軌道車廂用半導(dǎo)體照明系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)的思考

摘 要:當(dāng)前城市軌道交通的照明系統(tǒng)多使用傳統(tǒng)的燈泡和熒光燈等，存在著效率不高，能耗大等問題，并不能滿足軌道交通震動和高溫等復(fù)雜惡劣環(huán)境的需求。LED作為新興的照明技術(shù)可以解決這些問題。本文分析了LED應(yīng)用于軌道交通的難點并探討了將LED應(yīng)用于軌道交通的關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞:二次光學(xué)設(shè)計LED成組驅(qū)動

中圖分類號:TM594文獻(xiàn)標(biāo)識碼:Ａ文章編號:1674-098X(2011)05(c)-0064-01

1 現(xiàn)階段軌道交通照明系統(tǒng)的問題

新世紀(jì)以來中國城市化進(jìn)程不斷加快，城市人口和交通壓力不斷增大，促使越來越多的城市興建地鐵。隨著地鐵輕軌的不斷發(fā)展，制約其內(nèi)部的半導(dǎo)體照明系統(tǒng)的瓶頸凸顯:傳統(tǒng)的燈泡和熒光燈效率不高，能耗大，已經(jīng)越來越不能適應(yīng)軌道交通發(fā)展的需要和節(jié)能降耗的要求;并且由于軌道車廂的高速行駛，廂體有強(qiáng)烈的震動，照明燈具需要經(jīng)常工作在震動和高溫等復(fù)雜惡劣的環(huán)境下，這也使得缺乏技術(shù)含量的熒光燈等普通照明不能有效的抵擋競爭，失去了技術(shù)優(yōu)勢。

2 LED應(yīng)用于軌道交通的難點

LED燈具因受到發(fā)光源方向性的限制，以及其發(fā)光源太小且數(shù)量眾多，最大光強(qiáng)值在15°以內(nèi)，以致光線大部分只是向燈具下端界面照射，難以達(dá)到理想的蝙蝠翼形配光的要求，不能完全覆蓋相鄰二燈之間的暗區(qū)，給人造成一種眩光的感覺。這種情況在輕軌車廂和船舶封閉、狹窄的環(huán)境中更甚，因此需對LED燈具進(jìn)行二次光學(xué)設(shè)計，建立LED精確的光學(xué)模型，以獲得燈具的最佳有效光效。輕軌車廂經(jīng)常處于高速運(yùn)營的狀態(tài)下，這對于LED照明燈具的長壽命化和抗震性提出很高要求。

3 LED應(yīng)用于軌道交通的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 建立精確的光學(xué)模型，進(jìn)行二次光學(xué)設(shè)計，獲得燈具的最佳有效光效

在使用LED照明燈具時，整個系統(tǒng)的出光效果、光強(qiáng)、色溫的分布狀況也必須進(jìn)行設(shè)計，把器件發(fā)出的光線集中到期望的照明區(qū)域內(nèi)，從而讓整個LED照明系統(tǒng)能夠滿足設(shè)計的需要，這稱為二次光學(xué)設(shè)計。

基于LED的二次配光設(shè)計，對最終的照明器件和產(chǎn)品的性能起著至關(guān)重要的作用。第一，部分光線未能達(dá)到有效的照明范圍從而導(dǎo)致能量的損失，需要使用大數(shù)值孔徑的光學(xué)系統(tǒng)對光線進(jìn)行匯聚，進(jìn)一步提高光能利用率;第二，封裝之后，像面照度分布均勻性達(dá)不到設(shè)計要求，難以在每一點的照度值都大于要求的最低照度值，這都需要對LED進(jìn)行二次配光設(shè)計。傳統(tǒng)的成像光學(xué)強(qiáng)調(diào)的是能否在像面上成像以及成像質(zhì)量如何，成像系統(tǒng)的評價面是與物面共扼的像面，可以用點列圖、波像差、傳遞函數(shù)等像質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行評價，如果物面是自身發(fā)光的或者被均勻照明，只要成像系統(tǒng)的像質(zhì)足夠好，像面上各點的照度就反映了物面上各共扼點的照度，從而得到物的共扼像。但照明系統(tǒng)與成像系統(tǒng)不同之處在于評價面通常不是光源的像面，適用于成像系統(tǒng)的點列圖、波像差、傳遞函數(shù)等評價方法不再適用，而非成像光學(xué)更強(qiáng)調(diào)光能的傳輸效率以及光能的分配，即收集更多的光能并在指定照明區(qū)域達(dá)到一定的均勻性要求，因此對于LED的二次配光設(shè)計應(yīng)該使用非成像光學(xué)設(shè)計。

