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行业动态

发光二极管广告灯箱在轨道交通区间的应用

文字:[大][中][小] 2019-3-18    浏览次数:414    
摘要:通过对轨道交通区间LED(发光二极管)光源灯箱技术在广州地铁的应用研究,从多角度阐述使用LED发光体的灯箱取代传统的荧光灯管发光体灯箱的可行性。重点解决光衰与散热、配光、电源驱动等相关问题,使LED灯箱在结构、表面照度、使用寿命上都优于传统荧光灯箱指标,从而达到比传统灯箱节能效果更好的目标,以满足LED光源灯箱在轨道交通区间的使用要求。

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新疆风采18选7       1GUIDAOJIAOTONGQUJIANGUANGGAODENGXIANGDEXIANZHUANGDITIECHEZHANGUIXINGQUDEGUANGGAODENGXIANGSHEZHIZAIZHANTAISUIDAONEIDECEQIANGSHANG,YOUYUSHEZHIDEWEIZHITESHU,YINCISHOULIECHEYUNXINGCHANSHENGDEZHENDONG、FENCHEN、GAOWENYIJICHAOSHIDENGYINSUDEYINGXIANGHENDA,WEIHUJIBAOYANGYEBIJIAOKUNNAN,ZAOCHENGDENGXIANGZHONGGUANGYUANDESHIYONGSHOUMINGJIAODUAN。MUQIAN,QUJIANDEDENGXIANGGUANGYUANRENGYANYONGCHANGGUIDEYINGGUANGDENGGUANJISHU。JUCESUAN,GUANGZHOUDITIEGUANGGAODENGXIANGYONGDENGGUANPINGJUNSHOUMINGWEI6000h,JIYINIANZHISHAOGENGHUANYICIDENGGUAN。

