LED在航标中应用

摘　要：通过对大功率LED在航标设计应用中遇到的实际问题的详细分析，结合LED领域的技术现状和行业特性，讨论了LED航标设计时亟待解决的系列问题。具体应用中，应在思路上大胆创新，除了提高发光效率外，在光学特性和结构方面也要多加考虑，这样才能从根本上解决实际问题，从而克服制约LED应用和发展的瓶颈，推动LED照明产业更加繁荣。
关键词：航标灯；LED；设计缺陷
1000-8772（2012）11-0156-03
自古以来，航标灯所使用的光源，从最初的煤油灯、乙炔气灯直到现在的白炽灯。它的演变过程随着人类文明的进步、科学技术的发展而同步进行。随着科技的进步，一种新型的发光体——半导体器件（LED 发光二极管）应运而生，并将逐渐被应用于路灯照明以及各种交通信号等方面。当然LED的应用也扩展到航标上面，但是还没有普及，本文就其推广所面临的技术问题展开探讨，并给出一些简单的解决方法，以期能够抛砖引玉，为LED航标灯的发展及推广起到积极的作用。

1 发光二极管的基本发光原理

发光二极管是由p型和n型半导体组成的二极管（见图1）。在LED的p - n 结附近，n型材料中多数载流子是电子，p 型材料中多数载流子是空穴。p-n结上未加电压时构成一定的势垒，当加正向偏压时，在外电场作用下，p区的空穴和 n 区的电子就对方扩散运动，构成少数载流子的注入，从而在p-n结附近产生导带电子和价带空穴的复合，同时释放出相对应的能量hν（h 为普朗克常数，ν为光子频率）而发光。该能量相当于半导体材料的带隙能量 Eg（Ev），其与发光波长λ（nm）的关系为λ= 1239.6 Eg。因此，只要有理想的半导体材料就可以制成各种光色的LED。
半导体材料的发光机理决定了单一LED 芯片不可能发出连续光谱的白光，必须以其他的方式合成白光。表 1 表示了白光LED 的发光原理和类型。目前产生白光的方式有两种：一是用单色光激发荧光粉发出其他颜色的光，最终混合成白光，即单芯片型；二是采用将几种发不同色光的芯片封在一起，构成发白光的LED，即多芯片型。
单芯片

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型结构又可分为三种：（1）将蓝色 LED InGaN 芯片与钇铝石榴石（YAG）荧光粉组合成二基色白光LED，或由InGaN（蓝光峰值430nm或470nm）与红色（650 nm） 和绿色（540 nm） 荧光粉组成三基色白光LED；（2）利用蓝色ZnSe为基体制成芯片与衬基发出的黄光复合成白光；（3）用 InGaN LED发出的紫外光激励三基色荧光粉发出白光。而对于多芯片型，直接将红、绿、蓝三种颜色的LED 芯片组成一组，实现白光。

2 大功率LED航标灯的应用现状和优势

2.1 现状

当今各大航标局所用的航标大部分是白炽灯和Frensel透镜构成的航标。当然白炽灯的优点在于它的发光角度是360度发光，不会出现光照死角，便于全角度照明。而且由于LED灯的发光角度小，亮度不够等因素的影响，导致LED航标灯的推广受到了技术瓶颈的约束。只有在局部地域才使用LED航标，而且是试用阶段，技术上不成熟，很难大规模地进行推广。

2.2 LED航标灯的优势

LED灯是一种替代光源，其主要优点有以下几点：单色、高效，寿命长、平均无故障时间高，功耗小，适合与太阳能设备配套使用。
2.2.1 单色、高效。众所周知，白炽灯发出的是白光，为了产生红、绿、黄三种颜色，我们必须采用红色、绿色或透镜，这样一来，将产生80%、80%和40%的光损失，即对100CD的白光而言，分别加上红、绿色和三种透镜后，其光源光强仅为20CD、20CD和60CD。而LED的光色由制作的半导体材料决定，它直接发出有色光，而且与透镜折射出的光相比，光色纯正、醒目。
2.2.2 寿命长、平均无故障时间高。LED是一种半导体发光器件，寿命时间可达10万小时。在浮标上应用可大大降低更换电池次数和巡检次数，减轻海上作业人员的海上维修、补给作业强度，提高航标的正常率和维修正常率，为航标的维护管理带来巨大的经济效益。
2.2.3 功耗小，适合与太阳能配套。目前的LED已经做到，与白炽灯的左右相比提高了4～10倍，特别是超高亮度LED，光效更是提高了20～50倍，这样，产生同样的光所需的电功耗大大降低。
2.2.4 无热惯性，切换速度快。而LED的发光时间为Ns级，因而我们完全可以选用0.25S以下甚至0.1S的时间，而不论发光负载的总功率是多少。

3 LED航标灯使用时经常遇到的技术难题以及解决办法

LED是一种非线性半导体器件，它具有工作状态、发光强度易受环境温度等因素的影响，使用要求也较高等缺点，使用不当容易损坏。以下就LED的发光特点以及航标灯的特点论述在使用时应注意的几个问题。

