LED在航标中的应用

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摘　要：通过对大功率led在航标设计应用中遇到的实际问题的详细分析，结合LED领域的技术现状和行业特性，讨论了LED航标设计时亟待解决的系列问题。具体应用中，应在思路上大胆创新，除了提高发光效率外，在光学特性和结构方面也要多加考虑，这样才能从根本上解决实际问题，从而克服制约LED应用和发展的瓶颈，推动LED照明产业更加繁荣。

关键词：航标灯；LED；设计缺陷

中图分类号：F55

文献标志码：A

文章编号：1000-8772（2012）11-0156-03

自古以来，航标灯所使用的光源，从最初的煤油灯、乙炔气灯直到现在的白炽灯。它的演变过程随着人类文明的进步、科学技术的发展而同步进行。随着科技的进步，一种新型的发光体——半导体器件（LED 发光二极管）应运而生，并将逐渐被应用于路灯照明以及各种交通信号等方面。当然LED的应用也扩展到航标上面，但是还没有普及，本文就其推广所面临的技术问题展开探讨，并给出一些简单的解决方法，以期能够抛砖引玉，为LED航标灯的发展及推广起到积极的作用。

1 发光二极管的基本发光原理

发光二极管是由p型和n型半导体组成的二极管（见图1）。在LED的p - n 结附近，n型材料中多数载流子是电子，p 型材料中多数载流子是空穴。p-n结上未加电压时构成一定的势垒，当加正向偏压时，在外电场作用下，p区的空穴和 n 区的电子就对方扩散运动，构成少数载流子的注入，从而在p-n结附近产生导带电子和价带空穴的复合，同时释放出相对应的能量hν（h 为普朗克常数，ν为光子频率）而发光。该能量相当于半导体材料的带隙能量 Eg（Ev），其与发光波长λ（nm）的关系为λ= 1239.6 Eg。因此，只要有理想的半导体材料就可以制成各种光色的LED。

半导体材料的发光机理决定了单一LED 芯片不可能发出连续光谱的白光，必须以其他的方式合成白光。表 1 表示了白光LED 的发光原理和类型。目前产生白光的方式有两种：一是用单色光激发荧光粉发出其他颜色的光，最终混合成白光，即单芯片型；二是采用将几种发不同色光的芯片封在一起，构成发白光的LED，即多芯片型。

单芯片型结构又可分为三种：（1）将蓝色 LED InGaN 芯片与钇铝石榴石（YAG）荧光粉组合成二基色白光LED，或由InGaN（蓝光峰值430nm或470nm）与红色（650 nm） 和绿色（540 nm） 荧光粉组成三基色白光LED；（2）利用蓝色ZnSe为基体制成芯片与衬基发出的黄光复合成白光；（3）用 InGaN LED发出的紫外光激励三基色荧光粉发出白光。而对于多芯片型，直接将红、绿、蓝三种颜色的LED 芯片组成一组，实现白光。

2 大功率LED航标灯的应用现状和优势

2.1 现状

当今各大航标局所用的航标大部分是白炽灯和Frensel透镜构成的航标。当然白炽灯的优点在于它的发光角度是360度发光，不会出现光照死角，便于全角度照明。而且由于LED灯的发光角度小，亮度不够等因素的影响，导致LED航标灯的推广受到了技术瓶颈的约束。只有在局部地域才使用LED航标，而且是试用阶段，技术上不成熟，很难大规模地进行推广。

2.2 LED航标灯的优势

LED灯是一种替代光源，其主要优点有以下几点：单色、高效，寿命长、平均无故障时间高，功耗小，适合与太阳能设备配套使用。

2.2.1 单色、高效。众所周知，白炽灯发出的是白光，为了产生红、绿、黄三种颜色，我们必须采用红色、绿色或黄色透镜，这样一来，将产生80%、80%和40%的光损失，即对100CD的白光而言，分别加上红、绿色和黄色三种透镜后，其光源光强仅为20CD、20CD和60CD。而LED的光色由制作的半导体材料决定，它直接发出有色光，而且与透镜折射出的光相比，光色纯正、醒目。

2.2.2 寿命长、平均无故障时间高。LED是一种半导体发光器件，寿命时间可达10万小时。在浮标上应用可大大降低更换电池次数和巡检次数，减轻海上作业人员的海上维修、补给作业强度，提高航标的正常率和维修正常率，为航标的维护管理带来巨大的经济效益。

2.2.3 功耗小，适合与太阳能配套。目前的LED已经做到，与白炽灯的左右相比提高了4～10倍，特别是超高亮度LED，光效更是提高了20～50倍，这样，产生同样的光所需的电功耗大大降低。

2.2.4 无热惯性，切换速度快。而LED的发光时间为Ns级，因而我们完全可以选用0.25S以下甚至0.1S的时间，而不论发光负载的总功率是多少。

3 LED航标灯使用时经常遇到的技术难题以及解决办法

LED是一种非线性半导体器件，它具有工作状态、发光强度易受环境温度等因素的影响，使用要求也较高等缺点，使用不当容易损坏。以下就LED的发光特点以及航标灯的特点论述在使用时应注意的几个问题。

3.1 航标灯的散热结构的设计

由于 LED 的发光效率随着 LED 温度的升高而下降，所以散热是 LED 路灯需要重点解决的问题之一。LED 航标灯亮度要求高、发热量大，并且户外的使用环境本身比较苛刻，如果散热不良会直接导致LED 快速老化，稳定性降低，除了需要LED 本身具有好的散热结构外，应该将路灯的壳体做为散热的重要渠道。一般设计时将散热面位于侧上面且加散热鳍片（如图2和图3的结构） 。这样有利于空气的自然对流散热。但是这就要求灯具必须有足够的散热面积，从而增加了灯具的体积。如果采用图孔式对流的散热方案，则可以适当缩小灯具的体积。目前正在实验阶段的还有采用风扇辅助风冷和毛细管水冷的方案，期待能很快地得以应用。

3.2 改善光强不足和增大发散角

现介绍一下三种改善方式：可以使用凸透镜来束缚光线的发散，从而增强光照强度。将发光二极管放在透镜的焦点附近，可以大大利用光强，以达到目的射程；可以用多个LED聚集在一起，形成簇状以增加光强。