自身的出光方向性把有效的光投到客室内部，出光的利用率高，散热性好。从根本消除了把几十颗、甚至上百颗LED串、并联集成在很小的面积内，造成散热差，影响光效，抹杀了LED长处的缺点。能充分发挥LED发出的光束集中，不需要反射器聚光的长处，或通过利用平面镜光学系统，在用较少LED发光单元情况下照亮很大的面积，同时LED灯带的截面尺寸可以做得很小，如图4所示。因此原有的安装空间完合可以满足。固定形式可以采用端部或者背部嵌入安装皆可。图4LED灯带结构示意图图5双排布置的灯带结构5.LED照明灯具设计注意的问题LED照明灯具以其节能耐振及高可靠性，很适合于在轨道车辆客室照明中的应用，但是LED产品本身也有不可避免的缺点：1）怕高温，尤其散热不好时，会造成光效低、使用寿命短，光衰快。2）怕超功率运行，那怕是瞬时的超功率也会明显影响使用寿命。因此，在实际应用过程中，重视设计需求，从产品安全要求（结构、IP等）、性能要求（包括配光要求），EMC（包括EMI和EMS）要求以及用户使用的要求。采取适宜的措施，，对照明系统的灯具、布置、电源、控制系统进行分析设计，从整车匹配到紧急照明灯的启用等进行系统规划考虑。杜绝产品缺陷，确保客室照明系统寿命与可靠性。才能体现LED的安全、高效和长寿特性。虽然传统光源的产热量远高于LED光源，但不会因为高温而降低其光输出，然而LED的光输出会因为结温升高而下降，因此散热问题在LED灯具中设计中至关重要。结合我们轨道车辆的具体情况来看，LED灯具的布置上一般靠近空调风道，因此这对灯具的散热特性有所改善，使散热通道短，热阻小。电源及控制电路的设计，电源方面要设置合理的恒流源供电电路，提高LED灯具的稳定性，同时进一步加强对照明电源的电流监控手段，尤其在有调光要求的应用情况下，提高的系统可靠性。6.结论及建议LED用于轨道车辆的客室照明中，可以减少照明系统的辅助功率需求，通过对照明系统电路的系统的综合设计还能简化整个照明系统的电气线路，同时以其节能、高可靠、长寿命的特性将极大地减少客室照明系统灯具的维护，目前已在深圳5号线，北京14号线等车辆上逐步应用，随着LED照明技术迅速发展，此类产品必将以强大生命力更广泛地应用。参考文献〔1〕刘军良钟碧羿，城轨车辆客室LED照明的特点及灯具选型分析，《电力机车与城轨车辆》，2010年第2期〔2〕张国富方宇等，上海地铁3号线列车客室照明节能方案设计，《上海工程技术大学学报》，2011年第1期〔3〕王声学吴广宁等，LED在汽车照明系统中的应用，《灯与照明》，2007年第1期