摘　要：通過對大功率LED在航標(biāo)設(shè)計應(yīng)用中遇到的實際問題的詳細分析，結(jié)合LED領(lǐng)域的技術(shù)現(xiàn)狀和行業(yè)特性，討論了LED航標(biāo)設(shè)計時亟待解決的系列問題。具體應(yīng)用中，應(yīng)在思路上大膽創(chuàng)新，除了提高發(fā)光效率外，在光學(xué)特性和結(jié)構(gòu)方面也要多加考慮，這樣才能從根本上解決實際問題，從而克服制約LED應(yīng)用和發(fā)展的瓶頸，推動LED照明產(chǎn)業(yè)更加繁榮。
　　關(guān)鍵詞：航標(biāo)燈；LED；設(shè)計缺陷
　　中圖分類號：F55　　文獻標(biāo)志碼：A　　文章編號：1000-8772（2012）11-0156-03
　　自古以來，航標(biāo)燈所使用的光源，從最初的煤油燈、乙炔氣燈直到現(xiàn)在的白熾燈。它的演變過程隨著人類文明的進步、科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而同步進行。隨著科技的進步，一種新型的發(fā)光體——半導(dǎo)體器件（LED 發(fā)光二極管）應(yīng)運而生，并將逐漸被應(yīng)用于路燈照明以及各種交通信號等方面。當(dāng)然LED的應(yīng)用也擴展到航標(biāo)上面，但是還沒有普及，本文就其推廣所面臨的技術(shù)問題展開探討，并給出一些簡單的解決方法，以期能夠拋磚引玉，為LED航標(biāo)燈的發(fā)展及推廣起到積極的作用。
　　1 發(fā)光二極管的基本發(fā)光原理
　　發(fā)光二極管是由p型和n型半導(dǎo)體組成的二極管（見圖1）。在LED的p - n 結(jié)附近，n型材料中多數(shù)載流子是電子，p 型材料中多數(shù)載流子是空穴。p-n結(jié)上未加電壓時構(gòu)成一定的勢壘，當(dāng)加正向偏壓時，在外電場作用下，p區(qū)的空穴和 n 區(qū)的電子就對方擴散運動，構(gòu)成少數(shù)載流子的注入，從而在p-n結(jié)附近產(chǎn)生導(dǎo)帶電子和價帶空穴的復(fù)合，同時釋放出相對應(yīng)的能量hν（h 為普朗克常數(shù)，ν為光子頻率）而發(fā)光。該能量相當(dāng)于半導(dǎo)體材料的帶隙能量 Eg（Ev），其與發(fā)光波長λ（nm）的關(guān)系為λ= 1239.6 Eg。因此，只要有理想的半導(dǎo)體材料就可以制成各種光色的LED。
　　半導(dǎo)體材料的發(fā)光機理決定了單一LED 芯片不可能發(fā)出連續(xù)光譜的白光，必須以其他的方式合成白光。表 1 表示了白光LED 的發(fā)光原理和類型。目前產(chǎn)生白光的方式有兩種：一是用單色光激發(fā)熒光粉發(fā)出其他顏色的光，最終混合成白光，即單芯片型；二是采用將幾種發(fā)不同色光的芯片封在一起，構(gòu)成發(fā)白光的LED，即多芯片型。
　　單芯片型結(jié)構(gòu)又可分為三種：（1）將藍色 LED InGaN 芯片與釔鋁石榴石（YAG）熒光粉組合成二基色白光LED，或由InGaN（藍光峰值430nm或470nm）與紅色（650 nm） 和綠色（540 nm） 熒光粉組成三基色白光LED；（2）利用藍色ZnSe為基體制成芯片與襯基發(fā)出的黃光復(fù)合成白光；（3）用 InGaN LED發(fā)出的紫外光激勵三基色熒光粉發(fā)出白光。而對于多芯片型，直接將紅、綠、藍三種顏色的LED 芯片組成一組，實現(xiàn)白光。
　　2 大功率LED航標(biāo)燈的應(yīng)用現(xiàn)狀和優(yōu)勢
　　2.1 現(xiàn)狀
　　當(dāng)今各大航標(biāo)局所用的航標(biāo)大部分是白熾燈和Frensel透鏡構(gòu)成的航標(biāo)。當(dāng)然白熾燈的優(yōu)點在于它的發(fā)光角度是360度發(fā)光，不會出現(xiàn)光照死角，便于全角度照明。而且由于LED燈的發(fā)光角度小，亮度不夠等因素的影響，導(dǎo)致LED航標(biāo)燈的推廣受到了技術(shù)瓶頸的約束。只有在局部地域才使用LED航標(biāo)，而且是試用階段，技術(shù)上不成熟，很難大規(guī)模地進行推廣。
