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發光二極管廣告燈箱在軌道交通區間的應用

文字:[大][中][小] 2019-3-18    瀏覽次數:395    
摘要:通過對軌道交通區間LED(發光二極管)光源燈箱技術在廣州地鐵的應用研究,從多角度闡述使用LED發光體的燈箱取代傳統的熒光燈管發光體燈箱的可行性。重點解決光衰與散熱、配光、電源驅動等相關問題,使LED燈箱在結構、表面照度、使用壽命上都優于傳統熒光燈箱指標,從而達到比傳統燈箱節能效果更好的目標,以滿足LED光源燈箱在軌道交通區間的使用要求。

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  由于軌道交通區間環境的特殊性,對于安裝在燈箱中的光源應考慮經濟性、安全性和可靠性。隨著國家對節約能源和廢棄光源的環保處置等要求提高,采用熒光燈管將面臨高耗電低收益和社會環保效益的雙重影響,因此采用新型節能、環保的光源來取代這種傳統的光源勢在必行。
  2存在的問題軌道交通區間廣告燈箱使用環境要求:相對濕度小于95%,軌行區溫度為5℃~40℃,燈箱正常工作時溫度不得高于50℃;每天工作19h,每周7天連續工作,傳統燈箱光源的使用壽命較短。為達到燈箱節能的效果及提高燈箱的安全性及可靠性,目前最有前途取代傳統熒光燈管作為光源的燈箱是使用LED(發光二極管)光源的燈箱。
  LED光源目前存在成本較高以及因散熱不良導致光衰較快等問題,因此,采用LED作為光源的燈箱需主要解決LED光衰與光源散熱、燈箱配光、驅動電源,以及經濟效益等方面的問題。
  3LED光源燈箱優勢分析1)壽命長:LED光源是一種新型的電光源,其工作原理完全不同于現有其它電光源產品,其光電轉換機理是電子-空穴對復合發光,屬于冷光源類型(非電極加熱發光)。LED光源結構簡單,發光體為實心合金體,加之其體積非常小、單只LED功率小、發熱不明顯,且無火患問題,其光源壽命與電極材料無明顯關系,因此其壽命超長。LED使用壽命明顯高于熒光燈管,對于減少維護成本具有很大的價值。
  2)LED體積微小,發熱量較熒光燈管小,可有效節約燈箱空間,同時可創造全封閉的防塵空間以提高整體燈箱的壽命。
  3)由于LED是平面型發光體,其光效高達120lm/W,遠高于普通熒光燈的70lm/W以及T5燈管的100lm/W,使LED燈箱總體的光效更高。
  4)LED具有通過可調節光強度達到節能的能力,可根據照明強度需求進行無極調控,達到節能的目的。
  5)普通熒光燈管最理想光效的工作溫度為36℃,而要保證在區間使用的封閉燈箱內滿足這個溫度是無法實現的。實際上封閉空間的燈箱溫度會在50℃左右。而在這個溫度下的熱量如不釋放將會降低燈管使用壽命。因此常見的傳統燈箱會在外殼鉆孔散熱。而鉆孔后的燈箱因為有孔洞,靜電粉塵及軌道鐵屑就會直接進入燈箱,使燈箱的透光板、勻光板、燈源、反射面等覆蓋大量不易清潔的粉塵,長期下來影響出光效率;同時造成燈箱表面亮度下降、散熱不良、電器故障等,增加維修保養費用。而采用LED光源的燈箱,由于LED光源屬于冷光源,只要合理設計光源發熱-散熱結構,箱體內空氣溫升非常低,不需要依靠內部空氣與外界空氣交換來增加散熱,因此無需在燈箱外殼鉆孔,從而使燈箱內表面不會覆蓋靜電粉塵,提高光效及降低維護保養費用。此外LED為固態光源,具有較強的抗震性能,適合在軌道交通區間運營環境中使用。
  4解決方案4.1LED燈箱光衰及光源散熱解決光衰問題首先采用高品質的LED顆粒,如選擇國際知名廠家科瑞、歐司朗、GE(通用電氣)等廠家LED芯片作為光源;其次由于LED光源其光效、壽命與溫升的關系非常緊密。合理的工作溫度可以保證LED光源使用6萬h。圖1所示為LED結點溫度與光通量輸出衰減的時間曲線。當LED結點溫度為65℃時,光衰到80%時的時間為6萬h左右。
  圖1LED結點溫度與光通量輸出衰減的時間曲線把芯片的結點溫度控制到60℃左右時,LED光通的輸出在95%左右。要讓結點溫度保持在60℃左右,即在最高環境溫度40℃時容許LED的工作溫升20℃。圖2所示為芯片結點溫度與相對光輸出曲線。
  圖2芯片結點溫度與相對光輸出曲線因此重點要解決LED在燈箱內工作時的散熱方式問題,以保證LED光源在設定條件下的正常溫升不足以加速其老化并減少壽命。
