LED光源在大型航標(biāo)燈器的應(yīng)用

何瑞冠

摘 要：針對(duì)大型航標(biāo)燈器的特點(diǎn)，分析了大型航標(biāo)燈器使用LED光源的可行性，提出了需要解決的主要問(wèn)題和解決方案。通過(guò)對(duì)PRB-21大型航標(biāo)燈器LED改造，驗(yàn)證LED光源應(yīng)用在大型航標(biāo)燈器方案可行性。

關(guān)鍵詞：LED光源 大型航標(biāo)燈燈器 LED改造

從20世紀(jì)中葉問(wèn)世，LED光源以自身單色高效、長(zhǎng)壽命和功耗小的優(yōu)點(diǎn)，在20世紀(jì)末開始航標(biāo)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。目前，?？诤綐?biāo)處燈浮標(biāo)和燈樁LED光源覆蓋率為100%，但大型航標(biāo)燈器中LED光源的覆蓋率較低。

1.大型航標(biāo)燈器光源要求及使用LED光源的可行性

大型航標(biāo)燈器，指設(shè)置在燈塔中的航標(biāo)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(biāo)燈器射程要求高，因此需要提供更高的光強(qiáng)。根據(jù)《JT/T 761-2009 航標(biāo)燈通用技術(shù)條件》要求，各類航標(biāo)燈50%峰值光強(qiáng)處的垂直發(fā)散角，使用中心焦點(diǎn)平面菲涅爾透鏡航標(biāo)燈時(shí)，垂直發(fā)散角大于等于1.4°。因此，大型航標(biāo)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(biāo)燈光強(qiáng)測(cè)量和燈光射程計(jì)算》要求，在大氣透明度T=0.74的條件下，航標(biāo)燈的有效光強(qiáng)應(yīng)滿足射程要求。

1.1大型航標(biāo)燈器光源應(yīng)該具備的特點(diǎn)

1.1.1單色顏色要求

我國(guó)《GB 12708-91 航標(biāo)燈光信號(hào)顏色》規(guī)定了航標(biāo)燈光信號(hào)顏色及色度范圍。大型航標(biāo)燈器的光源色度需要滿足要求，才能夠在航標(biāo)燈器中使用?，F(xiàn)在所用的白熾燈光源通過(guò)色罩實(shí)現(xiàn)，會(huì)產(chǎn)生大量光強(qiáng)損耗。LED光源單色光的特點(diǎn)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

1.1.2高光強(qiáng)要求

大型航標(biāo)燈器的光源能夠產(chǎn)生較高的有效光強(qiáng)，才能夠滿足射程的要求。目前單顆大功率LED光源無(wú)法產(chǎn)生滿足要求的有效光強(qiáng)，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(qiáng)。在高光強(qiáng)要求中，單顆LED光源不具備優(yōu)勢(shì)。

1.1.3長(zhǎng)壽命要求

由于航標(biāo)燈器穩(wěn)定可靠的要求，需要長(zhǎng)壽命的光源保證航標(biāo)燈器正常運(yùn)轉(zhuǎn)。白熾燈泡和鹵鎢燈泡的壽命約1萬(wàn)小時(shí)，射程要求較高燈泡的壽命約2000小時(shí)。LED光源的壽命在正常工作條件下，可達(dá)10萬(wàn)小時(shí)左右。

目前大部分大型航標(biāo)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(qiáng)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(shì)、長(zhǎng)壽命特點(diǎn)，使得LED具有替代傳統(tǒng)白熾燈泡的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)低功耗和無(wú)熱慣性優(yōu)點(diǎn)，使LED勢(shì)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(yáng)能給燈塔供電成為可能。無(wú)熱慣性的LED光源發(fā)光上升時(shí)間為0.5ms，避免了傳統(tǒng)白熾燈泡需要較長(zhǎng)發(fā)光上升時(shí)間，更適于大型航標(biāo)燈器。

