LED路灯产品质量的提升对策探讨

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摘要:我国的led产业在最近几年发展得很迅速,得到越来越广泛的应用,而将LED光源应用于道路照明中却是一项新兴产业。文中主要探讨台湾颁布的CNS15233标准的要求对国内目前生产的LED路灯在耐久性、配光特性、光效、环境适应性等方面的影响,并总结了LED路灯在设计时需注意的方面,急切呼吁国内有关道路照明灯具性能要求的标准尽快出台。

关键词:发光二极管;耐久性;光学特性;发光效率

中图分类号:TN141.6 文献标识码:B

引言

在全球能源紧缺的情况下,节约能源已成为大势所趋,同时国家也大力倡导节能减排,因LED具有节能、长寿命、环保无污染等各种优点,越来越受到人们的关注。大功率LED尤其是大功率LED路灯在我国发展迅速,为抓住商机、占领市场、提高绩效,已有很多企业投资这一项目,并开发出各式各样的LED路灯。由于国家目前还没有颁布相应的LED路灯标准,没有统一的标准限值和测试方法,造成市面上LED路灯产品的质量良莠不齐。LED路灯在我国还是一个全新的应用,所以在对LED路灯性能指标方面的确定,还存在着一定的分歧。2008年12月,台湾颁布了CNS15233"发光二极体道路照明灯具"标准,我国内地编制的LED路灯标准也在报批之中。两者在测试要求方面有一些差异,但总体技术要求基本相同。我所作为LED路灯质量检测机构,就检测过程中发现的一些质量问题,分析了产生的原因,并探讨了解决的方法。

1 问题与对策

1.1 耐久性

使用LED作为路灯的照明光源,替代传统的高压钠灯等光源,主要原因是基于LED具有环保、节能、高效等特性。台湾的CNS15233 LED 路灯标准中第5.7条要求,LED路灯需经过1,000小时的老化之后,再通过配光曲线测量设备测定光强分布曲线及输出的总光通量Φ1,并测出所消耗的电功率,由此计算出灯具的发光效率;然后在50±2℃的环境温度及额定工作电压下连续点亮360小时后,再测量其输出的总光通量Φ2,总光通量Φ2不得低于初始总光通量Φ1的90%。

从我们检测的路灯情况发现,LED路灯的寿命涉及两部分,即LED的实际使用寿命和电源驱动器的使用寿命。使用大功率LED的主要问题是解决其工作时的散热,LED的工作温度对它的性能和寿命有很大的影响,温度的升高会造成严重的光衰。LED结温升高主要会引起LED性能指标产生如下变化:一是减少LED光输出,测试结果说明总光通量减少;二是造成色温的偏移;三是严重影响LED路灯的寿命。按照标准要求,我们一般是测量LED路灯的外壳温升,事实上这是一种间接测量LED热阻的方法,与实际温升还有一定的差距。我们所说的半导体结温,指的是LED发光时内部电阻通过一定电流时产生的温升,与传统的灯具温升有一定的差别。由于结温过高会严重影响LED的光效、寿命、色温稳定性,还会引起封装胶体的黄化,以及热膨胀系数不一致所带来的固晶开裂等现象。对于大功率LED路灯,散热的主要技术研究内容包括芯片的低热阻结构设计和灯具的散热结构设计。其中芯片低热阻设计的目的是减低PN结与热沉之间的热阻,使PN结发出的热量能够尽快通过热传导导入到热沉;灯具散热设计的目的是使芯片发出的热量,快速以热传导的形式传输到灯具表面再传入大气层中,通过对散热器进行参数优化设计,降低散热器与环境间的接触热阻,从而降低LED芯片的工作温度。由于LED是低电压驱动,必须通过电源驱动器为其供电,不同LED路灯厂家的驱动电路也各不相同,而驱动器设计的合理性、高效率和自身的使用寿命对于LED路灯整体的寿命影响极大。

综述,LED路灯的散热改善和高效驱动器的选择使用将提高产品的寿命和光学性能。

1.2 配光特性

对于路灯照明,由于不同的使用场合、路面车道、安装高度等,对路灯在空间上光强的分布要求也有所不同,因此对路灯进行配光的测量就显得非常重要。传统的高压钠灯,由于光源的光线向四面八方发射,很难进行二次配光设计,而对LED光源来说,每个光源都可以进行单独的配光设计,组合成路灯后还可以再次进行配光设计。通过配光设计可以充分利用不同方向强度的光源来满足不同情况下的路面照明。在配光方面,采用LED光源作为道路照明大大优于传统光源,可使路面获得较均匀的照明,避免了传统光源照射到路面上出现的一块亮一块暗,类似"斑马线"的现象。

为了充分发挥LED路灯的优势,对LED路灯的配光测试就显得尤为重要。目前针对灯具的光度测量已有相应的GB/T 9468-2008《灯具分布光度测量的一般要求》国家标准,但是对于灯具进行光度测量后得到的光分布测量结果如何进行评价,目前还没有对应的国家标准。

针对路灯的配光特性,我们首先来看看它们的配光曲线。图1是一盏功率约100W的LED路灯的光强分布曲线;图2是一盏功率约150W的高压钠灯的光强分布曲线。

对图1和图2 进行比较,我们发现LED灯具的中心光强与最大光强相差较大,且中心光强与最大光强不在同一方向上,光束角较大;而高压钠灯的中心光强与最大光强相差较小,且中心光强与最大光强几乎在同一方向上,光束角较小。窄的光束角最直接的影响就是使安装灯具时灯杆的间距变小,同时对路面的照明均匀性较差,容易形成"斑马线"现象;而较大的光束角就可增大灯杆间距,减少灯具的使用数量,降低使用费用的同时达到节约能源的目的。

