关于应急照明装置灯组的技术探讨

陈晓龙，宋永杰，宣紫程，李海波

（1.天津水利电力机电研究所，天津301900；2.广东玖星光能低碳科技有限公司，广东 惠州516000）

0 引言

我国地理气候条件复杂，自然灾害发生频繁，许多突发事件也时有发生，应急抢险救援工作显得尤为重要。尤其在夜间，受照明条件制约，人的视野受到极大限制，许多重大事故应急救援得不到及时有效的救助，从而间接造成重大的人员伤亡和人民财产损失。因此，在应急救援工作中，夜间应急救援照明是抢救人民生命财产的有力保障。然而，在我国，远程大功率照明装置的缺乏成为应急救援中的一个重要短板，故提升应急救援照明水平迫在眉睫。基于此，本文对我国远程大功率照明装置研究及产业现状进行综述分析，并提出应急照明设备高效能化、高质量化及智能化的改进对策。

1 现状

当前，在照明行业中用于现场照明的大功率照明设备，主要采用的是高压短弧氙灯（以下简称“氙灯”）。通常现有的照明设备由4～6 盏氙灯组合而成，每盏功率达5～7 kW，平均一套设备的总功率达到20～42 kW，耗能量巨大，不利于在机动设备上搭载。为了保证氙灯尽可能达到更大的光通量输出，氙灯必须工作在超高压状态（1 MPa 以上），灯泡壳的表面温度高达800 ℃左右，在恶劣环境中会产生一定的安全隐患。对于其寿命方面，一般来说，其平均寿命可达500 h 以上，依据国家相关标准规定氙灯的平均寿命如表1 所示。

表1 氙灯的平均寿命

2 技术发展

随着科学技术的进步，发光二极管（Light Emitting Diode，LED）半导体全固态发光器件逐渐兴起，并大量应用在大功率照明领域。和传统的照明光源不同的是，LED 光源由于具有节约能源、体积小、使用时间长、耐冲击、可靠性高、响应速度快等不容忽视的优点，是继白炽灯、荧光灯和高压气体放电灯之后的又一代新型光源，被称为绿色光源。

本文探讨一种COB（Chip On Board）封装形式的LED 大功率照明光源。COB 封装是指将LED 芯片直接固定在印刷线路板（PCB）上，芯片与线路板间通过引线键合进行电气连接的LED 封装技术。通过这种技术，可以实现在一个很小的区域内封装几十甚至上百个芯片，大量的小的点光源，最后形成面光源。与点光源封装相比，COB 面光源封装技术具有价格低、空间小、发光率高、封装工艺成熟等优点。

3 目前的局限性

3.1 散热

对于大功率COB 封装，散热是影响其寿命和工作可靠性的至关重要的因素。若LED 灯具散热效果不好，则在工作中会产生一系列不良变化：

一方面，当结温升高时，温度对LED 寿命的影响是指数衰减速度进行衰减的。在结温为50℃时，LED 的寿命预计会达到20 000 h；当结温升高到75 ℃时，LED 使用寿命将会降至10 000 h；当结温升高到100 ℃时，LED 使用寿命降会降至5 000 h。由此可知，当结温升高2 倍时，LED 的使用寿命降至原来的1/4，LED 使用寿命极大的受结温的影响；另一方面，芯片内部温度过高所产生的热应力将破坏芯片的内部结构。

为了确保LED 器件正常工作，让器件的结温低于某一个确定的值Tj是很有必要的，理论上说，LED 芯片的结温不能超过最大的允许温度393.15 K，即120℃。目前，降低LED 结温的可靠途径有：①降低LED 本身的热阻；②良好的二次散热结构；③减少LED 与二次散热结构安装界面之间的热阻；④降低环境温度；⑤强制对流。

3.2 光学设计

由于LED 独特的空间光强分布，需要通过光学设计对光源的光线进行重新分布，对于大功率COB光源，由于它们发光尺寸较大，不能作为点光源来处理。由光源模型的配光曲线可知，光源在未经过任何配光之前遵循朗伯体发光，光源发散角为180°，其光强分布满足I（θ）=I0cosθ，式中θ为光线与光源法线的夹角，θ∈（0，π/2）。以尺寸半径在7～19 mm的COB 光源为例，目前，还不能做到出光角小于10°并且有理想光效的相关案例。国内，黄晓园等提出的基于透镜-反射罩的大功率COB 光源实现窄光束方案，利用菲涅尔透镜实现光源的准直，半强度角控制在10°左右，但由于出光口处的发散角较大，出光效率不是很理想。

