LED光源在大型航标灯器的应用

何瑞冠

摘 要：针对大型航标灯器的特点，分析了大型航标灯器使用LED光源的可行性，提出了需要解决的主要问题和解决方案。通过对PRB-21大型航标灯器LED改造，验证LED光源应用在大型航标灯器方案可行性。

关键词：LED光源 大型航标灯灯器 LED改造

从20世纪中叶问世，LED光源以自身单色高效、长寿命和功耗小的优点，在20世纪末开始航标领域得到广泛应用。目前，海口航标处灯浮标和灯桩LED光源覆盖率为100%，但大型航标灯器中LED光源的覆盖率较低。

1.大型航标灯器光源要求及使用LED光源的可行性

大型航标灯器，指设置在灯塔中的航标灯器，射程大于15海里，位于孤岛、半岛或与陆地相连的岛屿，也有部分灯塔位于水中。由于大型航标灯器射程要求高，因此需要提供更高的光强。根据《JT/T 761-2009 航标灯通用技术条件》要求，各类航标灯50%峰值光强处的垂直发散角，使用中心焦点平面菲涅尔透镜航标灯时，垂直发散角大于等于1.4°。因此，大型航标灯器光源经由透镜折射后须满足此要求。根据《JT/T 730-2008 航标灯光强测量和灯光射程计算》要求，在大气透明度T=0.74的条件下，航标灯的有效光强应满足射程要求。

1.1大型航标灯器光源应该具备的特点

1.1.1单色颜色要求

我国《GB 12708-91 航标灯光信号颜色》规定了航标灯光信号颜色及色度范围。大型航标灯器的光源色度需要满足要求，才能够在航标灯器中使用。现在所用的白炽灯光源通过色罩实现，会产生大量光强损耗。LED光源单色光的特点具有独特的优势。

1.1.2高光强要求

大型航标灯器的光源能够产生较高的有效光强，才能够满足射程的要求。目前单颗大功率LED光源无法产生满足要求的有效光强，因此一般使用白炽灯或卤钨灯作为光源，这些光源稳定可靠，且能够产生较高的有效光强。在高光强要求中，单颗LED光源不具备优势。

1.1.3长寿命要求

由于航标灯器稳定可靠的要求，需要长寿命的光源保证航标灯器正常运转。白炽灯泡和卤钨灯泡的寿命约1万小时，射程要求较高灯泡的寿命约2000小时。LED光源的寿命在正常工作条件下，可达10万小时左右。

目前大部分大型航标灯器依然使用白炽灯泡或卤钨灯泡作为灯器光源，除了传统灯泡能够满足高光强的要求外，灯器透镜也是需要解决的难题。

1.2使用LED光源的可行性

LED的单色优势、长寿命特点，使得LED具有替代传统白炽灯泡的优势。同时低功耗和无热惯性优点，使LED势必取代传统白炽灯泡，成为大型旋转灯器的光源。低功耗可以大大降低灯塔能耗，使太阳能给灯塔供电成为可能。无热惯性的LED光源发光上升时间为0.5ms，避免了传统白炽灯泡需要较长发光上升时间，更适于大型航标灯器。

2.LED光源应用在大型航标灯器中需要解决的问题

根据大型航标灯器光源的要求，使用LED作为大型航标灯器的光源，需要解决以下问题：

（1）满足射程要求是首要问题。因现有技术限制，单个LED光源功率无法达到射程要求。大功率LED可以达到1W，2W，甚至数十瓦，但单个大功率LED仍无法满足旋转灯器射程要求。因此将多个大功率LED组合成光源阵列的是解决该问题的最好办法。LED组合光源有两种实现方式：一是单个光源和单个透镜组成的光源单元组合阵列而成；二是LED光源阵列组成光源，通过透镜实现航标灯器照明。

（2）LED供电是核心问题。LED属于半导体器件，为保证其正常工作需采用恒流源供电。灯塔供电多采用市电和蓄电池供电，很难提供恒流源，所以为了使大功率LED可以稳定高效工作，需设计专用的大功率LED恒流驱动电路。

（3）光源散热是关键问题。LED光源发出的光线中不含有红外光，因此其光线不会产生热量，但是在电光转换过程中，LED仍会产生大量热量，若将LED应用于旋转灯器，需要解决散热问题。大功率LED功率大，亮度高，其产生的热量也很高，如果不解决散热问题，会缩短LED的寿命。

（4）配套透镜研制也是需要解决的一个问题。光源发出的光以光源为中心发散，为使光线按照设计方向发出，需要设计旋转灯器专用透镜，保证灯器射程达到旋转灯器射程要求。

3.LED光源在大型航标灯器上的应用实践

根据LED在大型航标中应用的解决方案，我处对一台老旧的PRB-21型航标灯器进行LED技術改造，采取相应措施解决了关键问题。

通过光源阵列实现射程要求。选用最大功率为10W的单颗LED作为灯器光源，配套菲涅尔透镜组成光源单元，采用LED光源单元阵列代替原灯器光源阵列的方式，实现航标灯器有效光强叠加。保证改造后的PRB-21航标灯器射程不低于原灯器射程，即25海里（T=0.74）。旧灯器如图1所示。

LED供电部分采用高驱动电流升降压型恒流驱动集成电路实现。其内部集成4A MOSFET驱动管，输入电压3-42V，最大电流4A，具有调光功能。该芯片提供0-60V输出电流调节并具有LED短路保护和SHIRTLED标记。同时芯片可调频率：200KHz至3MHz，并可同步至一个外部时钟。

LED散热采用铝合金光源外壳进行散热。设计铝合金光源外壳，安装光源和光学透镜，保证LED光源位于光学透镜的焦点上，组成LED光源单元。LED光源焊接在铝基板上，将铝基板用导热硅脂固定在铝合金光源外壳底部，LED工作时产生的热量传导给铝合金光源外壳，通过散热面积较大的光源外壳进行散热。如图2所示。

研制与选定LED光源配套的菲涅尔透镜解决光学问题。根据所选光源特性，研制满足航标行业要求的透镜，与所选LED相配套。经国家灯具质量监督检验中心检测，所研制的光学单元垂直发散角为1.5°，峰值光强为361565cd，满足设计要求。

经LED光源改造后的PRB-21灯器（如图3所示）工作稳定，运转正常。改造后主灯功率由原来9.6KW变为408W，为原来功率的4.25%；辅灯功率由原来的456W变为136W，为原来功率的29.8%。使用LED光源的PRB-21灯器最大射程为27.8海里（T=0.74），大于原来灯器射程。

4.LED光源应用在大型航标灯器结论与展望

对PRB-21大型航标灯器的LED改造表明，使用LED光源作为大型航标灯器的光源完全可行，能够在保证射程的同时大大降低大型航标灯器的功耗。同时，使用LED光源可实现航标灯器功率调节，从而实现航标灯器可变射程，这一点对进一步做好导助航服务具有现实意义。

为了达到设计射程，需要多个LED光源阵列实现，从而造成大型航标灯器结构庞大。随着大功率LED技术的进步，更大功率LED光源会实现更高有效光强，可以实现少量LED光源阵列达到设计射程。

参考文献：

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