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过10年左右的快速发展，LED照明已经进入快速推广阶段，市场应用从最初的南方地区逐步向中西部渗透扩展。但在实际应用中我们发现，在南方用的很好的户外照明产品，到了北方地区，尤其是东北、新疆等地区，产品的应用受到新的考验。本文通过分析寒地环境下影响LED照明的一些关键因素，找出对应的解决策略，最终发挥出LED光源的应有优势。一、寒地环境下LED照明的优势相对原有的白炽灯、荧光灯和高强度气体放电灯而言，LED器件在低温下的工作性能要好的多，甚至可以说，光学性能比常温下更加卓越。这是和LED器件的温度特性密切相关的，图1是某品牌大功率LED器件温度和相对光输出曲线图。可以看出，随着结温的降低，灯具的光通量会相对增大。根据灯具的散热规律，结温和环境温度密切相关，环境温度越低，结温必然越低。另外，根据图2我们可以看出，结温的降低，还可以降低LED光源的光衰过程，延迟灯具的使用寿命，这也是大部分电子元器件的特性。二、寒地环境下LED照明面临的困难和对策虽然LED本身在寒地条件下有更多的优势，但不可忽略的是，LED灯具除了光源，息息相关的还有驱动电源、灯体材料以及在寒地环境下的雾天、强紫外等综合天气因素，都给这种新型光源应用带来新的挑战和麻烦。只有弄清这些制约因素，找到对应的解决方案，就能充分发挥LED光源的优势，在寒地环境中大放异彩。1.驱动电源的低温启动问题做电源开发的人都知道，电源的低温启动是个难题。主要的原因是现有的大部分成熟电源方案，都离不开电解电容的广泛应用(如图3)。但是在-25℃以下低温环境中，电解电容的电解质活性明显下降，电容容量衰减很大〔1〕(如图4)，导致电路不能正常工作。要解决这个问题，目前有两种方案：一是采用工作温度范围更宽的优质电容，当然这会带来成本的增加。二是采用无电解电容的电路设计，包括采用陶瓷叠层电容，甚至采用线性驱动等其他驱动方案。此外，在低温环境下，像MOS管等普通电子器件的耐压性能也会降低，给电路的整体可靠性造成不利影响，需要特别注意。2.塑胶材料在高低温冲击下的可靠性问题根据国内外一些研究机构的研究人员实验证实：很多普通塑料和橡胶材料在-15℃以下的低温下韧性变差，脆性增大〔2，3〕(如下图5所示)。对LED户外产品而言，透光罩、光学透镜、密封件以及部分结构件都有可能采用塑胶材料，那么就需要对这些材料的低温机械性能进行仔细考虑，尤其是承力部件，避免灯具在低温环境下受到大风、意外碰撞后破裂而导致意外事故的发生。另外，LED灯具常采用塑胶件和金属的配合结构(如图6)。由于塑料材质和金属材料在大温差环境下的膨胀系数差异较大(如表1所示)，例如灯具常用的金属铝和常用塑料材料的膨胀系数大概相差5倍以上，这可能会导致塑料材料破裂，或者两者的间隙增大，最终致使防水密封结构失效，进而产品出现问题。材料温度范围20～100(℃)20～200(℃)20～300(℃)黄铜17.8×10-618.8×10-620.9×10-6碳钢(10.6～12.2)×10-6(11.3～13)×10-6(12.1～13.5)×10-6铸铁(8.7～11.1)×10-6(8.5～11.6)×10-6(10.1～12.2)×10-6铝23.03×10-6有机玻璃130×10-6尼龙1010105×10-6在诸如东北这些高寒地区，从每年的10月份到次年的4月份，都可能处于冰雪季节。LED灯具在下午临近傍晚开灯前，温度可能低于-20℃以下，然后晚上通电工作后，由于灯具发热，又可能使得灯体温度上升到30℃~40℃以上，基本上每天灯具都要经历一次高低温的循环冲击。在这种环境下，如果处理不好灯具的结构设计以及不同材料的匹配问题，很容易导致我们上述所说的材料开裂和防水失效问题。针对这种情况，国家半导体照明工程研发及产业联盟从2010年开始，连续推出两版的《寒地LED道路照明产品技术规范》LB/T005，其中的关于高低温冲击的实验方法，考虑了这种特殊环境下的工作方式，笔者认为非常值得借鉴和采纳。