1.3 发光效率

作为路灯,一个主要的目的是要达到马路照明的基本要求,保证行人和行车的安全。LED路灯可以达到传统的以高压钠灯为光源的路灯的照度要求,是替代传统路灯的基础。按照CNS12533标准要求,对LED 路灯发光效率有不同的等级要求,具体的等级要求如表1所示。

从LED路灯的检测结果来看,能够满足配光特性,发光效率根据不同生产厂家有很大的差别。传统的高压钠灯路灯的光效在40～60lm/W之间,而目前LED路灯的发光效率一般都在50～70lm/W左右,250W LED路灯的总光通量可以达到15,000lm左右。将其作为主干道的路灯显然还有一段距离,但是作为次干道支路照明则有一定的优势。

大多数LED路灯的光效都低于70lm/W,工作一段时间后,光效还会出现不同程度的降低,节能效果就会受到一定的影响。分析发光效率降低的原因,主要有三个:一是LED灯的选择。由于大功率白光LED的性能已经得到一定的提高,目前实际使用的1W单颗芯片的光效已经达到50～70lm/W,通过多芯片组合,光效会有所提高。所以选择优质高效的高功率LED灯,是使发光效率达到标准的主要解决方法;二是散热。由于LED的发光机理和结构原理,LED结温的升高会降低其发光效率,所以要求路灯应有良好的散热设计;三是选择光衰少、光学性能稳定性好的LED。这样才能使LED灯具在连续点燃4,000小时之后光通维持率不低于92%,同时发光效率也符合上述要求。

1.4 环境适应性

众所周知,LED路灯的使用环境极为恶劣,常年处在各种环境气候之下。基于LED路灯使用环境的特殊性,"CNS15233 LED 路灯标准"规定产品必须通过温度循环、防尘防水、振动试验等。标准中第5.12条的防尘防水部分,规定了LED路灯的发光部分需符合IP65,控制室若与发光部分分离则只需符合IP54,否则也应符合IP65;标准中第5.13条振动试验,要求在3个相互垂直方向(X、Y、Z)上振动,每个轴向12分钟,扫频每分钟300~1,200次,每周期3分钟,全振幅2mm,要求灯具不变形,不得出现松扣、脱落、龟裂等现象。

我们在检验过程中发现,产品对温度循环的适应性较好,较少出现达不到标准要求的情况,究其原因,主要是现在的各类电子元气件总体水平较高,能够适应高低温工作条件。但产品在抗振动和防尘防水方面显得有些不足,由于工作环境的原因,振动和防尘防水对其工作寿命的影响极大。振动试验中发现产品有三个方面存在不足:一是产品结构受到破坏。主要原因是振动产生的交变应力超过产品构件所能承受的弹性和塑性极限,进而造成破坏;二是工作性能失灵。主要是振动使接触部件接触不良,导致工作不正常、不稳定;三是工艺性能受到破坏。主要是连接件松动、脱焊等。在振动实验之后,我们发现其防尘防水性能受到不同程度的影响。同时较多的厂家为了达到IP65的要求,对灯具的接口部分采用打胶的办法。这种方法虽然能使灯具暂时达到要求,但对今后灯具的零件更换和维护造成了很大的困难。为提高产品的环境适应性,以便产品在使用过程中不发生上述故障与破坏,在产品设计上要预先考虑到振动试验对产品的要求,特别是对新开发的产品。对产品结构和工艺要进行充分的论证,建议在产品最终定型之前,要委托产品质量检测机构按照标准要求进行模拟试验,对在试验中出现的一些缺陷进行改进,使产品符合标准的要求,提高产品的可靠性。

2 结 论

LED路灯目前已在全国推广,国家启动的"十城万盏"LED应用示范工程计划也在实施之中。尽管LED路灯有着比传统路灯更节能的优势,作为道路照明光源也具备了一定的条件,但由于目前商品化的大功率LED的发光效率还有限,还处在60～80lm/W的水平范围,考虑到批量生产工艺上的原因,实际上生产的LED路灯产品的光效很难达到理论值。另外,产品散热、光衰和驱动器寿命等问题的解决也还不尽如人意。由于LED路灯使用环境的特殊性,很难对其中的某个元器件或组件进行现场维修更换,导致使用维护成本大幅提高。只有随着LED技术的发展,产品性能特别是产品可靠性的不断提高,才有可能替代传统的高压钠灯作为路灯光源。事实上,由于目前LED路灯固有的一些特性,如投资成本过高以及技术难关难以攻克等障碍仍然存在,要取代传统路灯还有一段不小的距离。

参考文献

[1] 标准 CNS15233 发光二极体道路照明灯具[S]. 台湾: 2008.

[2] 岑松原.大功率LED路灯设计中的关键技术研究.中国半导体照明产业发展年鉴[C].机械工业出版社, 2008-2009 :185～191.

[3] 邢天虎.力学环境试验技术[M].西北工业大学出版社,2003: 64.

作者简介:刘毅清, 男,籍贯福建,厦门市产品质量检验所副所长,高级工程师,研究方向为电子产品的设计与检测,E-mail:。