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LED道路照明低溫環境下的可靠性保障 —— 文章正文2020-04-11

隨著LED技術的快速發展,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,LED路燈作為道路照明的發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LED路燈產品在配光曲線、系統光效等關鍵技術指標方面進步顯著,在道路照明標準的符合性、節能效果等方面已經達到相關標準和規范的要求。

盡管LED路燈技術水平的發展較快,但是大多數LED路燈廠商在產品研發過程中忽略了在寒地應用環境下的特殊技術要求。一個普遍的錯誤認識是,LED在寒冷地區應用有利于散熱,不容易發生故障。殊不知,寒冷應用環境下,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,LED路燈在寒冷地區的推廣應用,需要解決以下幾個方面的關鍵技術問題。

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的失配現象,加上寒冷地區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較差的焊點出現脫焊的可能,而造成焊球和芯片電極脫焊的現象,甚至使LED芯片出現分層脫落的失效現象。

一盞LED路燈應用的LED器件多達上百顆,通常采用以串聯為主的混聯組態方式,如果一顆LED發生故障,將會引起多顆LED連帶失效,因此應用在寒冷地區的LED路燈首先要根據特定使用環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封裝工藝參數,保證每一顆LED器件在低溫運行環境下的可靠性。

LED驅動裝置低溫運行的可靠性保障

另一項關鍵技術挑戰在于LED路燈驅動裝置在低溫運行環境下的可靠性問題。目前大多數LED路燈驅動電源在寒地低溫環境下表現出不同類型的水土不服現象,較為突出的表征是低溫無法正常啟動和長期低溫運行環境下的失效率較高現象。

上述問題出現的主要原因在于,驅動電源在設計階段的器件選型沒有考慮低溫工作狀態的可靠性,部分關鍵元器件低溫環境下的特性發生變化,造成驅動裝置無法低溫啟動或正常運行,引發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3~5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-40℃環境正常工作,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。

LED路燈冰凌凝結危害的防護措施

路燈在寒冷地區推廣應用非常容易被忽視的一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。實驗結果發現,僅僅采用疏水性能優異的材料,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、疏水性能優異的構件,就不容易發生冰凌凝結。

以此試驗數據為基礎,我們連續2年在冬季設立了不同外觀和外殼材料的LED路燈,通過實驗發現: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;表面材料具備優異疏水性能的LED路燈就不會產生冰凌凝結。

我國寒冷地區大多處于高緯度地域,氣候寒冷、溫差較大,因此對LED道路照明產品的應用帶來了新的挑戰。另一方面,大多數寒冷地區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?,既有挑戰又有機遇。


(責任編輯:  來源:  時間:2020-04-11)
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