　　2.2 LED航標(biāo)燈的優(yōu)勢
　　LED燈是一種替代光源，其主要優(yōu)點有以下幾點：單色、高效，壽命長、平均無故障時間高，功耗小，適合與太陽能設(shè)備配套使用。
　　2.2.1 單色、高效。眾所周知，白熾燈發(fā)出的是白光，為了產(chǎn)生紅、綠、黃三種顏色，我們必須采用紅色、綠色或黃色透鏡，這樣一來，將產(chǎn)生80%、80%和40%的光損失，即對100CD的白光而言，分別加上紅、綠色和黃色三種透鏡后，其光源光強僅為20CD、20CD和60CD。而LED的光色由制作的半導(dǎo)體材料決定，它直接發(fā)出有色光，而且與透鏡折射出的光相比，光色純正、醒目。
　　2.2.2 壽命長、平均無故障時間高。LED是一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，壽命時間可達10萬小時。在浮標(biāo)上應(yīng)用可大大降低更換電池次數(shù)和巡檢次數(shù)，減輕海上作業(yè)人員的海上維修、補給作業(yè)強度，提高航標(biāo)的正常率和維修正常率，為航標(biāo)的維護管理帶來巨大的經(jīng)濟效益。
　　2.2.3 功耗小，適合與太陽能配套。目前的LED已經(jīng)做到，與白熾燈的左右相比提高了4～10倍，特別是超高亮度LED，光效更是提高了20～50倍，這樣，產(chǎn)生同樣的光所需的電功耗大大降低。
　　2.2.4 無熱慣性，切換速度快。而LED的發(fā)光時間為Ns級，因而我們完全可以選用0.25S以下甚至0.1S的時間，而不論發(fā)光負載的總功率是多少。
　　3 LED航標(biāo)燈使用時經(jīng)常遇到的技術(shù)難題以及解決辦法
　　LED是一種非線性半導(dǎo)體器件，它具有工作狀態(tài)、發(fā)光強度易受環(huán)境溫度等因素的影響，使用要求也較高等缺點，使用不當(dāng)容易損壞。以下就LED的發(fā)光特點以及航標(biāo)燈的特點論述在使用時應(yīng)注意的幾個問題。
　　3.1 航標(biāo)燈的散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計
　　由于 LED 的發(fā)光效率隨著 LED 溫度的升高而下降，所以散熱是 LED 路燈需要重點解決的問題之一。LED 航標(biāo)燈亮度要求高、發(fā)熱量大，并且戶外的使用環(huán)境本身比較苛刻，如果散熱不良會直接導(dǎo)致LED 快速老化，穩(wěn)定性降低，除了需要LED 本身具有好的散熱結(jié)構(gòu)外，應(yīng)該將路燈的殼體做為散熱的重要渠道。一般設(shè)計時將散熱面位于側(cè)上面且加散熱鰭片（如圖2和圖3的結(jié)構(gòu)） 。這樣有利于空氣的自然對流散熱。但是這就要求燈具必須有足夠的散熱面積，從而增加了燈具的體積。如果采用圖4風(fēng)孔式對流的散熱方案，則可以適當(dāng)縮小燈具的體積。目前正在實驗階段的還有采用風(fēng)扇輔助風(fēng)冷和毛細管水冷的方案，期待能很快地得以應(yīng)用。
　　3.2 改善光強不足和增大發(fā)散角
　　現(xiàn)介紹一下三種改善方式：可以使用凸透鏡來束縛光線的發(fā)散，從而增強光照強度。將發(fā)光二極管放在透鏡的焦點附近，可以大大利用光強，以達到目的射程；可以用多個LED聚集在一起，形成簇狀以增加光強。