4 对策

针对以上分析大功率COB 光源的局限性，开发研制一款高效能、高质量及智能化的应急照明设备。针对水利行业应急救援需要大功率、高亮度的需求，开发研制了能够组装成应急移动照明车的COB 智能照明灯组，这款照明灯组由9 盏300 W 的COB照明灯体组成，将分别从以下几点来进行全方面的介绍。

4.1 芯片

在芯片的选择上，充分考虑芯片与荧光粉、封装胶及基板的匹配性，历经多次实验，并且对芯片性能进行全面评估，从而最终获得最佳光效及散热性的组合。同时，考虑基板的散热性，目前市面上常见的基板主要有两大类：铝基板和陶瓷基板。本方案的COB 照明灯体采用的基板为自主设计研发的新型复合金属基板，相比铝基板具有更低的热阻性和更优良的散热性能。

4.2 散热器

大功率 COB 灯具首要是解决快速散热来达到高光效、防光衰、延长COB 灯具使用寿命的目的，使其工作寿命能≥50 000 h。本方案COB 照明灯的灯头和散热器采用一体成型结构，外观简洁大方。舱内设计散热缓冲平台，有快速导热鳍片连接到灯头表面，形成360°辐射散热。其余热量则通过导热鳍片扩散到空舱中，加热散热舱中的空气，增大内部气压。在压力差的作用下，散热舱通过排气孔和进气口与外界产生气流，在流动的空气中带走热量。在散热舱中，随着温差变化，增强气流强度，实现自主式散热。

4.3 光学设计

COB 照明灯组的灯具的光学系统设计，在整个灯具开发设计中极为重要。由于目前大功率COB的发光角度受限，半光强角度最大不超过140°。如果遵循以往方法，简单地汇集COB 光源来做灯具照明，则无法真正发挥LED 冷光源的优势。考虑光所具有的特性，采用二次光学设计法，利用反光罩作为基本控光部件，通过对反光罩的几何形状、尺寸精密设计，再采用特殊反射材料，尽可能地将中心的强光向外侧发散，将140°～180°的侧光向内侧收拢利用，从而把光束角控制在10°左右，达到高光通量输出的目的。

本方案照明灯组经过配光设计与实际检测，在100 m 距离，照度为20 lux 以上范围直径达38.20 m，最大照度249 lux，配光效果如图1 所示。

图1 距离100 m 照度为20 lux 以上直径范围38.20 m

在200 m 距离，照度为20 lux 以上范围直径达50.38 m，最大照度63 lux，配光效果如图2 所示。

图1 距离200 m 照度为20 lux 以上直径范围50.38 m

通过现场实际测试，在200 m 距离，直径100 m范围内，平均照度在10 lux 以上，能够满足工程照明的需求。

4.4 智能控制

COB 照明灯组配有智能控制系统，可用车载电脑或无线移动终端对照明设备进行控制，采用电力载波智能控制技术，控制电路与供电线路共用电缆，无需单独敷设控制电缆，增加可靠性，同时达到降低材料成本、节能环保的目的。

根据实际的灾情环境，可以提供不同的灯光需要，每盏灯具都可独立开启或关闭，可在0～100%亮度之间实现无极调光。同时，控制系统也预留了其他设备的搭载端口，包括环境监测设备、监控设备、移动AP 发射器等，把第一线的灾情实时传输给指挥中心，从而有利于应急抢险工作的开展。

5 结论

本方案设计的COB 照明灯组，能够有效解决目前市场上氙灯或其他气体放电灯的功率大、损耗高、寿命短的缺陷。该灯组便于与专用车辆配合安装，提高应用的灵活性，且无需配备大功率发电机，具有功率小、能效高、寿命长、控制方便可靠、防护等级高等优点。适合水利、公路、铁路、矿山等行业的应急照明选用，在需要大功率、高亮度的照明场所，如：体育场、码头、景区、抗洪抢险现场、施工现场、人员搜救等场所尤为适用。本方案研制开发的COB 照明灯组在各种应急抢险救援场所将发挥其巨大的作用。