LED在航標中的應用

　　摘　要：通過對大功率LED在航標設計應用中遇到的實際問題的詳細分析，結合LED領域的技術現狀和行業特性，討論了LED航標設計時亟待解決的系列問題。具體應用中，應在思路上大膽創新，除了提高發光效率外，在光學特性和結構方面也要多加考慮，這樣才能從根本上解決實際問題，從而克服制約LED應用和發展的瓶頸，推動LED照明產業更加繁榮。
　　關鍵詞：航標燈；LED；設計缺陷
　　中圖分類號：F55　　文獻標志碼：A　　文章編號：1000-8772（2012）11-0156-03
　　自古以來，航標燈所使用的光源，從最初的煤油燈、乙炔氣燈直到現在的白熾燈。它的演變過程隨著人類文明的進步、科學技術的發展而同步進行。隨著科技的進步，一種新型的發光體——半導體器件（LED 發光二極管）應運而生，并將逐漸被應用于路燈照明以及各種交通信號等方面。當然LED的應用也擴展到航標上面，但是還沒有普及，本文就其推廣所面臨的技術問題展開探討，并給出一些簡單的解決方法，以期能夠拋磚引玉，為LED航標燈的發展及推廣起到積極的作用。
　　1 發光二極管的基本發光原理
　　發光二極管是由p型和n型半導體組成的二極管（見圖1）。在LED的p - n 結附近，n型材料中多數載流子是電子，p 型材料中多數載流子是空穴。p-n結上未加電壓時構成一定的勢壘，當加正向偏壓時，在外電場作用下，p區的空穴和 n 區的電子就對方擴散運動，構成少數載流子的注入，從而在p-n結附近產生導帶電子和價帶空穴的復合，同時釋放出相對應的能量hν（h 為普朗克常數，ν為光子頻率）而發光。該能量相當于半導體材料的帶隙能量 Eg（Ev），其與發光波長λ（nm）的關系為λ= 1239.6 Eg。因此，只要有理想的半導體材料就可以制成各種光色的LED。
　　半導體材料的發光機理決定了單一LED 芯片不可能發出連續光譜的白光，必須以其他的方式合成白光。表 1 表示了白光LED 的發光原理和類型。目前產生白光的方式有兩種：一是用單色光激發熒光粉發出其他顏色的光，最終混合成白光，即單芯片型；二是采用將幾種發不同色光的芯片封在一起，構成發白光的LED，即多芯片型。
　　單芯片型結構又可分為三種：（1）將藍色 LED InGaN 芯片與釔鋁石榴石（YAG）熒光粉組合成二基色白光LED，或由InGaN（藍光峰值430nm或470nm）與紅色（650 nm） 和綠色（540 nm） 熒光粉組成三基色白光LED；（2）利用藍色ZnSe為基體制成芯片與襯基發出的黃光復合成白光；（3）用 InGaN LED發出的紫外光激勵三基色熒光粉發出白光。而對于多芯片型，直接將紅、綠、藍三種顏色的LED 芯片組成一組，實現白光。
　　2 大功率LED航標燈的應用現狀和優勢
　　2.1 現狀
　　當今各大航標局所用的航標大部分是白熾燈和Frensel透鏡構成的航標。當然白熾燈的優點在于它的發光角度是360度發光，不會出現光照死角，便于全角度照明。而且由于LED燈的發光角度小，亮度不夠等因素的影響，導致LED航標燈的推廣受到了技術瓶頸的約束。只有在局部地域才使用LED航標，而且是試用階段，技術上不成熟，很難大規模地進行推廣。
　　2.2 LED航標燈的優勢
　　LED燈是一種替代光源，其主要優點有以下幾點：單色、高效，壽命長、平均無故障時間高，功耗小，適合與太陽能設備配套使用。
　　2.2.1 單色、高效。眾所周知，白熾燈發出的是白光，為了產生紅、綠、黃三種顏色，我們必須采用紅色、綠色或黃色透鏡，這樣一來，將產生80%、80%和40%的光損失，即對100CD的白光而言，分別加上紅、綠色和黃色三種透鏡后，其光源光強僅為20CD、20CD和60CD。而LED的光色由制作的半導體材料決定，它直接發出有色光，而且與透鏡折射出的光相比，光色純正、醒目。
　　2.2.2 壽命長、平均無故障時間高。LED是一種半導體發光器件，壽命時間可達10萬小時。在浮標上應用可大大降低更換電池次數和巡檢次數，減輕海上作業人員的海上維修、補給作業強度，提高航標的正常率和維修正常率，為航標的維護管理帶來巨大的經濟效益。
　　2.2.3 功耗小，適合與太陽能配套。目前的LED已經做到，與白熾燈的左右相比提高了4～10倍，特別是超高亮度LED，光效更是提高了20～50倍，這樣，產生同樣的光所需的電功耗大大降低。
　　2.2.4 無熱慣性，切換速度快。而LED的發光時間為Ns級，因而我們完全可以選用0.25S以下甚至0.1S的時間，而不論發光負載的總功率是多少。
　　3 LED航標燈使用時經常遇到的技術難題以及解決辦法
