關(guān)于應(yīng)急照明裝置燈組的技術(shù)探討

陳曉龍，宋永杰，宣紫程，李海波

（1.天津水利電力機(jī)電研究所，天津301900；2.廣東玖星光能低碳科技有限公司，廣東 惠州516000）

0 引言

我國(guó)地理氣候條件復(fù)雜，自然災(zāi)害發(fā)生頻繁，許多突發(fā)事件也時(shí)有發(fā)生，應(yīng)急搶險(xiǎn)救援工作顯得尤為重要。尤其在夜間，受照明條件制約，人的視野受到極大限制，許多重大事故應(yīng)急救援得不到及時(shí)有效的救助，從而間接造成重大的人員傷亡和人民財(cái)產(chǎn)損失。因此，在應(yīng)急救援工作中，夜間應(yīng)急救援照明是搶救人民生命財(cái)產(chǎn)的有力保障。然而，在我國(guó)，遠(yuǎn)程大功率照明裝置的缺乏成為應(yīng)急救援中的一個(gè)重要短板，故提升應(yīng)急救援照明水平迫在眉睫?；诖耍疚膶?duì)我國(guó)遠(yuǎn)程大功率照明裝置研究及產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀進(jìn)行綜述分析，并提出應(yīng)急照明設(shè)備高效能化、高質(zhì)量化及智能化的改進(jìn)對(duì)策。

1 現(xiàn)狀

當(dāng)前，在照明行業(yè)中用于現(xiàn)場(chǎng)照明的大功率照明設(shè)備，主要采用的是高壓短弧氙燈（以下簡(jiǎn)稱“氙燈”）。通?，F(xiàn)有的照明設(shè)備由4～6 盞氙燈組合而成，每盞功率達(dá)5～7 kW，平均一套設(shè)備的總功率達(dá)到20～42 kW，耗能量巨大，不利于在機(jī)動(dòng)設(shè)備上搭載。為了保證氙燈盡可能達(dá)到更大的光通量輸出，氙燈必須工作在超高壓狀態(tài)（1 MPa 以上），燈泡殼的表面溫度高達(dá)800 ℃左右，在惡劣環(huán)境中會(huì)產(chǎn)生一定的安全隱患。對(duì)于其壽命方面，一般來說，其平均壽命可達(dá)500 h 以上，依據(jù)國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定氙燈的平均壽命如表1 所示。

表1 氙燈的平均壽命

2 技術(shù)發(fā)展

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED）半導(dǎo)體全固態(tài)發(fā)光器件逐漸興起，并大量應(yīng)用在大功率照明領(lǐng)域。和傳統(tǒng)的照明光源不同的是，LED 光源由于具有節(jié)約能源、體積小、使用時(shí)間長(zhǎng)、耐沖擊、可靠性高、響應(yīng)速度快等不容忽視的優(yōu)點(diǎn)，是繼白熾燈、熒光燈和高壓氣體放電燈之后的又一代新型光源，被稱為綠色光源。

本文探討一種COB（Chip On Board）封裝形式的LED 大功率照明光源。COB 封裝是指將LED 芯片直接固定在印刷線路板（PCB）上，芯片與線路板間通過引線鍵合進(jìn)行電氣連接的LED 封裝技術(shù)。通過這種技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)在一個(gè)很小的區(qū)域內(nèi)封裝幾十甚至上百個(gè)芯片，大量的小的點(diǎn)光源，最后形成面光源。與點(diǎn)光源封裝相比，COB 面光源封裝技術(shù)具有價(jià)格低、空間小、發(fā)光率高、封裝工藝成熟等優(yōu)點(diǎn)。

3 目前的局限性

3.1 散熱

對(duì)于大功率COB 封裝，散熱是影響其壽命和工作可靠性的至關(guān)重要的因素。若LED 燈具散熱效果不好，則在工作中會(huì)產(chǎn)生一系列不良變化：

