關于應急照明裝置燈組的技術探討

陳曉龍，宋永杰，宣紫程，李海波

（1.天津水利電力機電研究所，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

我國地理氣候條件復雜，自然災害發生頻繁，許多突發事件也時有發生，應急搶險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，許多重大事故應急救援得不到及時有效的救助，從而間接造成重大的人員傷亡和人民財產損失。因此，在應急救援工作中，夜間應急救援照明是搶救人民生命財產的有力保障。然而，在我國，遠程大功率照明裝置的缺乏成為應急救援中的一個重要短板，故提升應急救援照明水平迫在眉睫?；诖?，本文對我國遠程大功率照明裝置研究及產業現狀進行綜述分析，并提出應急照明設備高效能化、高質量化及智能化的改進對策。

1 現狀

當前，在照明行業中用于現場照明的大功率照明設備，主要采用的是高壓短弧氙燈（以下簡稱“氙燈”）。通?，F有的照明設備由4～6 盞氙燈組合而成，每盞功率達5～7 kW，平均一套設備的總功率達到20～42 kW，耗能量巨大，不利于在機動設備上搭載。為了保證氙燈盡可能達到更大的光通量輸出，氙燈必須工作在超高壓狀態（1 MPa 以上），燈泡殼的表面溫度高達800 ℃左右，在惡劣環境中會產生一定的安全隱患。對于其壽命方面，一般來說，其平均壽命可達500 h 以上，依據國家相關標準規定氙燈的平均壽命如表1 所示。

表1 氙燈的平均壽命

2 技術發展

隨著科學技術的進步，發光二極管（Light Emitting Diode，LED）半導體全固態發光器件逐漸興起，并大量應用在大功率照明領域。和傳統的照明光源不同的是，LED 光源由于具有節約能源、體積小、使用時間長、耐沖擊、可靠性高、響應速度快等不容忽視的優點，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行電氣連接的LED 封裝技術。通過這種技術，可以實現在一個很小的區域內封裝幾十甚至上百個芯片，大量的小的點光源，最后形成面光源。與點光源封裝相比，COB 面光源封裝技術具有價格低、空間小、發光率高、封裝工藝成熟等優點。

3 目前的局限性

3.1 散熱

對于大功率COB 封裝，散熱是影響其壽命和工作可靠性的至關重要的因素。若LED 燈具散熱效果不好，則在工作中會產生一系列不良變化：

一方面，當結溫升高時，溫度對LED 壽命的影響是指數衰減速度進行衰減的。在結溫為50℃時，LED 的壽命預計會達到20 000 h；當結溫升高到75 ℃時，LED 使用壽命將會降至10 000 h；當結溫升高到100 ℃時，LED 使用壽命降會降至5 000 h。由此可知，當結溫升高2 倍時，LED 的使用壽命降至原來的1/4，LED 使用壽命極大的受結溫的影響；另一方面，芯片內部溫度過高所產生的熱應力將破壞芯片的內部結構。

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

3.2 光學設計

由于LED 獨特的空間光強分布，需要通過光學設計對光源的光線進行重新分布，對于大功率COB光源，由于它們發光尺寸較大，不能作為點光源來處理。由光源模型的配光曲線可知，光源在未經過任何配光之前遵循朗伯體發光，光源發散角為180°，其光強分布滿足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案例。國內，黃曉園等提出的基于透鏡-反射罩的大功率COB 光源實現窄光束方案，利用菲涅爾透鏡實現光源的準直，半強度角控制在10°左右，但由于出光口處的發散角較大，出光效率不是很理想。

4 對策

針對以上分析大功率COB 光源的局限性，開發研制一款高效能、高質量及智能化的應急照明設備。針對水利行業應急救援需要大功率、高亮度的需求，開發研制了能夠組裝成應急移動照明車的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，將分別從以下幾點來進行全方面的介紹。

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，歷經多次實驗，并且對芯片性能進行全面評估，從而最終獲得最佳光效及散熱性的組合。同時，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計研發的新型復合金屬基板，相比鋁基板具有更低的熱阻性和更優良的散熱性能。

4.2 散熱器

大功率 COB 燈具首要是解決快速散熱來達到高光效、防光衰、延長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構，外觀簡潔大方。艙內設計散熱緩沖平臺，有快速導熱鰭片連接到燈頭表面，形成360°輻射散熱。其余熱量則通過導熱鰭片擴散到空艙中，加熱散熱艙中的空氣，增大內部氣壓。在壓力差的作用下，散熱艙通過排氣孔和進氣口與外界產生氣流，在流動的空氣中帶走熱量。在散熱艙中，隨著溫差變化，增強氣流強度，實現自主式散熱。

4.3 光學設計

COB 照明燈組的燈具的光學系統設計，在整個燈具開發設計中極為重要。由于目前大功率COB的發光角度受限，半光強角度最大不超過140°。如果遵循以往方法，簡單地匯集COB 光源來做燈具照明，則無法真正發揮LED 冷光源的優勢。考慮光所具有的特性，采用二次光學設計法，利用反光罩作為基本控光部件，通過對反光罩的幾何形狀、尺寸精密設計，再采用特殊反射材料，盡可能地將中心的強光向外側發散，將140°～180°的側光向內側收攏利用，從而把光束角控制在10°左右，達到高光通量輸出的目的。

本方案照明燈組經過配光設計與實際檢測，在100 m 距離，照度為20 lux 以上范圍直徑達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

通過現場實際測試，在200 m 距離，直徑100 m范圍內，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，可用車載電腦或無線移動終端對照明設備進行控制，采用電力載波智能控制技術，控制電路與供電線路共用電纜，無需單獨敷設控制電纜，增加可靠性，同時達到降低材料成本、節能環保的目的。

根據實際的災情環境，可以提供不同的燈光需要，每盞燈具都可獨立開啟或關閉，可在0～100%亮度之間實現無極調光。同時，控制系統也預留了其他設備的搭載端口，包括環境監測設備、監控設備、移動AP 發射器等，把第一線的災情實時傳輸給指揮中心，從而有利于應急搶險工作的開展。

5 結論

本方案設計的COB 照明燈組，能夠有效解決目前市場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，提高應用的靈活性，且無需配備大功率發電機，具有功率小、能效高、壽命長、控制方便可靠、防護等級高等優點。適合水利、公路、鐵路、礦山等行業的應急照明選用，在需要大功率、高亮度的照明場所，如：體育場、碼頭、景區、抗洪搶險現場、施工現場、人員搜救等場所尤為適用。本方案研制開發的COB 照明燈組在各種應急搶險救援場所將發揮其巨大的作用。