3.1 航标灯的散热结构的设计

由于 LED 的发光效率随着 LED 温度的升高而下降，所以散热是 LED 路灯需要重点解决的问题之一。LED 航标灯亮度要求高、发热量大，并且户外的使用环境本身比较苛刻，如果散热不良会直接导致LED 快速老化，稳定性降低，除了需要LED 本身具有好的散热结构外，应该将路灯的壳体做为散热的重要渠道。一般设计时将散热面位于侧上面且加散热鳍片（如图2和图3的结构） 。这样有利于空气的自然对流散热。但是这就要求灯具必须有足够的散热面积，从而增加了灯具的体积。如果采用图4风孔式对流的散热方案，则可以适当缩小灯具的体积。目前正在实验阶段的还有采用风扇辅助风冷和毛细管水冷的方案，期待能很快地得以应用。

3.2 改善光强不足和增大发散角

现介绍一下三种改善方式：可以使用凸透镜来束缚光线的发散，从而增强光照强度。将发光二极管放在透镜的焦点附近，可以大大利用光强，以达到目的射程；可以用多个LED聚集在一起，形成簇状以增加光强。另外是LED发光角度问题。航标灯要求的是全方位的发散角度，即是360度的发散角，但是LED的发散角是单侧180度发光。因此只有使用多个LED结合光学系统设计才能满足航标灯的要求。目前采用的技术路线是旋转式动态LED航标灯或小功率芯片进行紧密排布。但是旋转式的需要额外的功耗用于系统的选装，因此能量利用率较低。而随着LED光效的提高，所需要的芯片必然不断减少，密排结构无法相应地减少所需要的功率，造成光能的大量浪费。现在有一种新型的设计方案，它利用了侧准直原理设计的航标灯能够使用于航标方面。这种设计主要考虑了光学方面的排布。单科LED能形成120度的均匀分布，可以将三个芯片成120度均匀放置，也可以将6个呈60度放置。这两种排布均可以实现360度的照明（如图5）。

3.3 如何能延长LED航标灯的使用寿命

上文提到了LED的寿命问题，当然它的寿命长这是公认的一个事实，可长达数十万小时。但是如果不合理使用，势必会对它的寿命造成影响，特别是像航标这样的发光器件，工作条件极其恶劣，更是加剧了其衰老速度。这就使怎么合理使用及维护显得更加重要。从以下几点着手可以在一定程度上缓解其衰老速度。
3.3.1 可靠性设计。要在导航领域中大量使用大功率白光LED，只有保证大功率白光LED驱动电源安全可靠地工作，才能保证大功率白光LED的长寿命和发光亮度稳定。
3.3.2 过压过流保护。在实际使用中会出现负载短路或者空载的情况，会造成整个驱动电源的破坏，所以在驱动电源设计的时候需要增加过压与过流保护。
3.3.3 隔离保护。LED是低电压的产品，当驱动电源的开关损坏时，也不能有危及负载的高电压出现。所以要求电路的负载电路做到隔离保护。
3.3.4 浪涌保护。在实际应用中，电网很不稳定，尤其是雷雨季节。会有浪涌电压存在，所以在驱动电源设计时要考虑到整个产品的防雷，尽量避免在异常时造成永久性的破坏。
3.3.5 散热设计。在大功率KED 应用中，LED能承受的电流与温度有一定的关系，所以在驱动电源设计时需要考虑大功率白光LED的散热问题和驱动电源本身的散热问题。
3.3.6 谐波小。开关稳压电源的缺点是存在较为严重的开关干扰，这些干扰如果不采取一定的措施进行抑制、消除和屏蔽就会严重地影响整机的正常工作。此外，由于开关稳压电源振荡器没有工频变压器的隔离，这些干扰就会蹿入工频电网使附近的其他电子仪器、设备和家用电器受到严重的干扰。
3.4

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如何设计能减小背景光对航标灯光的影响
增强对导标的识别能力是不容小视的技术问题。有些港口靠近市中心，导标背景灯光较乱，以及导标的视觉条件较差。特别是晚上的导标灯受到各种大小、密度不一的照明灯光的干扰，在海上很难找对目标，直接影响了导标的导航效果，影响了航行的安全。
为了能在陆上众多的灯光里方便找到导标，对这个课题笔者进行了分析研究。因为背景的其他灯光再多、再亮，但它的排列也是杂乱无章的，而且导标的串灯无论怎样提高它的亮度也无法与背景灯光来抗衡，所以只有将串灯做成一定形状，而且上下排列有序地排成光带，使其能够明显地区别于背景的其他发光源。这样就能使在海上航行的船舶能够从杂乱的背景灯中明显地分辨出导航灯。
参考文献：
陈枫.LED在导标上的应用[G]//中国航海学会航标专业委员
会沿海航标学组2002年航标学术研讨文集，2002.
屠其非.LED航标灯光学系统设计[G]//中国长三角照明科技
论坛文集，2004.
[3] 王卢学.LED原理及照明时的应用[J].灯与照明，2006，（12）.
[4] 公文礼.大功率LED在照明灯具设计中需要解决的问题[J].
灯与照明，2008，（12）.
[5] 王霖.新型LED航标灯光学系统[J].光学工程，2007，（12）.
[6] 张涛.大功率LED路灯驱动电源的设计[J].灯与照明，2009，（3）.
（责任编辑：陈喜辉）