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解析影響LED路燈在寒冷地區(qū)壽命的關鍵問題

作者: 時間:2013-10-06 來源:網(wǎng)絡 收藏

  隨著LED照明技術的快速發(fā)展,在國內(nèi)的許多城市,道路照明已經(jīng)不乏的身影。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(fā)展趨勢已經(jīng)得到普遍認同。2009年,國內(nèi)幾個城市分別組織了LED道路照明產(chǎn)品的評估測試工作,大多數(shù)產(chǎn)品在配光曲線、系統(tǒng)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(jié)能效果等方面已經(jīng)達到相關標準和規(guī)范的要求。

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/222288.htm

  盡管技術水平的發(fā)展較快,但是大多數(shù)LED路燈廠商在產(chǎn)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:LED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:第一,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(zhì)量要求。第二,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,LED路燈在寒冷地區(qū)的推廣應用,需解決以下幾個方面的關鍵技術問題。

  一、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(nèi)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封裝工藝參數(shù),保證每一顆LED器件在低溫運行環(huán)境下的可靠性。

  二、LED驅(qū)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(qū)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(qū)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)境下的失效率較高現(xiàn)象。上述問題出現(xiàn)的主要原因在于驅(qū)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(qū)動裝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四個方面:

  第一,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;第二,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;第三,部分類型的光藕器件在低溫狀態(tài)下無法正常工作;第四,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零下40℃環(huán)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(diào)整可能會略微提高驅(qū)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(diào)整是非常必要和劃算的。

  三、LED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(chǎn)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(chǎn)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,壓塌損毀大量的電力設施。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(nèi)在關系,包括:結構外形與覆冰、結構材質(zhì)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,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)幾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路燈不會產(chǎn)生冰凌凝結。

  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LED道路照明產(chǎn)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(nèi)平均水平,故照明耗電也高于國內(nèi)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??傮w來看,LED照明產(chǎn)品的應用既有挑戰(zhàn)又有機遇。



關鍵詞: LED路燈

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