LED光源在大型航標燈器的應用

何瑞冠

摘 要：針對大型航標燈器的特點，分析了大型航標燈器使用LED光源的可行性，提出了需要解決的主要問題和解決方案。通過對PRB-21大型航標燈器LED改造，驗證LED光源應用在大型航標燈器方案可行性。

關(guān)鍵詞：LED光源 大型航標燈燈器 LED改造

從20世紀中葉問世，LED光源以自身單色高效、長壽命和功耗小的優(yōu)點，在20世紀末開始航標領(lǐng)域得到廣泛應用。目前，海口航標處燈浮標和燈樁LED光源覆蓋率為100%，但大型航標燈器中LED光源的覆蓋率較低。

1.大型航標燈器光源要求及使用LED光源的可行性

大型航標燈器，指設(shè)置在燈塔中的航標燈器，射程大于15海里，位于孤島、半島或與陸地相連的島嶼，也有部分燈塔位于水中。由于大型航標燈器射程要求高，因此需要提供更高的光強。根據(jù)《JT/T 761-2009 航標燈通用技術(shù)條件》要求，各類航標燈50%峰值光強處的垂直發(fā)散角，使用中心焦點平面菲涅爾透鏡航標燈時，垂直發(fā)散角大于等于1.4°。因此，大型航標燈器光源經(jīng)由透鏡折射后須滿足此要求。根據(jù)《JT/T 730-2008 航標燈光強測量和燈光射程計算》要求，在大氣透明度T=0.74的條件下，航標燈的有效光強應滿足射程要求。

1.1大型航標燈器光源應該具備的特點

1.1.1單色顏色要求

我國《GB 12708-91 航標燈光信號顏色》規(guī)定了航標燈光信號顏色及色度范圍。大型航標燈器的光源色度需要滿足要求，才能夠在航標燈器中使用。現(xiàn)在所用的白熾燈光源通過色罩實現(xiàn)，會產(chǎn)生大量光強損耗。LED光源單色光的特點具有獨特的優(yōu)勢。

1.1.2高光強要求

大型航標燈器的光源能夠產(chǎn)生較高的有效光強，才能夠滿足射程的要求。目前單顆大功率LED光源無法產(chǎn)生滿足要求的有效光強，因此一般使用白熾燈或鹵鎢燈作為光源，這些光源穩(wěn)定可靠，且能夠產(chǎn)生較高的有效光強。在高光強要求中，單顆LED光源不具備優(yōu)勢。

1.1.3長壽命要求

由于航標燈器穩(wěn)定可靠的要求，需要長壽命的光源保證航標燈器正常運轉(zhuǎn)。白熾燈泡和鹵鎢燈泡的壽命約1萬小時，射程要求較高燈泡的壽命約2000小時。LED光源的壽命在正常工作條件下，可達10萬小時左右。

目前大部分大型航標燈器依然使用白熾燈泡或鹵鎢燈泡作為燈器光源，除了傳統(tǒng)燈泡能夠滿足高光強的要求外，燈器透鏡也是需要解決的難題。

1.2使用LED光源的可行性

LED的單色優(yōu)勢、長壽命特點，使得LED具有替代傳統(tǒng)白熾燈泡的優(yōu)勢。同時低功耗和無熱慣性優(yōu)點，使LED勢必取代傳統(tǒng)白熾燈泡，成為大型旋轉(zhuǎn)燈器的光源。低功耗可以大大降低燈塔能耗，使太陽能給燈塔供電成為可能。無熱慣性的LED光源發(fā)光上升時間為0.5ms，避免了傳統(tǒng)白熾燈泡需要較長發(fā)光上升時間，更適于大型航標燈器。

2.LED光源應用在大型航標燈器中需要解決的問題

根據(jù)大型航標燈器光源的要求，使用LED作為大型航標燈器的光源，需要解決以下問題：

（1）滿足射程要求是首要問題。因現(xiàn)有技術(shù)限制，單個LED光源功率無法達到射程要求。大功率LED可以達到1W，2W，甚至數(shù)十瓦，但單個大功率LED仍無法滿足旋轉(zhuǎn)燈器射程要求。因此將多個大功率LED組合成光源陣列的是解決該問題的最好辦法。LED組合光源有兩種實現(xiàn)方式：一是單個光源和單個透鏡組成的光源單元組合陣列而成；二是LED光源陣列組成光源，通過透鏡實現(xiàn)航標燈器照明。