  解決方案是采用低熱阻的散熱通道和大面積的散熱表面來實現散熱:將光源安裝到燈箱背板上,燈箱背板采用高導熱率的鋁合金板;正面固定安裝鋁基電路板的LED光源,反面為裸露于空氣中的鋁合金翼片,增加了背板強度也加大了散熱面積(LED光源可利用的散熱表面可達300mm2)。由于LED光源的散熱依靠箱體背板,因此實現了全封閉的內箱體,既很好地解決了散熱問題又使燈箱達到IP54的防護等級;同時,光源安裝與燈箱背板一體化設計,簡化了光源的安裝結構設計。
  經檢測,當環境溫度為40℃時,箱內空氣溫度≤48℃,LED基座(熱沉)溫度≤53℃,外殼與LED最近點(背板)溫度≤47℃,符合預期要求。
  4.2燈箱配光LED光源由于是點光源,對于廣告燈箱要求均勻布光的特性在技術上是其弱項。LED光源一般為150°出射光,發射角較大,其出光面的效率比較高。
  可充分利用LED的此發光特性,使LED光源燈箱達到T5管表面同等亮度水平。但其光源出光面離漫射板的距離越近,則板面上的光斑效應越明顯,均勻度也明顯下降。因此在選用LED光源時,通過等距離測試不同出光角度的LED,選用在漫射板上達到同等光學效果。而距漫射板最近光源的出射光配光方式為最理想的燈箱用配光方式(見圖3)。
  選擇合理的配光曲線可以使燈箱獲得最大的表面亮度,而且還有利于減少燈箱厚度。在多種配光方案中,選出歐司朗公司的一種光源及配光方案實現了所需的LED光源配光要求。圖4為光源的出光方式符合環狀蝙蝠翼配光曲線。
  圖3漫射板LED均勻度效果圖圖4環狀蝙蝠翼配光曲線經檢測LED燈箱漫射板表面照度≥4300lx,與T5型熒光燈燈箱(4200lx)表面計量照度相當;板面均勻度指標為89.2%,滿足板面均勻度≥85%要求;總箱體厚度≤250mm。
  4.3驅動電源LED標準的驅動電源為直流350mA,波動±5%,且應滿足3C(中國強制性產品認證)或CE(歐洲統一)等主流認證機構的性能測試要求;在燈箱內部安裝,其工作溫度不得影響燈箱整體溫升。
  解決方案:選用電子開關電源,應用PWM(脈寬調制)控制技術的動態功率調整電路實現了直流350mA輸出精度偏差±5%指標;電源工作溫升≤70℃,符合燈箱整體溫升要求;燈箱電流總諧波≤10%,電源效率≥80%,電子鎮流器功率因數≥0.95。其技術性能達到CE電磁兼容及安全性能檢測要求,提高了LED光源的穩定性,使用時不會對地鐵的通信信號造成干擾。
  5經濟效益比較5.1成本分析現以廣州軌道交通2號線1113個12封T5型軌行區熒光燈箱的維護材料成本、初期投入及年耗電費用作為基礎數據,與相同數量的軌行區LED燈箱進行了系統推算,得出表1~表3統計數據。
  5.2經濟效益測算(以單套燈箱測算)①LED燈箱比T5型燈箱增加的初期成本為20100元-19000元=1100元②LED燈箱比T5型燈箱的年節電費為2570.84元-2103.93元=466.91元③LED燈箱增加的成本部分的貸款投入(含投資利息成本,按目前5年貸款基準利率6.4%計算)為1100(1+6.4%)=1170.4元④投資回收年限=LED燈箱初期增加投資的成本(含利息)÷(LED燈箱年電費+LED燈箱年度維護成本)≈2.26年綜上所述,雖然LED燈箱初期增加了投資,但同時也節省了年度耗電費用,以及年度維護材料成本。經過估算,單套LED燈箱約在2.26年內能夠收回投資,具有較好的經濟效益。
  由于T型熒光燈管的光效基本維持在100lm/W,較難提高,同時目前國家對環境保護、節能減排的要求越來越嚴,因此選用LED作為節能照明光源具有很大的潛力。從技術的發展來看,LED技術還處于上升的黃金期。近年LED的光效以25%增長,其光效提升、價格下降的空間非常大,前景十分廣闊。LED光效的不斷提升,不但可以降低LED成本的投入,還可以進一步降低LED燈箱的功耗,相比傳統燈箱節能比更高。

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  參考文獻
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本文由 合肥燈箱制作 整理編輯。

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