2.LED光源應(yīng)用在大型航標(biāo)燈器中需要解決的問(wèn)題

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

（1）滿足射程要求是首要問(wèn)題。因現(xiàn)有技術(shù)限制，單個(gè)LED光源功率無(wú)法達(dá)到射程要求。大功率LED可以達(dá)到1W，2W，甚至數(shù)十瓦，但單個(gè)大功率LED仍無(wú)法滿足旋轉(zhuǎn)燈器射程要求。因此將多個(gè)大功率LED組合成光源陣列的是解決該問(wèn)題的最好辦法。LED組合光源有兩種實(shí)現(xiàn)方式：一是單個(gè)光源和單個(gè)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(guò)透鏡實(shí)現(xiàn)航標(biāo)燈器照明。

（2）LED供電是核心問(wèn)題。LED屬于半導(dǎo)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(jì)專用的大功率LED恒流驅(qū)動(dòng)電路。

（3）光源散熱是關(guān)鍵問(wèn)題。LED光源發(fā)出的光線中不含有紅外光，因此其光線不會(huì)產(chǎn)生熱量，但是在電光轉(zhuǎn)換過(guò)程中，LED仍會(huì)產(chǎn)生大量熱量，若將LED應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)燈器，需要解決散熱問(wèn)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(wèn)題，會(huì)縮短LED的壽命。

（4）配套透鏡研制也是需要解決的一個(gè)問(wèn)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(jì)方向發(fā)出，需要設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)燈器專用透鏡，保證燈器射程達(dá)到旋轉(zhuǎn)燈器射程要求。

3.LED光源在大型航標(biāo)燈器上的應(yīng)用實(shí)踐

根據(jù)LED在大型航標(biāo)中應(yīng)用的解決方案，我處對(duì)一臺(tái)老舊的PRB-21型航標(biāo)燈器進(jìn)行LED技術(shù)改造，采取相應(yīng)措施解決了關(guān)鍵問(wèn)題。

通過(guò)光源陣列實(shí)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(shí)現(xiàn)航標(biāo)燈器有效光強(qiáng)疊加。保證改造后的PRB-21航標(biāo)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(dòng)電流升降壓型恒流驅(qū)動(dòng)集成電路實(shí)現(xiàn)。其內(nèi)部集成4A MOSFET驅(qū)動(dòng)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(hù)和SHIRTLED標(biāo)記。同時(shí)芯片可調(diào)頻率：200KHz至3MHz，并可同步至一個(gè)外部時(shí)鐘。

LED散熱采用鋁合金光源外殼進(jìn)行散熱。設(shè)計(jì)鋁合金光源外殼，安裝光源和光學(xué)透鏡，保證LED光源位于光學(xué)透鏡的焦點(diǎn)上，組成LED光源單元。LED光源焊接在鋁基板上，將鋁基板用導(dǎo)熱硅脂固定在鋁合金光源外殼底部，LED工作時(shí)產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)給鋁合金光源外殼，通過(guò)散熱面積較大的光源外殼進(jìn)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(xué)問(wèn)題。根據(jù)所選光源特性，研制滿足航標(biāo)行業(yè)要求的透鏡，與所選LED相配套。經(jīng)國(guó)家燈具質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心檢測(cè)，所研制的光學(xué)單元垂直發(fā)散角為1.5°，峰值光強(qiáng)為361565cd，滿足設(shè)計(jì)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(yùn)轉(zhuǎn)正常。改造后主燈功率由原來(lái)9.6KW變?yōu)?08W，為原來(lái)功率的4.25%；輔燈功率由原來(lái)的456W變?yōu)?36W，為原來(lái)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(lái)燈器射程。

4.LED光源應(yīng)用在大型航標(biāo)燈器結(jié)論與展望

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

為了達(dá)到設(shè)計(jì)射程，需要多個(gè)LED光源陣列實(shí)現(xiàn)，從而造成大型航標(biāo)燈器結(jié)構(gòu)龐大。隨著大功率LED技術(shù)的進(jìn)步，更大功率LED光源會(huì)實(shí)現(xiàn)更高有效光強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)少量LED光源陣列達(dá)到設(shè)計(jì)射程。

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