LED應(yīng)急照明集成技術(shù)研究的創(chuàng)新性及成果
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2008年我國(guó)南方地區(qū)先后發(fā)生冰雪和地震重大自然災(zāi)害，電力中斷，嚴(yán)重影響了救災(zāi)工作和災(zāi)區(qū)人民的生活，應(yīng)急照明產(chǎn)品在救災(zāi)搶險(xiǎn)、醫(yī)療救護(hù)等方面顯得尤為重要，特別是led具有體積小、壽命長(zhǎng)、效率高、低電壓、使用安全、節(jié)能等一系列優(yōu)點(diǎn)，因此科技部將“LED應(yīng)急照明高效驅(qū)動(dòng)技術(shù)與系統(tǒng)可靠性研究”列為2008年863課題進(jìn)行研究和開發(fā)。
一、LED應(yīng)急照明應(yīng)用的重要性
應(yīng)急照明是現(xiàn)代公共建筑及工業(yè)建筑的重要安全設(shè)施，它同人身安全和建筑物安全緊密相關(guān)。當(dāng)建筑物發(fā)生火災(zāi)或其它災(zāi)難，電源中斷時(shí)，應(yīng)急照明對(duì)人員疏散、消防救援工作，對(duì)重要的生產(chǎn)、工作的繼續(xù)運(yùn)行或必要的操作處置，都有重要的作用。通過LED照明應(yīng)用產(chǎn)品的研發(fā)和推廣應(yīng)用，可以改變我國(guó)目前日常照明與應(yīng)急照明一體化產(chǎn)品匱乏、不能在緊急情況下保證生產(chǎn)生活要求的現(xiàn)狀；結(jié)合國(guó)家節(jié)能減排目標(biāo)的實(shí)施，應(yīng)研制系列民用應(yīng)急半導(dǎo)體照明產(chǎn)品，此類照明產(chǎn)品除了在日常使用中達(dá)到節(jié)能要求外，在發(fā)生緊急情況時(shí)提供足夠的光照度及照明時(shí)間，用于逃生、搶救財(cái)產(chǎn)及修復(fù)電力系統(tǒng)。開發(fā)在特殊應(yīng)急環(huán)境中自帶發(fā)電功能的照明產(chǎn)品，達(dá)到攜帶使用方便、可多次循環(huán)使用、具有自身防護(hù)功能的目標(biāo)。
火災(zāi)、地震等自然災(zāi)害發(fā)生時(shí)，應(yīng)急照明燈是逃生、救災(zāi)等的必需設(shè)備，預(yù)計(jì)未來3年內(nèi)具有應(yīng)急功能的半導(dǎo)體照明系列應(yīng)用產(chǎn)品市場(chǎng)需求將超過20億元。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，社會(huì)的安全意識(shí)和安全標(biāo)準(zhǔn)都有了很大的提升，其中對(duì)應(yīng)急照明產(chǎn)品的要求也越來越高。這不但要求此類產(chǎn)品滿足應(yīng)急需求，還要具備節(jié)能、人性化、高可靠性等性能，而應(yīng)急半導(dǎo)體照明的最大優(yōu)勢(shì)正在于此。同時(shí)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，救災(zāi)搶險(xiǎn)、野外施工等離網(wǎng)及惡劣環(huán)境下的照明需求越來越高，也對(duì)應(yīng)急半導(dǎo)體照明產(chǎn)品產(chǎn)生了巨大的市場(chǎng)需求。
“應(yīng)急照明高效驅(qū)動(dòng)技術(shù)與系統(tǒng)可靠性研究”課題的目標(biāo)是以應(yīng)用促開發(fā)，突破LED照明應(yīng)用急需的產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)，完善半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)鏈。通過照明燈具設(shè)計(jì)、二次光學(xué)設(shè)計(jì)、散熱設(shè)計(jì)、光源結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)電路等應(yīng)用技術(shù)系統(tǒng)集成，促進(jìn)國(guó)產(chǎn)化器件在國(guó)內(nèi)產(chǎn)品的規(guī)模化應(yīng)用。
