隨著LED技術(shù)的快速發(fā)展,，在國內(nèi)的許多城市，道路照明已經(jīng)不乏LED路燈的身影,。尤其是大功率LED器件的光效超過100lm/W以后,，LED路燈作為道路照明的發(fā)展趨勢已經(jīng)得到普遍認(rèn)同。
2009年,，國內(nèi)幾個(gè)城市分別組織了LED道路照明產(chǎn)品的評估測試工作,，大多數(shù)LED路燈產(chǎn)品在配光曲線、系統(tǒng)光效等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)方面進(jìn)步顯著,，在道路照明標(biāo)準(zhǔn)的符合性,、節(jié)能效果等方面已經(jīng)達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的要求。
盡管LED路燈技術(shù)水平的發(fā)展較快,，但是大多數(shù)LED路燈廠商在產(chǎn)品研發(fā)過程中忽略了在寒地應(yīng)用環(huán)境下的特殊技術(shù)要求,。一個(gè)普遍的錯(cuò)誤認(rèn)識是，LED在寒冷地區(qū)應(yīng)用有利于散熱,，不容易發(fā)生故障,。殊不知，寒冷應(yīng)用環(huán)境下,，對LED路燈有著更為嚴(yán)格的技術(shù)要求,，主要有以下兩個(gè)方面：
(1)寒冷地區(qū)氣溫較低，且溫差大，驟變的冷熱沖擊和長期低溫工作對于器件有著更為嚴(yán)格的質(zhì)量要求,。
(2)在寒冷地區(qū)應(yīng)用的LED路燈必須要考慮防止冰凌凝結(jié)的預(yù)防措施,。
鑒于上述原因，LED路燈在寒冷地區(qū)的推廣應(yīng)用,，需要解決以下幾個(gè)方面的關(guān)鍵技術(shù)問題,。
冷熱沖擊的溫度變化可能引起LED器件的失效
由于LED芯片封裝后，屬于固態(tài)的實(shí)心器件,，存在著芯片,、硅膠(或樹脂)、金屬支架以及引線之間膨脹系數(shù)的失配現(xiàn)象,，加上寒冷地區(qū)溫差較大的冷熱沖擊的影響,，會使硅膠在溫度變化的過程中膨脹和收縮加劇，器件內(nèi)部應(yīng)力過大,，這將導(dǎo)致LED引線鍵合點(diǎn)位移增大,，引線過早疲勞和損壞。同時(shí)也會使原本鍵合狀態(tài)較差的焊點(diǎn)出現(xiàn)脫焊的可能,，而造成焊球和芯片電極脫焊的現(xiàn)象,，甚至使LED芯片出現(xiàn)分層脫落的失效現(xiàn)象,。
一盞LED路燈應(yīng)用的LED器件多達(dá)上百顆,，通常采用以串聯(lián)為主的混聯(lián)組態(tài)方式，如果一顆LED發(fā)生故障,，將會引起多顆LED連帶失效,，因此應(yīng)用在寒冷地區(qū)的LED路燈首先要根據(jù)特定使用環(huán)境下的燈具溫度變化特性，設(shè)置合理的超聲功率,、鍵合壓力,、鍵合時(shí)間及鍵合溫度等封裝工藝參數(shù)，保證每一顆LED器件在低溫運(yùn)行環(huán)境下的可靠性,。
LED驅(qū)動裝置低溫運(yùn)行的可靠性保障
另一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)在于LED路燈驅(qū)動裝置在低溫運(yùn)行環(huán)境下的可靠性問題,。目前大多數(shù)LED路燈驅(qū)動電源在寒地低溫環(huán)境下表現(xiàn)出不同類型的水土不服現(xiàn)象，較為突出的表征是低溫?zé)o法正常啟動和長期低溫運(yùn)行環(huán)境下的失效率較高現(xiàn)象,。上述問題出現(xiàn)的主要原因在于,，驅(qū)動電源在設(shè)計(jì)階段的器件選型沒有考慮低溫工作狀態(tài)的可靠性，部分關(guān)鍵元器件低溫環(huán)境下的特性發(fā)生變化,，造成驅(qū)動裝置無法低溫啟動或正常運(yùn)行,，引發(fā)故障的具體原因主要有以下幾方面：
(1)開關(guān)管在低溫條件下載流子的密度和活性都會降低，過載保護(hù)的啟動點(diǎn)也會因此降低,。
