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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