主要研究應(yīng)急照明專用LED光源開發(fā)、LED應(yīng)急照明燈具設(shè)計(jì)、LED應(yīng)急照明燈具二次光學(xué)配光設(shè)計(jì)及整體散熱設(shè)計(jì)、應(yīng)急照明專用驅(qū)動(dòng)電源和智能控制系統(tǒng)開發(fā)等內(nèi)容。
主要考核指標(biāo)為L(zhǎng)ED光源的發(fā)光效率≥100lm/W，熱阻：≤9℃/W，燈具發(fā)光效率≥80lm/W，色溫：3000-6000K；顯色指數(shù)：≥80；電源功率因數(shù)≥0.9，電流總諧波失真≤20％，電源轉(zhuǎn)換效率≥80％。
2010年課題完成時(shí)，燈具效率達(dá)到80lm/W，申請(qǐng)專利5-10項(xiàng)，可滿足抗震救災(zāi)、野外勘探、軍事等應(yīng)急照明領(lǐng)域的迫切需求，有助于解決應(yīng)對(duì)突發(fā)事件的照明保障，建立常年應(yīng)急照明產(chǎn)品供應(yīng)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)在災(zāi)區(qū)重建、西部開發(fā)、新農(nóng)村建設(shè)等的示范應(yīng)用，加快節(jié)能減排的有效推廣，提升我國(guó)半導(dǎo)體照明行業(yè)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。
二、LED應(yīng)急照明集成技術(shù)研究的難點(diǎn)和創(chuàng)新性
LED應(yīng)用在應(yīng)急照明上還是剛剛起步，對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)、應(yīng)急功能的選擇及應(yīng)急燈具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有待研究，特別是在應(yīng)急照明的標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)急燈具的可靠性研究上還處于滯后狀態(tài)。其主要技術(shù)難點(diǎn)如下：
1．LED封裝技術(shù)：科學(xué)、合理的LED封裝結(jié)構(gòu)，是提高LED光源取光效率和光電轉(zhuǎn)化效率的技術(shù)關(guān)鍵。因此根據(jù)LED應(yīng)急照明燈具的要求設(shè)計(jì)合理的LED封裝結(jié)構(gòu)，達(dá)到光衰最小化，滿足散熱要求是LED光源設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。
2．LED散熱技術(shù)：LED的封裝散熱問題已經(jīng)成為制約大功率LED發(fā)展的關(guān)鍵性因素。為有效解決大功率LED散熱問題，將采用有效的散熱與不劣化的封裝材料，將LED熱量有效傳導(dǎo)，并解決光衰問題。
3．二次配光技術(shù)：應(yīng)急照明燈具最重要的參數(shù)是滿足室內(nèi)照明與應(yīng)急照明的要求，其主要參數(shù)有平均照度、照度均勻度和維持照明時(shí)間，通過二次光學(xué)設(shè)計(jì)，結(jié)合LED的發(fā)光特點(diǎn)，設(shè)計(jì)符合配光要求的光學(xué)結(jié)構(gòu)滿足應(yīng)急照明使用要求。
4．LED智能控制技術(shù)：從LED光源的特性，研究數(shù)字智能化控制方式及驅(qū)動(dòng)電源。研究適合于應(yīng)急照明模式要求的最佳控制方式；研究與各種傳感器結(jié)合的控制方式，研究適合于應(yīng)急照明光源的驅(qū)動(dòng)電源及應(yīng)急電源可靠轉(zhuǎn)換技術(shù)。
5．應(yīng)急照明燈具檢測(cè)方法、可靠性評(píng)價(jià)方法及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的編制和起草。
