軌道車廂用半導體照明系統的關鍵技術的思考

摘 要:當前城市軌道交通的照明系統多使用傳統的燈泡和熒光燈等，存在著效率不高，能耗大等問題，并不能滿足軌道交通震動和高溫等復雜惡劣環境的需求。LED作為新興的照明技術可以解決這些問題。本文分析了LED應用于軌道交通的難點并探討了將LED應用于軌道交通的關鍵技術。

關鍵詞:二次光學設計LED成組驅動

中圖分類號:TM594文獻標識碼:Ａ文章編號:1674-098X(2011)05(c)-0064-01

1 現階段軌道交通照明系統的問題

新世紀以來中國城市化進程不斷加快，城市人口和交通壓力不斷增大，促使越來越多的城市興建地鐵。隨著地鐵輕軌的不斷發展，制約其內部的半導體照明系統的瓶頸凸顯:傳統的燈泡和熒光燈效率不高，能耗大，已經越來越不能適應軌道交通發展的需要和節能降耗的要求;并且由于軌道車廂的高速行駛，廂體有強烈的震動，照明燈具需要經常工作在震動和高溫等復雜惡劣的環境下，這也使得缺乏技術含量的熒光燈等普通照明不能有效的抵擋競爭，失去了技術優勢。

2 LED應用于軌道交通的難點

LED燈具因受到發光源方向性的限制，以及其發光源太小且數量眾多，最大光強值在15°以內，以致光線大部分只是向燈具下端界面照射，難以達到理想的蝙蝠翼形配光的要求，不能完全覆蓋相鄰二燈之間的暗區，給人造成一種眩光的感覺。這種情況在輕軌車廂和船舶封閉、狹窄的環境中更甚，因此需對LED燈具進行二次光學設計，建立LED精確的光學模型，以獲得燈具的最佳有效光效。輕軌車廂經常處于高速運營的狀態下，這對于LED照明燈具的長壽命化和抗震性提出很高要求。

3 LED應用于軌道交通的關鍵技術

3.1 建立精確的光學模型，進行二次光學設計，獲得燈具的最佳有效光效

在使用LED照明燈具時，整個系統的出光效果、光強、色溫的分布狀況也必須進行設計，把器件發出的光線集中到期望的照明區域內，從而讓整個LED照明系統能夠滿足設計的需要，這稱為二次光學設計。

基于LED的二次配光設計，對最終的照明器件和產品的性能起著至關重要的作用。第一，部分光線未能達到有效的照明范圍從而導致能量的損失，需要使用大數值孔徑的光學系統對光線進行匯聚，進一步提高光能利用率;第二，封裝之后，像面照度分布均勻性達不到設計要求，難以在每一點的照度值都大于要求的最低照度值，這都需要對LED進行二次配光設計。傳統的成像光學強調的是能否在像面上成像以及成像質量如何，成像系統的評價面是與物面共扼的像面，可以用點列圖、波像差、傳遞函數等像質指標進行評價，如果物面是自身發光的或者被均勻照明，只要成像系統的像質足夠好，像面上各點的照度就反映了物面上各共扼點的照度，從而得到物的共扼像。但照明系統與成像系統不同之處在于評價面通常不是光源的像面，適用于成像系統的點列圖、波像差、傳遞函數等評價方法不再適用，而非成像光學更強調光能的傳輸效率以及光能的分配，即收集更多的光能并在指定照明區域達到一定的均勻性要求，因此對于LED的二次配光設計應該使用非成像光學設計。

而Zemax軟件擁有多種優化設計方法，不僅可以對系統預定義的評價函數進行優化設計，而且為用戶提供了開放的二次開發環境，用戶可以用系統提供的宏語言編寫自定義的評價函數，這使用戶不僅可以利用該軟件對成像系統進行優化設計，而且可以在建立照明均勻性物理模型的基礎上，找出照明均勻性與光線路徑的關系，使編寫自定義評價函數對非成像系統進行優化設計成為可能，提高設計效率。這種方法可以對給定LED產品，進行光學系統的準確設計，實現圓形光斑和橢圓光斑的均勻照明，達到在輕軌車廂和船舶艙內良好的照明效果

3.2 LED成組驅動及控制技術

LED成組驅動數字化技術是未來LED照明系統發展的方向，因為其有著靈活的控制性能，更加穩定的系統輸出，并且可以防止系統老化等諸多優勢。數字化驅動技術以其特有的優點，可以為LED燈具提供高可靠、高性能的驅動。

輕軌車廂的LED照明系統采用LED成組驅動系統，它包括PC機接口、主控制器、若干驅動器、雙芯總線及用于照明功能和參數設置的專用管理軟件。系統通過PC機的專用管理軟件，對LED照明燈具亮、閃、關等功能及參數進行設置。主控制器根據相應的參數設置對驅動器發布控制命令以實現LED照明的脫機控制。控制指令數據由電壓信號的脈寬來表示，由總線串行傳輸。

系統結構及控制方法系統采用主從控制方式，包括一個主控制器、若干驅動器和PC接口。主從式控制器采用總線連接，主控制器接入220V交流電，通過變換向主模塊供電，并通過總線向驅動器供電。總線采用全兩線制方式，承擔雙重作用，一方面傳遞控制信號，一方面向驅動器供電。主模塊通過向驅動器的地址發布命令來實現對其的控制。具有單一地址和成組地址兩種形式，景觀效果通過主模塊向各驅動器發布地址命令和成組地址命令來實現。通過這種控制方式，利用PC機能夠很容易實現LED照明系統的在線方案調整，達到柔性控制。

驅動器負責接收主控制器通過總線發來的控制信號，程序對接收到的信號執行相應的動作，通過負載驅動電路，使LED照明燈執行相應的動作。其中包括電源電路、MCU及外圍電路、負載驅動電路。主控制器每條總線可以控制128/256個驅動器，一個主控制器最多可以接8條總線，這樣做的目的是為了便于實現較復雜的控制方案。

3.3 散熱技術

目前一般的LED燈具使用壽命僅為5萬小時，這不僅成為了制約其廣泛民用化的步伐，更成為了制約其應用于輕軌車廂的瓶頸。關乎LED壽命的主要問題是因為散熱不佳，導致PN結溫度過高，影響到芯片的壽命。功率型LED燈具散熱效率提高的技術，如采用新型材料水晶玻璃替代傳統的環氧樹脂用作LED的封裝材料，以提高LED的發光效率，降低PN結工作溫度，增加壽命;其次，采用鋁質撓曲基板等作為LED的基板材料，不僅可以減少封裝應力，使燈具的抗震性能提高，也可以大大提高燈具的散熱性能。

4 結語

本文提出了以非成像光學的設計方法進行LED二次光學設計，采用新型的封裝材料和基板材料等關鍵技術來解決將LED應用于軌道交通照明系統所存在的問題。這些問題的解決將極大促進LED的普遍應用，提高照明效果，節約能耗，有利于節約型社會的構建。

參考文獻

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