试验样品应经历图7所示的2个温度变化循环试验，每个循环历时5h。即：试验循环：5次;每个循环时间：5h;温度曲线：按图1规定;温度升降变化速率：0.5℃∕min～4.0℃∕min;循环开始温度：20℃;低温：-40℃，保持时间1h;高温：40℃，保持时间1h;通电方式：在图1“A”点处开始通电至“B”点处。3.LED的光色问题进入秋冬季节后，北方的大雾天气也会逐步多起来。当然，大雾不是高寒地区的特产，全世界到处都有，但是在这些高寒地区，光的颜色除了会涉及雾的穿透问题之外，还有感觉舒适性和环境和谐的问题。关于LED灯的雾穿透力的问题，业界一直讨论比较多，那么不同波长的光对雾的穿透力是否有差异，钠灯的黄光和LED的白光对雾的穿透性究竟有多少不同呢?观点一：在一定雾浓度下，不同波长的光，由于衍射能力不同，具有不同的雾穿透能力。这个观点也被国内外一些研究结构的相关实验证实：单色光中，黄光的雾穿透能力最强，其次是红光、绿光和蓝光〔4〕。表2和图8分别是不同颜色的单色光的相对穿透能力的比对，其中横坐标表示是雾的浓度。我们可以看出：同一种单色光情况下，随着雾的浓度增大，透过性越来越差。在同一种雾的浓度下，黄光的透光性最强，其次是红光、绿光和蓝光，但是数量级都是一样的，相差不多。同时，还有一种观点认为：不同可见光透雾能力是差不多的，理由是：不同光子的尺寸大小相比而言是绿豆和黄豆的关系，而相比雾粒子的尺寸，则相当于是个足球(如图9所示)。当雾的浓度很大的时候，任何的光都很难穿过去。这个时候表现出来钠灯的黄光比LED的白光雾穿透能力更强，其主要原因是在LED白光照射下，雾呈现白茫茫一片，而黄光则表现出很好的诱导性〔5〕。笔者认为这个观点还是有一定道理的，我们可以通过图10的两张照片看出这种差异，左边是LED的冷白光，右边是钠灯的黄光。综合上述两种观点，我们再来对比一下钠灯、高色温LED和低色温LED的光谱分布曲线，图11、图12和图13是本人通过远方的PM-80光谱分析系统实际测量得到的上述灯具的光谱图。其中图11是6500K高色温LED光谱，图12是2700K低色温LED光谱，图13则是高压钠灯的光谱。很明显，相对而言，高色温LED的蓝色成分比例较大，黄光和红光的比例比例相对较少。高压钠灯和2700K的低色温的LED中，蓝光成分相对较少，黄光和红光的成分则相对较大。而且钠灯和2700K的LED相比，并没有多少优势，如果考虑到LED显色指数的影响，则低色温的LED有更多的优势。因此，寒地照明中，应该更多的考虑采用3000K以下的低色温LED，具有更好的透雾能力和诱导性。当然，在北方，除了雾的原因之外，大多季节的晚上都比较冷。冷白色得光更加会让城市显得冷清和凄凉，而暖色光会给人一种温暖、愉悦的感受，从这个角度，也应该采用更加暖色调的灯光，让城市夜色显得更加的和谐美丽。4.紫外老化问题记得在前两年上海的一次行业论坛上，有业内专家提到了一个现象。当时他们开展了一次批量的户外LED灯具实地性能测试，半年后在评估光衰指标时发现一个奇怪的现象：在同时段户外老化实验的LED灯具，光源电源的配置也是差不多的，但是24小时工作的LED隧道灯的光衰却比10个多小时工作的路灯还要小的多，他们觉得非常奇怪，经过多次分析研究，最后认为主要还是白天的紫外线对灯具相关部件的老化造成的。这个结论当时也得到了台湾一个专家的现场支持，他说他们也研究过，白天户外的紫外线对荧光粉、透镜等部件的加速老化是不可小视的。需要在透镜、灯罩等部分做抗紫外线的处理，比如镀抗紫外膜，或者在这些部件成型时加入抗紫外的组分。三、结语我们通过对寒地环境下多个因素的分析可以看出，LED作为一种半导体照明器件，有它自身的很多优势，但也存在有别于传统照明光源的一些问题，只有仔细的研究这些差异性，逐个认真分析解决，才能真正发挥出LED照明在寒地条件下的优势。LED照明rt4e555t广州大众搬家