廈門華聯(lián)電子有限公司在國(guó)家“十一五”的半導(dǎo)體照明技術(shù)攻關(guān)以及廈門國(guó)家半導(dǎo)體照明工程產(chǎn)業(yè)化基地建設(shè)中，積累了大量的LED器件設(shè)計(jì)與制造技術(shù)以及半導(dǎo)體照明產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造、工程施工管理經(jīng)驗(yàn)和擁有優(yōu)秀的技術(shù)、管理團(tuán)隊(duì)。承擔(dān)課題研究的照明事業(yè)部針對(duì)上述技術(shù)難點(diǎn)，在光源設(shè)計(jì)、燈具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)和生產(chǎn)工藝等諸多方面按照課題計(jì)劃要求，通過不斷改進(jìn)封裝結(jié)構(gòu)，優(yōu)化二次光學(xué)設(shè)計(jì)的燈具結(jié)構(gòu)，燈具檢測(cè)、可靠性評(píng)價(jià)等一系列工作。解決了課題研究中遇到的技術(shù)和質(zhì)量問題，在二次光學(xué)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、封裝取光效率、散熱、控制電路設(shè)計(jì)及產(chǎn)品可靠性等方面取得了明顯進(jìn)步，按計(jì)劃完成相關(guān)投入，最終開發(fā)出滿足課題目標(biāo)的應(yīng)急照明產(chǎn)品，建立了從光源封裝、燈具制造到燈具檢測(cè)的產(chǎn)業(yè)化示范生產(chǎn)線。研究的技術(shù)創(chuàng)新性如下：
1.光源設(shè)計(jì)：采用高導(dǎo)熱的金屬基板或陶瓷材料基板封裝，光源選用瓦級(jí)功率型芯片或小芯片集成，通過藍(lán)色芯片激發(fā)熒光粉混色成白光或RGB三基色混合而成白光兩種技術(shù)路線，制作適用的應(yīng)急照明光源。
2.光學(xué)設(shè)計(jì)：LED光輸出方向性強(qiáng)，光學(xué)設(shè)計(jì)較傳統(tǒng)光源有更大的難度。根據(jù)LED的光分布特性，通過燈具透鏡和反射器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，改變光傳輸路徑和方向，提高應(yīng)急照明燈具的光輸出效率。[!--empirenews.page--]
3.LED器件及燈具散熱技術(shù)：通過選用新型材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)解決LED照明燈具的散熱問題，采用熱管與共晶焊等技術(shù)，將導(dǎo)熱材料和LED燈具或芯片直接相連，將LED熱量有效傳導(dǎo)和散發(fā)，降低了LED工作結(jié)溫，延長(zhǎng)了LED及燈具的使用壽命。
4.燈具設(shè)計(jì)：研究開發(fā)了適應(yīng)于LED應(yīng)急照明的燈具，采用防爆、防潮、防水、耐腐蝕、耐高低溫的新型材料，通過工業(yè)設(shè)計(jì)，形成構(gòu)思新穎、具有創(chuàng)新性、外型美觀和具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的應(yīng)急照明燈具。
5.驅(qū)動(dòng)控制電路設(shè)計(jì)：針對(duì)LED應(yīng)急照明燈具的特性，開發(fā)了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、成本相對(duì)低廉的恒流驅(qū)動(dòng)電路，形成規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化、模組化控制電路。
6.便攜式照明燈具技術(shù)集成：滿足在特殊應(yīng)急環(huán)境中攜帶使用方便、具有自發(fā)電功能、可多次循環(huán)使用的應(yīng)急照明燈具。
7.應(yīng)急照明的系統(tǒng)技術(shù)集成：研究具備日常照明，斷電及燈具失效聲光報(bào)警逃生及救災(zāi)應(yīng)急照明功能的新型室內(nèi)照明燈具集成技術(shù)及其控制技術(shù)。
三、LED應(yīng)急照明集成技術(shù)研究的主要成果