（2）LED供電是核心問題。LED屬于半導體器件，為保證其正常工作需采用恒流源供電。燈塔供電多采用市電和蓄電池供電，很難提供恒流源，所以為了使大功率LED可以穩(wěn)定高效工作，需設(shè)計專用的大功率LED恒流驅(qū)動電路。

（3）光源散熱是關(guān)鍵問題。LED光源發(fā)出的光線中不含有紅外光，因此其光線不會產(chǎn)生熱量，但是在電光轉(zhuǎn)換過程中，LED仍會產(chǎn)生大量熱量，若將LED應用于旋轉(zhuǎn)燈器，需要解決散熱問題。大功率LED功率大，亮度高，其產(chǎn)生的熱量也很高，如果不解決散熱問題，會縮短LED的壽命。

（4）配套透鏡研制也是需要解決的一個問題。光源發(fā)出的光以光源為中心發(fā)散，為使光線按照設(shè)計方向發(fā)出，需要設(shè)計旋轉(zhuǎn)燈器專用透鏡，保證燈器射程達到旋轉(zhuǎn)燈器射程要求。

3.LED光源在大型航標燈器上的應用實踐

根據(jù)LED在大型航標中應用的解決方案，我處對一臺老舊的PRB-21型航標燈器進行LED技術(shù)改造，采取相應措施解決了關(guān)鍵問題。

通過光源陣列實現(xiàn)射程要求。選用最大功率為10W的單顆LED作為燈器光源，配套菲涅爾透鏡組成光源單元，采用LED光源單元陣列代替原燈器光源陣列的方式，實現(xiàn)航標燈器有效光強疊加。保證改造后的PRB-21航標燈器射程不低于原燈器射程，即25海里（T=0.74）。舊燈器如圖1所示。

LED供電部分采用高驅(qū)動電流升降壓型恒流驅(qū)動集成電路實現(xiàn)。其內(nèi)部集成4A MOSFET驅(qū)動管，輸入電壓3-42V，最大電流4A，具有調(diào)光功能。該芯片提供0-60V輸出電流調(diào)節(jié)并具有LED短路保護和SHIRTLED標記。同時芯片可調(diào)頻率：200KHz至3MHz，并可同步至一個外部時鐘。

LED散熱采用鋁合金光源外殼進行散熱。設(shè)計鋁合金光源外殼，安裝光源和光學透鏡，保證LED光源位于光學透鏡的焦點上，組成LED光源單元。LED光源焊接在鋁基板上，將鋁基板用導熱硅脂固定在鋁合金光源外殼底部，LED工作時產(chǎn)生的熱量傳導給鋁合金光源外殼，通過散熱面積較大的光源外殼進行散熱。如圖2所示。

研制與選定LED光源配套的菲涅爾透鏡解決光學問題。根據(jù)所選光源特性，研制滿足航標行業(yè)要求的透鏡，與所選LED相配套。經(jīng)國家燈具質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心檢測，所研制的光學單元垂直發(fā)散角為1.5°，峰值光強為361565cd，滿足設(shè)計要求。

經(jīng)LED光源改造后的PRB-21燈器（如圖3所示）工作穩(wěn)定，運轉(zhuǎn)正常。改造后主燈功率由原來9.6KW變?yōu)?08W，為原來功率的4.25%；輔燈功率由原來的456W變?yōu)?36W，為原來功率的29.8%。使用LED光源的PRB-21燈器最大射程為27.8海里（T=0.74），大于原來燈器射程。

4.LED光源應用在大型航標燈器結(jié)論與展望

對PRB-21大型航標燈器的LED改造表明，使用LED光源作為大型航標燈器的光源完全可行，能夠在保證射程的同時大大降低大型航標燈器的功耗。同時，使用LED光源可實現(xiàn)航標燈器功率調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)航標燈器可變射程，這一點對進一步做好導助航服務(wù)具有現(xiàn)實意義。

為了達到設(shè)計射程，需要多個LED光源陣列實現(xiàn)，從而造成大型航標燈器結(jié)構(gòu)龐大。隨著大功率LED技術(shù)的進步，更大功率LED光源會實現(xiàn)更高有效光強，可以實現(xiàn)少量LED光源陣列達到設(shè)計射程。

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