而Zemax軟件擁有多種優(yōu)化設(shè)計方法，不僅可以對系統(tǒng)預(yù)定義的評價函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，而且為用戶提供了開放的二次開發(fā)環(huán)境，用戶可以用系統(tǒng)提供的宏語言編寫自定義的評價函數(shù)，這使用戶不僅可以利用該軟件對成像系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，而且可以在建立照明均勻性物理模型的基礎(chǔ)上，找出照明均勻性與光線路徑的關(guān)系，使編寫自定義評價函數(shù)對非成像系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計成為可能，提高設(shè)計效率。這種方法可以對給定LED產(chǎn)品，進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)的準(zhǔn)確設(shè)計，實現(xiàn)圓形光斑和橢圓光斑的均勻照明，達(dá)到在輕軌車廂和船舶艙內(nèi)良好的照明效果

3.2 LED成組驅(qū)動及控制技術(shù)

LED成組驅(qū)動數(shù)字化技術(shù)是未來LED照明系統(tǒng)發(fā)展的方向，因為其有著靈活的控制性能，更加穩(wěn)定的系統(tǒng)輸出，并且可以防止系統(tǒng)老化等諸多優(yōu)勢。數(shù)字化驅(qū)動技術(shù)以其特有的優(yōu)點，可以為LED燈具提供高可靠、高性能的驅(qū)動。

輕軌車廂的LED照明系統(tǒng)采用LED成組驅(qū)動系統(tǒng)，它包括PC機(jī)接口、主控制器、若干驅(qū)動器、雙芯總線及用于照明功能和參數(shù)設(shè)置的專用管理軟件。系統(tǒng)通過PC機(jī)的專用管理軟件，對LED照明燈具亮、閃、關(guān)等功能及參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。主控制器根據(jù)相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置對驅(qū)動器發(fā)布控制命令以實現(xiàn)LED照明的脫機(jī)控制。控制指令數(shù)據(jù)由電壓信號的脈寬來表示，由總線串行傳輸。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制方法系統(tǒng)采用主從控制方式，包括一個主控制器、若干驅(qū)動器和PC接口。主從式控制器采用總線連接，主控制器接入220V交流電，通過變換向主模塊供電，并通過總線向驅(qū)動器供電。總線采用全兩線制方式，承擔(dān)雙重作用，一方面?zhèn)鬟f控制信號，一方面向驅(qū)動器供電。主模塊通過向驅(qū)動器的地址發(fā)布命令來實現(xiàn)對其的控制。具有單一地址和成組地址兩種形式，景觀效果通過主模塊向各驅(qū)動器發(fā)布地址命令和成組地址命令來實現(xiàn)。通過這種控制方式，利用PC機(jī)能夠很容易實現(xiàn)LED照明系統(tǒng)的在線方案調(diào)整，達(dá)到柔性控制。

驅(qū)動器負(fù)責(zé)接收主控制器通過總線發(fā)來的控制信號，程序?qū)邮盏降男盘枅?zhí)行相應(yīng)的動作，通過負(fù)載驅(qū)動電路，使LED照明燈執(zhí)行相應(yīng)的動作。其中包括電源電路、MCU及外圍電路、負(fù)載驅(qū)動電路。主控制器每條總線可以控制128/256個驅(qū)動器，一個主控制器最多可以接8條總線，這樣做的目的是為了便于實現(xiàn)較復(fù)雜的控制方案。

3.3 散熱技術(shù)

目前一般的LED燈具使用壽命僅為5萬小時，這不僅成為了制約其廣泛民用化的步伐，更成為了制約其應(yīng)用于輕軌車廂的瓶頸。關(guān)乎LED壽命的主要問題是因為散熱不佳，導(dǎo)致PN結(jié)溫度過高，影響到芯片的壽命。功率型LED燈具散熱效率提高的技術(shù)，如采用新型材料水晶玻璃替代傳統(tǒng)的環(huán)氧樹脂用作LED的封裝材料，以提高LED的發(fā)光效率，降低PN結(jié)工作溫度，增加壽命;其次，采用鋁質(zhì)撓曲基板等作為LED的基板材料，不僅可以減少封裝應(yīng)力，使燈具的抗震性能提高，也可以大大提高燈具的散熱性能。

4 結(jié)語

本文提出了以非成像光學(xué)的設(shè)計方法進(jìn)行LED二次光學(xué)設(shè)計，采用新型的封裝材料和基板材料等關(guān)鍵技術(shù)來解決將LED應(yīng)用于軌道交通照明系統(tǒng)所存在的問題。這些問題的解決將極大促進(jìn)LED的普遍應(yīng)用，提高照明效果，節(jié)約能耗，有利于節(jié)約型社會的構(gòu)建。

參考文獻(xiàn)

[1]毛興武.新一代綠色光源LED及其應(yīng)用技術(shù)[M].人民郵電出版社，2008，1.

[2]陳元燈，陳宇.LED制造技術(shù)與應(yīng)用[M].電子工業(yè)出版社，2009，10.