“LED應(yīng)急照明高效驅(qū)動(dòng)技術(shù)與系統(tǒng)可靠性研究”課題主要研究了光源設(shè)計(jì)及封裝技術(shù)、驅(qū)動(dòng)控制電路設(shè)計(jì)和應(yīng)急燈具設(shè)計(jì)三個(gè)部分。經(jīng)過兩年的科技攻關(guān)，課題組在LED光源的制作、應(yīng)急驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)和燈具的設(shè)計(jì)上，開發(fā)了應(yīng)用于室內(nèi)照明的應(yīng)急產(chǎn)品，同時(shí)還針對(duì)野外照明開發(fā)多功能應(yīng)急產(chǎn)品。在原有照明功能的基礎(chǔ)上，加入聲光報(bào)警、信息指示、方向指南等功能，而在電源支持上除了利用蓄電池組還采用手搖發(fā)電方式，延長(zhǎng)工作時(shí)間，還可支持手機(jī)充電。將產(chǎn)品功能與性能進(jìn)行有效統(tǒng)一，真正做到美觀而實(shí)用。
目前已開發(fā)的兩大類應(yīng)急照明產(chǎn)品，其技術(shù)性能完全達(dá)到課題考核指標(biāo)：
1.室內(nèi)半導(dǎo)體應(yīng)急照明主要解決新型具有應(yīng)急功能的半導(dǎo)體照明燈具及其控制系統(tǒng)技術(shù)，該系統(tǒng)具備日常照明，斷電及燈具失效聲光報(bào)警，逃生及救災(zāi)應(yīng)急照明的功能。通過本項(xiàng)目的研發(fā)，使得我國(guó)在此類產(chǎn)品的可靠性、節(jié)電性、導(dǎo)引性等方面的技術(shù)性能有較大提升。
2.便攜式半導(dǎo)體應(yīng)急照明主要解決在戶外無電狀況及惡劣環(huán)境下，應(yīng)急使用的半導(dǎo)體照明燈具及其控制系統(tǒng)技術(shù)問題。具備便攜性好、沖放電性能好、具有自發(fā)電功能等。通過本項(xiàng)目的研發(fā)，為國(guó)內(nèi)外的野外作業(yè)、工程搶險(xiǎn)、野外營(yíng)救等工作提供工具。
LED應(yīng)急照明高效驅(qū)動(dòng)技術(shù)與系統(tǒng)可靠性研究，在將成果產(chǎn)業(yè)化和市場(chǎng)推廣的同時(shí)也拉動(dòng)了巨大的潛在市場(chǎng)，半導(dǎo)體照明在應(yīng)急燈具上的應(yīng)用也提高了應(yīng)急燈具的整個(gè)附加值。盡管目前LED應(yīng)急燈具在應(yīng)急領(lǐng)域的應(yīng)用還沒有全部鋪開，但是根據(jù)LED應(yīng)急燈具的特點(diǎn)及適應(yīng)性，未來在礦山、商場(chǎng)、樓道等領(lǐng)域?qū)?huì)逐步取代現(xiàn)有的應(yīng)急燈具，中國(guó)巨大市場(chǎng)潛力仍將為L(zhǎng)ED產(chǎn)業(yè)帶來無限商機(jī)。LED應(yīng)急照明高效驅(qū)動(dòng)技術(shù)與系統(tǒng)可靠性研究，在國(guó)內(nèi)還沒有相關(guān)的組織進(jìn)行系統(tǒng)性的研究和產(chǎn)業(yè)化，課題研究的技術(shù)及成果具有一定的先進(jìn)性。本課題中的技術(shù)多為原創(chuàng)性技術(shù)，具有自主研發(fā)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，依托該技術(shù)建立的LED封裝、驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)及燈具設(shè)計(jì)制造的產(chǎn)業(yè)化示范生產(chǎn)線，提升了我國(guó)LED 應(yīng)急照明技術(shù)在國(guó)際上的競(jìng)爭(zhēng)力。
半導(dǎo)體照明是節(jié)能的“富礦”，同樣亮度下耗電僅為普通白熾燈的1/10，節(jié)能燈的1/2，使用壽命卻可以延長(zhǎng)幾十倍。隨著LED技術(shù)的快速進(jìn)步和新的應(yīng)用不斷出現(xiàn)，在應(yīng)急照明領(lǐng)域的節(jié)能效果非常明顯。節(jié)能可延長(zhǎng)照明時(shí)間70%，高可靠性可適應(yīng)各種極端的環(huán)境條件，在緊急情況下可為逃生人員提供可靠的照明條件，預(yù)計(jì)在未來5年內(nèi)LED應(yīng)急照明燈具將取代目前普通照明的應(yīng)急燈具。
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