(2)電解電容電解液在低溫下凍結(jié),，失去電容效應(yīng)(溶液中的離子此時(shí)只存在離子極化)，無帶載能力。
(3)部分類型的光藕器件在低溫狀態(tài)下無法正常工作,。
(4)輸入端防止浪涌電流的熱敏電阻,，在低溫下阻值變大(是常溫的3~5倍)，也會造成低溫?zé)o法正常啟動,。
上述問題的解決途徑主要是從選擇溫度特性更好的器件入手,。例如，不是所有的電解電容都無法在低溫下工作,，一般來講,，200V以上的電解電容耐低溫特性較差，而160V以下的電解電容基本都能夠在-40℃環(huán)境正常工作,，只要選用兩個(gè)低壓電解串連使用就可以解決問題,。器件選型的調(diào)整可能會略微提高驅(qū)動裝置的成本，但是從LED路燈的整體成本來看可以忽略不計(jì),，考慮到提高可靠性和降低維護(hù)成本的因素,，這種設(shè)計(jì)調(diào)整是非常必要和劃算的。
LED路燈冰凌凝結(jié)危害的防護(hù)措施
路燈在寒冷地區(qū)推廣應(yīng)用非常容易被忽視的一個(gè)問題就是由于冰雪在燈具表面堆積,，受熱融化后形成的冰凌,，冰凌一旦形成，則會對車輛和行人產(chǎn)生非常大的安全隱患,。尤其是LED路燈,，由于燈具殼體普遍采用鋁材，表面的氧化鋁屬于親水性材料,，更容易產(chǎn)生冰凌凝結(jié),。2008年，我國南方大范圍雪災(zāi),，造成鋁制表面高壓導(dǎo)線大量冰凌凝結(jié),，壓塌損毀大量電力設(shè)施。這一災(zāi)害惡果不僅是氣候造成的,，氧化鋁表面的高壓線纜屬于親水性材料也是一個(gè)重要誘因,。由于影響到道路交通的安全，因此防止冰凌凝結(jié)是LED路燈在寒冷地區(qū)應(yīng)用必須考慮到的安全措施,。
為了解決這一關(guān)鍵技術(shù),，我們通過對覆冰體表面進(jìn)行顯微成像分析，分析了水在物體表面結(jié)冰,，以及冰在物體表面可以牢固附著的原因,。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，僅僅采用疏水性能優(yōu)異的材料,，防止冰凌凝結(jié)的效果并不理想,，甚至水在某些材料表面可以凍得非常的結(jié)實(shí),。測試結(jié)果表明：冰可以附著在任何物體表面上;物體表面上的裂縫和凹陷，是冰可以牢固地粘附在物體表面上的另一個(gè)主要原因;單純疏水性能好的材料,，可以延緩結(jié)冰的過程,，卻無法阻止冰的形成。
為了更為準(zhǔn)確地對比不同材料間防止冰凌凝結(jié)的能力,，我們從不同角度深入研究了不同物件的表面結(jié)構(gòu),、表面物性與覆冰的內(nèi)在關(guān)系，包括：結(jié)構(gòu)外形與覆冰,、結(jié)構(gòu)材質(zhì)與覆冰,、表面光潔度與覆冰、表面剛?cè)嵝耘c覆冰,。研究結(jié)果表明：外形結(jié)構(gòu)簡單,、組織結(jié)構(gòu)緊密、表面防水,、疏水性能優(yōu)異的構(gòu)件,，就不容易發(fā)生冰凌凝結(jié)。
以此試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),，我們連續(xù)2年在冬季設(shè)立了不同外觀和外殼材料的LED路燈,，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：凡是燈具外觀圓滑、光潔,、平整的;沒有冰雪或水積存承載結(jié)構(gòu)的,；表面材料具備優(yōu)異疏水性能的LED路燈就不會產(chǎn)生冰凌凝結(jié)。
我國寒冷地區(qū)大多處于高緯度地域,，氣候寒冷,、溫差較大,，因此對LED道路照明產(chǎn)品的應(yīng)用帶來了新的挑戰(zhàn),。另一方面，大多數(shù)寒冷地區(qū)年平均每天的照明時(shí)間長于國內(nèi)平均水平,，故照明耗電也高于國內(nèi)平均水平,，因此晝短夜長的地域特點(diǎn)帶來了更多的LED照明應(yīng)用需求?？傊?，既有挑戰(zhàn)又有機(jī)遇。