一方面，當(dāng)結(jié)溫升高時(shí)，溫度對(duì)LED 壽命的影響是指數(shù)衰減速度進(jìn)行衰減的。在結(jié)溫為50℃時(shí)，LED 的壽命預(yù)計(jì)會(huì)達(dá)到20 000 h；當(dāng)結(jié)溫升高到75 ℃時(shí)，LED 使用壽命將會(huì)降至10 000 h；當(dāng)結(jié)溫升高到100 ℃時(shí)，LED 使用壽命降會(huì)降至5 000 h。由此可知，當(dāng)結(jié)溫升高2 倍時(shí)，LED 的使用壽命降至原來的1/4，LED 使用壽命極大的受結(jié)溫的影響；另一方面，芯片內(nèi)部溫度過高所產(chǎn)生的熱應(yīng)力將破壞芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

為了確保LED 器件正常工作，讓器件的結(jié)溫低于某一個(gè)確定的值Tj是很有必要的，理論上說，LED 芯片的結(jié)溫不能超過最大的允許溫度393.15 K，即120℃。目前，降低LED 結(jié)溫的可靠途徑有：①降低LED 本身的熱阻；②良好的二次散熱結(jié)構(gòu)；③減少LED 與二次散熱結(jié)構(gòu)安裝界面之間的熱阻；④降低環(huán)境溫度；⑤強(qiáng)制對(duì)流。

3.2 光學(xué)設(shè)計(jì)

由于LED 獨(dú)特的空間光強(qiáng)分布，需要通過光學(xué)設(shè)計(jì)對(duì)光源的光線進(jìn)行重新分布，對(duì)于大功率COB光源，由于它們發(fā)光尺寸較大，不能作為點(diǎn)光源來處理。由光源模型的配光曲線可知，光源在未經(jīng)過任何配光之前遵循朗伯體發(fā)光，光源發(fā)散角為180°，其光強(qiáng)分布滿足I（θ）=I0cosθ，式中θ為光線與光源法線的夾角，θ∈（0，π/2）。以尺寸半徑在7～19 mm的COB 光源為例，目前，還不能做到出光角小于10°并且有理想光效的相關(guān)案例。國(guó)內(nèi)，黃曉園等提出的基于透鏡-反射罩的大功率COB 光源實(shí)現(xiàn)窄光束方案，利用菲涅爾透鏡實(shí)現(xiàn)光源的準(zhǔn)直，半強(qiáng)度角控制在10°左右，但由于出光口處的發(fā)散角較大，出光效率不是很理想。

4 對(duì)策

針對(duì)以上分析大功率COB 光源的局限性，開發(fā)研制一款高效能、高質(zhì)量及智能化的應(yīng)急照明設(shè)備。針對(duì)水利行業(yè)應(yīng)急救援需要大功率、高亮度的需求，開發(fā)研制了能夠組裝成應(yīng)急移動(dòng)照明車的COB 智能照明燈組，這款照明燈組由9 盞300 W 的COB照明燈體組成，將分別從以下幾點(diǎn)來進(jìn)行全方面的介紹。

4.1 芯片

在芯片的選擇上，充分考慮芯片與熒光粉、封裝膠及基板的匹配性，歷經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)，并且對(duì)芯片性能進(jìn)行全面評(píng)估，從而最終獲得最佳光效及散熱性的組合。同時(shí)，考慮基板的散熱性，目前市面上常見的基板主要有兩大類：鋁基板和陶瓷基板。本方案的COB 照明燈體采用的基板為自主設(shè)計(jì)研發(fā)的新型復(fù)合金屬基板，相比鋁基板具有更低的熱阻性和更優(yōu)良的散熱性能。

4.2 散熱器

大功率 COB 燈具首要是解決快速散熱來達(dá)到高光效、防光衰、延長(zhǎng)COB 燈具使用壽命的目的，使其工作壽命能≥50 000 h。本方案COB 照明燈的燈頭和散熱器采用一體成型結(jié)構(gòu)，外觀簡(jiǎn)潔大方。艙內(nèi)設(shè)計(jì)散熱緩沖平臺(tái)，有快速導(dǎo)熱鰭片連接到燈頭表面，形成360°輻射散熱。其余熱量則通過導(dǎo)熱鰭片擴(kuò)散到空艙中，加熱散熱艙中的空氣，增大內(nèi)部氣壓。在壓力差的作用下，散熱艙通過排氣孔和進(jìn)氣口與外界產(chǎn)生氣流，在流動(dòng)的空氣中帶走熱量。在散熱艙中，隨著溫差變化，增強(qiáng)氣流強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)自主式散熱。