　　LED是一種非線性半導體器件，它具有工作狀態、發光強度易受環境溫度等因素的影響，使用要求也較高等缺點，使用不當容易損壞。以下就LED的發光特點以及航標燈的特點論述在使用時應注意的幾個問題。
　　3.1 航標燈的散熱結構的設計
　　由于 LED 的發光效率隨著 LED 溫度的升高而下降，所以散熱是 LED 路燈需要重點解決的問題之一。LED 航標燈亮度要求高、發熱量大，并且戶外的使用環境本身比較苛刻，如果散熱不良會直接導致LED 快速老化，穩定性降低，除了需要LED 本身具有好的散熱結構外，應該將路燈的殼體做為散熱的重要渠道。一般設計時將散熱面位于側上面且加散熱鰭片（如圖2和圖3的結構） 。這樣有利于空氣的自然對流散熱。但是這就要求燈具必須有足夠的散熱面積，從而增加了燈具的體積。如果采用圖4風孔式對流的散熱方案，則可以適當縮小燈具的體積。目前正在實驗階段的還有采用風扇輔助風冷和毛細管水冷的方案，期待能很快地得以應用。
　　3.2 改善光強不足和增大發散角
　　現介紹一下三種改善方式：可以使用凸透鏡來束縛光線的發散，從而增強光照強度。將發光二極管放在透鏡的焦點附近，可以大大利用光強，以達到目的射程；可以用多個LED聚集在一起，形成簇狀以增加光強。
　　另外是LED發光角度問題。航標燈要求的是全方位的發散角度，即是360度的發散角，但是LED的發散角是單側180度發光。因此只有使用多個LED結合光學系統設計才能滿足航標燈的要求。目前采用的技術路線是旋轉式動態LED航標燈或小功率芯片進行緊密排布。但是旋轉式的需要額外的功耗用于系統的選裝，因此能量利用率較低。而隨著LED光效的提高，所需要的芯片必然不斷減少，密排結構無法相應地減少所需要的功率，造成光能的大量浪費。現在有一種新型的設計方案，它利用了側準直原理設計的航標燈能夠使用于航標方面。這種設計主要考慮了光學方面的排布。單科LED能形成120度的均勻分布，可以將三個芯片成120度均勻放置，也可以將6個呈60度放置。這兩種排布均可以實現360度的照明（如圖5）。
　　3.3 如何能延長LED航標燈的使用壽命
　　上文提到了LED的壽命問題，當然它的壽命長這是公認的一個事實，可長達數十萬小時。但是如果不合理使用，勢必會對它的壽命造成影響，特別是像航標這樣的發光器件，工作條件極其惡劣，更是加劇了其衰老速度。這就使怎么合理使用及維護顯得更加重要。從以下幾點著手可以在一定程度上緩解其衰老速度。
　　3.3.1 可靠性設計。要在導航領域中大量使用大功率白光LED，只有保證大功率白光LED驅動電源安全可靠地工作，才能保證大功率白光LED的長壽命和發光亮度穩定。
　　3.3.2 過壓過流保護。在實際使用中會出現負載短路或者空載的情況，會造成整個驅動電源的破壞，所以在驅動電源設計的時候需要增加過壓與過流保護。
　　3.3.3 隔離保護。LED是低電壓的產品，當驅動電源的開關損壞時，也不能有危及負載的高電壓出現。所以要求電路的負載電路做到隔離保護。
　　3.3.4 浪涌保護。在實際應用中，電網很不穩定，尤其是雷雨季節。會有浪涌電壓存在，所以在驅動電源設計時要考慮到整個產品的防雷，盡量避免在異常時造成永久性的破壞。
　　3.3.5 散熱設計。在大功率KED 應用中，LED能承受的電流與溫度有一定的關系，所以在驅動電源設計時需要考慮大功率白光LED的散熱問題和驅動電源本身的散熱問題。
　　3.3.6 諧波小。開關穩壓電源的缺點是存在較為嚴重的開關干擾，這些干擾如果不采取一定的措施進行抑制、消除和屏蔽就會嚴重地影響整機的正常工作。此外，由于開關穩壓電源振蕩器沒有工頻變壓器的隔離，這些干擾就會躥入工頻電網使附近的其他電子儀器、設備和家用電器受到嚴重的干擾。
　　3.4 如何設計能減小背景光對航標燈光的影響
　　增強對導標的識別能力是不容小視的技術問題。有些港口靠近市中心，導標背景燈光較亂，以及導標的視覺條件較差。特別是晚上的導標燈受到各種大小、密度不一的照明燈光的干擾，在海上很難找對目標，直接影響了導標的導航效果，影響了航行的安全。
　　為了能在陸上眾多的燈光里方便找到導標，對這個課題筆者進行了分析研究。因為背景的其他燈光再多、再亮，但它的排列也是雜亂無章的，而且導標的串燈無論怎樣提高它的亮度也無法與背景燈光來抗衡，所以只有將串燈做成一定形狀，而且上下排列有序地排成光帶，使其能夠明顯地區別于背景的其他發光源。這樣就能使在海上航行的船舶能夠從雜亂的背景燈中明顯地分辨出導航燈。
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　　（責任編輯：陳喜