　　另外是LED發(fā)光角度問題。航標(biāo)燈要求的是全方位的發(fā)散角度，即是360度的發(fā)散角，但是LED的發(fā)散角是單側(cè)180度發(fā)光。因此只有使用多個LED結(jié)合光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計才能滿足航標(biāo)燈的要求。目前采用的技術(shù)路線是旋轉(zhuǎn)式動態(tài)LED航標(biāo)燈或小功率芯片進行緊密排布。但是旋轉(zhuǎn)式的需要額外的功耗用于系統(tǒng)的選裝，因此能量利用率較低。而隨著LED光效的提高，所需要的芯片必然不斷減少，密排結(jié)構(gòu)無法相應(yīng)地減少所需要的功率，造成光能的大量浪費?，F(xiàn)在有一種新型的設(shè)計方案，它利用了側(cè)準(zhǔn)直原理設(shè)計的航標(biāo)燈能夠使用于航標(biāo)方面。這種設(shè)計主要考慮了光學(xué)方面的排布。單科LED能形成120度的均勻分布，可以將三個芯片成120度均勻放置，也可以將6個呈60度放置。這兩種排布均可以實現(xiàn)360度的照明（如圖5）。
　　3.3 如何能延長LED航標(biāo)燈的使用壽命
　　上文提到了LED的壽命問題，當(dāng)然它的壽命長這是公認的一個事實，可長達數(shù)十萬小時。但是如果不合理使用，勢必會對它的壽命造成影響，特別是像航標(biāo)這樣的發(fā)光器件，工作條件極其惡劣，更是加劇了其衰老速度。這就使怎么合理使用及維護顯得更加重要。從以下幾點著手可以在一定程度上緩解其衰老速度。
　　3.3.1 可靠性設(shè)計。要在導(dǎo)航領(lǐng)域中大量使用大功率白光LED，只有保證大功率白光LED驅(qū)動電源安全可靠地工作，才能保證大功率白光LED的長壽命和發(fā)光亮度穩(wěn)定。
　　3.3.2 過壓過流保護。在實際使用中會出現(xiàn)負載短路或者空載的情況，會造成整個驅(qū)動電源的破壞，所以在驅(qū)動電源設(shè)計的時候需要增加過壓與過流保護。
　　3.3.3 隔離保護。LED是低電壓的產(chǎn)品，當(dāng)驅(qū)動電源的開關(guān)損壞時，也不能有危及負載的高電壓出現(xiàn)。所以要求電路的負載電路做到隔離保護。
　　3.3.4 浪涌保護。在實際應(yīng)用中，電網(wǎng)很不穩(wěn)定，尤其是雷雨季節(jié)。會有浪涌電壓存在，所以在驅(qū)動電源設(shè)計時要考慮到整個產(chǎn)品的防雷，盡量避免在異常時造成永久性的破壞。
　　3.3.5 散熱設(shè)計。在大功率KED 應(yīng)用中，LED能承受的電流與溫度有一定的關(guān)系，所以在驅(qū)動電源設(shè)計時需要考慮大功率白光LED的散熱問題和驅(qū)動電源本身的散熱問題。
　　3.3.6 諧波小。開關(guān)穩(wěn)壓電源的缺點是存在較為嚴重的開關(guān)干擾，這些干擾如果不采取一定的措施進行抑制、消除和屏蔽就會嚴重地影響整機的正常工作。此外，由于開關(guān)穩(wěn)壓電源振蕩器沒有工頻變壓器的隔離，這些干擾就會躥入工頻電網(wǎng)使附近的其他電子儀器、設(shè)備和家用電器受到嚴重的干擾。
　　3.4 如何設(shè)計能減小背景光對航標(biāo)燈光的影響
　　增強對導(dǎo)標(biāo)的識別能力是不容小視的技術(shù)問題。有些港口靠近市中心，導(dǎo)標(biāo)背景燈光較亂，以及導(dǎo)標(biāo)的視覺條件較差。特別是晚上的導(dǎo)標(biāo)燈受到各種大小、密度不一的照明燈光的干擾，在海上很難找對目標(biāo)，直接影響了導(dǎo)標(biāo)的導(dǎo)航效果，影響了航行的安全。
　　為了能在陸上眾多的燈光里方便找到導(dǎo)標(biāo)，對這個課題筆者進行了分析研究。因為背景的其他燈光再多、再亮，但它的排列也是雜亂無章的，而且導(dǎo)標(biāo)的串燈無論怎樣提高它的亮度也無法與背景燈光來抗衡，所以只有將串燈做成一定形狀，而且上下排列有序地排成光帶，使其能夠明顯地區(qū)別于背景的其他發(fā)光源。這樣就能使在海上航行的船舶能夠從雜亂的背景燈中明顯地分辨出導(dǎo)航燈。
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　?。ㄘ?zé)任編輯：陳喜