  由于轨道交通区间环境的特殊性,对于安装在灯箱中的光源应考虑经济性、安全性和可靠性。随着国家对节约能源和废弃光源的环保处置等要求提高,采用荧光灯管将面临高耗电低收益和社会环保效益的双重影响,因此采用新型节能、环保的光源来取代这种传统的光源势在必行。
  2存在的问题轨道交通区间广告灯箱使用环境要求:相对湿度小于95%,轨行区温度为5℃~40℃,灯箱正常工作时温度不得高于50℃;每天工作19h,每周7天连续工作,传统灯箱光源的使用寿命较短。为达到灯箱节能的效果及提高灯箱的安全性及可靠性,目前最有前途取代传统荧光灯管作为光源的灯箱是使用LED(发光二极管)光源的灯箱。
  LED光源目前存在成本较高以及因散热不良导致光衰较快等问题,因此,采用LED作为光源的灯箱需主要解决LED光衰与光源散热、灯箱配光、驱动电源,以及经济效益等方面的问题。
  3LED光源灯箱优势分析1)寿命长:LED光源是一种新型的电光源,其工作原理完全不同于现有其它电光源产品,其光电转换机理是电子-空穴对复合发光,属于冷光源类型(非电极加热发光)。LED光源结构简单,发光体为实心合金体,加之其体积非常小、单只LED功率小、发热不明显,且无火患问题,其光源寿命与电极材料无明显关系,因此其寿命超长。LED使用寿命明显高于荧光灯管,对于减少维护成本具有很大的价值。
  2)LED体积微小,发热量较荧光灯管小,可有效节约灯箱空间,同时可创造全封闭的防尘空间以提高整体灯箱的寿命。
  3)由于LED是平面型发光体,其光效高达120lm/W,远高于普通荧光灯的70lm/W以及T5灯管的100lm/W,使LED灯箱总体的光效更高。
  4)LED具有通过可调节光强度达到节能的能力,可根据照明强度需求进行无极调控,达到节能的目的。
  5)普通荧光灯管最理想光效的工作温度为36℃,而要保证在区间使用的封闭灯箱内满足这个温度是无法实现的。实际上封闭空间的灯箱温度会在50℃左右。而在这个温度下的热量如不释放将会降低灯管使用寿命。因此常见的传统灯箱会在外壳钻孔散热。而钻孔后的灯箱因为有孔洞,静电粉尘及轨道铁屑就会直接进入灯箱,使灯箱的透光板、匀光板、灯源、反射面等覆盖大量不易清洁的粉尘,长期下来影响出光效率;同时造成灯箱表面亮度下降、散热不良、电器故障等,增加维修保养费用。而采用LED光源的灯箱,由于LED光源属于冷光源,只要合理设计光源发热-散热结构,箱体内空气温升非常低,不需要依靠内部空气与外界空气交换来增加散热,因此无需在灯箱外壳钻孔,从而使灯箱内表面不会覆盖静电粉尘,提高光效及降低维护保养费用。此外LED为固态光源,具有较强的抗震性能,适合在轨道交通区间运营环境中使用。
  4解决方案4.1LED灯箱光衰及光源散热解决光衰问题首先采用高品质的LED颗粒,如选择国际知名厂家科瑞、欧司朗、GE(通用电气)等厂家LED芯片作为光源;其次由于LED光源其光效、寿命与温升的关系非常紧密。合理的工作温度可以保证LED光源使用6万h。图1所示为LED结点温度与光通量输出衰减的时间曲线。当LED结点温度为65℃时,光衰到80%时的时间为6万h左右。
  图1LED结点温度与光通量输出衰减的时间曲线把芯片的结点温度控制到60℃左右时,LED光通的输出在95%左右。要让结点温度保持在60℃左右,即在最高环境温度40℃时容许LED的工作温升20℃。图2所示为芯片结点温度与相对光输出曲线。
  图2芯片结点温度与相对光输出曲线因此重点要解决LED在灯箱内工作时的散热方式问题,以保证LED光源在设定条件下的正常温升不足以加速其老化并减少寿命。
  解决方案是采用低热阻的散热通道和大面积的散热表面来实现散热:将光源安装到灯箱背板上,灯箱背板采用高导热率的铝合金板;正面固定安装铝基电路板的LED光源,反面为裸露于空气中的铝合金翼片,增加了背板强度也加大了散热面积(LED光源可利用的散热表面可达300mm2)。由于LED光源的散热依靠箱体背板,因此实现了全封闭的内箱体,既很好地解决了散热问题又使灯箱达到IP54的防护等级;同时,光源安装与灯箱背板一体化设计,简化了光源的安装结构设计。
  经检测,当环境温度为40℃时,箱内空气温度≤48℃,LED基座(热沉)温度≤53℃,外壳与LED最近点(背板)温度≤47℃,符合预期要求。
  4.2灯箱配光LED光源由于是点光源,对于广告灯箱要求均匀布光的特性在技术上是其弱项。LED光源一般为150°出射光,发射角较大,其出光面的效率比较高。
  可充分利用LED的此发光特性,使LED光源灯箱达到T5管表面同等亮度水平。但其光源出光面离漫射板的距离越近,则板面上的光斑效应越明显,均匀度也明显下降。因此在选用LED光源时,通过等距离测试不同出光角度的LED,选用在漫射板上达到同等光学效果。而距漫射板最近光源的出射光配光方式为最理想的灯箱用配光方式(见图3)。
  选择合理的配光曲线可以使灯箱获得最大的表面亮度,而且还有利于减少灯箱厚度。在多种配光方案中,选出欧司朗公司的一种光源及配光方案实现了所需的LED光源配光要求。图4为光源的出光方式符合环状蝙蝠翼配光曲线。
  图3漫射板LED均匀度效果图图4环状蝙蝠翼配光曲线经检测LED灯箱漫射板表面照度≥4300lx,与T5型荧光灯灯箱(4200lx)表面计量照度相当;板面均匀度指标为89.2%,满足板面均匀度≥85%要求;总箱体厚度≤250mm。
  4.3驱动电源LED标准的驱动电源为直流350mA,波动±5%,且应满足3C(中国强制性产品认证)或CE(欧洲统一)等主流认证机构的性能测试要求;在灯箱内部安装,其工作温度不得影响灯箱整体温升。
  解决方案:选用电子开关电源,应用PWM(脉宽调制)控制技术的动态功率调整电路实现了直流350mA输出精度偏差±5%指标;电源工作温升≤70℃,符合灯箱整体温升要求;灯箱电流总谐波≤10%,电源效率≥80%,电子镇流器功率因数≥0.95。其技术性能达到CE电磁兼容及安全性能检测要求,提高了LED光源的稳定性,使用时不会对地铁的通信信号造成干扰。
  5经济效益比较5.1成本分析现以广州轨道交通2号线1113个12封T5型轨行区荧光灯箱的维护材料成本、初期投入及年耗电费用作为基础数据,与相同数量的轨行区LED灯箱进行了系统推算,得出表1~表3统计数据。
  5.2经济效益测算(以单套灯箱测算)①LED灯箱比T5型灯箱增加的初期成本为20100元-19000元=1100元②LED灯箱比T5型灯箱的年节电费为2570.84元-2103.93元=466.91元③LED灯箱增加的成本部分的贷款投入(含投资利息成本,按目前5年贷款基准利率6.4%计算)为1100(1+6.4%)=1170.4元④投资回收年限=LED灯箱初期增加投资的成本(含利息)÷(LED灯箱年电费+LED灯箱年度维护成本)≈2.26年综上所述,虽然LED灯箱初期增加了投资,但同时也节省了年度耗电费用,以及年度维护材料成本。经过估算,单套LED灯箱约在2.26年内能够收回投资,具有较好的经济效益。
  由于T型荧光灯管的光效基本维持在100lm/W,较难提高,同时目前国家对环境保护、节能减排的要求越来越严,因此选用LED作为节能照明光源具有很大的潜力。从技术的发展来看,LED技术还处于上升的黄金期。近年LED的光效以25%增长,其光效提升、价格下降的空间非常大,前景十分广阔。LED光效的不断提升,不但可以降低LED成本的投入,还可以进一步降低LED灯箱的功耗,相比传统灯箱节能比更高。

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  参考文献
  [1]陈元灯.LED制造技术与应用[M].北京:电子工业出版社,2007.
  [2]GB/T16275—1996地下铁道照明标准[S].
  [3]GB/J133—1990民用建筑照明设计标准[S].
  [4]GB/T13379—2008视觉工效学原则室内工作场所照明[S].
  [5]GB/T24823—2009普通照明用LED模块性能要求[S].

新疆风采18选7   [6]GB/T24825—2009LEDMOKUAIYONGZHILIUHUOJIAOLIUDIANZIKONGZHIZHUANGZHIXINGNENGYAOQIU[S].


本文由 合肥灯箱制作 整理编辑。

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