4.3 光學(xué)設(shè)計(jì)

COB 照明燈組的燈具的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在整個(gè)燈具開發(fā)設(shè)計(jì)中極為重要。由于目前大功率COB的發(fā)光角度受限，半光強(qiáng)角度最大不超過140°。如果遵循以往方法，簡(jiǎn)單地匯集COB 光源來做燈具照明，則無法真正發(fā)揮LED 冷光源的優(yōu)勢(shì)?？紤]光所具有的特性，采用二次光學(xué)設(shè)計(jì)法，利用反光罩作為基本控光部件，通過對(duì)反光罩的幾何形狀、尺寸精密設(shè)計(jì)，再采用特殊反射材料，盡可能地將中心的強(qiáng)光向外側(cè)發(fā)散，將140°～180°的側(cè)光向內(nèi)側(cè)收攏利用，從而把光束角控制在10°左右，達(dá)到高光通量輸出的目的。

本方案照明燈組經(jīng)過配光設(shè)計(jì)與實(shí)際檢測(cè)，在100 m 距離，照度為20 lux 以上范圍直徑達(dá)38.20 m，最大照度249 lux，配光效果如圖1 所示。

圖1 距離100 m 照度為20 lux 以上直徑范圍38.20 m

在200 m 距離，照度為20 lux 以上范圍直徑達(dá)50.38 m，最大照度63 lux，配光效果如圖2 所示。

圖1 距離200 m 照度為20 lux 以上直徑范圍50.38 m

通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試，在200 m 距離，直徑100 m范圍內(nèi)，平均照度在10 lux 以上，能夠滿足工程照明的需求。

4.4 智能控制

COB 照明燈組配有智能控制系統(tǒng)，可用車載電腦或無線移動(dòng)終端對(duì)照明設(shè)備進(jìn)行控制，采用電力載波智能控制技術(shù)，控制電路與供電線路共用電纜，無需單獨(dú)敷設(shè)控制電纜，增加可靠性，同時(shí)達(dá)到降低材料成本、節(jié)能環(huán)保的目的。

根據(jù)實(shí)際的災(zāi)情環(huán)境，可以提供不同的燈光需要，每盞燈具都可獨(dú)立開啟或關(guān)閉，可在0～100%亮度之間實(shí)現(xiàn)無極調(diào)光。同時(shí)，控制系統(tǒng)也預(yù)留了其他設(shè)備的搭載端口，包括環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備、移動(dòng)AP 發(fā)射器等，把第一線的災(zāi)情實(shí)時(shí)傳輸給指揮中心，從而有利于應(yīng)急搶險(xiǎn)工作的開展。

5 結(jié)論

本方案設(shè)計(jì)的COB 照明燈組，能夠有效解決目前市場(chǎng)上氙燈或其他氣體放電燈的功率大、損耗高、壽命短的缺陷。該燈組便于與專用車輛配合安裝，提高應(yīng)用的靈活性，且無需配備大功率發(fā)電機(jī)，具有功率小、能效高、壽命長(zhǎng)、控制方便可靠、防護(hù)等級(jí)高等優(yōu)點(diǎn)。適合水利、公路、鐵路、礦山等行業(yè)的應(yīng)急照明選用，在需要大功率、高亮度的照明場(chǎng)所，如：體育場(chǎng)、碼頭、景區(qū)、抗洪搶險(xiǎn)現(xiàn)場(chǎng)、施工現(xiàn)場(chǎng)、人員搜救等場(chǎng)所尤為適用。本方案研制開發(fā)的COB 照明燈組在各種應(yīng)急搶險(xiǎn)救援場(chǎng)所將發(fā)揮其巨大的作用。