引言
隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，生活水平的提高，人們也越來越講究生活的質(zhì)量，交通作為衣食住行中的一部分，與人們的生活息息相關(guān)，改善路況，拓寬道路，鋪設(shè)高等級公路，以及小車的普及，都會(huì)導(dǎo)致車速提高，車流量過多的狀況。而道路交通信號燈（以下簡稱信號燈）作為一種交通信號，在交通中起著指揮和引導(dǎo)的作用，是一種必不可少的設(shè)施，交通信號燈性能的好壞在交通誘導(dǎo)中起著極其重要的作用。
1、 LED簡介
LED（Light Emitting Diode）是一種場致發(fā)光光源，是將電能直接轉(zhuǎn)化為光能的半導(dǎo)體器件。其電特性和普通的二極管是一致的，而其發(fā)光原理是在P-N結(jié)兩端加上正向電壓，則P區(qū)中空穴會(huì)流向N區(qū)；而N區(qū)中的電子會(huì)流向P區(qū)。然后，隨著小數(shù)載流子和我數(shù)載流子的重合放出能量；其中，一部分能量轉(zhuǎn)化為熱，另一部分轉(zhuǎn)化為光。
LED早在三十多年前就已問世，由于當(dāng)時(shí)制造技術(shù)的限制，其發(fā)光亮度小，且只有紅色一種顏色，因此很長一段時(shí)間內(nèi)僅用于小指示器光源和字母數(shù)字顯示器等有限領(lǐng)域中。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，LED的性能逐步提高，例如光效的提高，使其發(fā)光亮度增加，過去，諸如上個(gè)世紀(jì)70年代初，GaP紅色LED光效僅為0.4lm/W ；80年代中期，AlGaAs 紅色LED光效上升到約1.1lm/w ；而90年代中期后，新材料 AlInGaP給LED技術(shù)帶來了巨大突破，使紅色和琥珀色LED的光效提高到10-20lm/W ，與目前廣泛應(yīng)用于信號燈的白熾燈相近，甚至更好。隨著寬禁帶半導(dǎo)體材料的迅速發(fā)展，這些電子材料（主要包括SiC ZeSe 金剛石 和GaN 等）帶動(dòng)了LED的進(jìn)一步發(fā)展，利用GaN特有的禁帶寬度可以制作成藍(lán)色和綠色；而隨著由氣相形成的化合特半導(dǎo)體薄膜技術(shù)的改進(jìn)，有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）技術(shù)取得了很大的進(jìn)展，用該方法制造的LED，不僅發(fā)光強(qiáng)度有了顯著提高，并且增加了顏色的變化范圍，改變了LED僅有紅色系列的局面，為LED在各個(gè)領(lǐng)域中的進(jìn)一步發(fā)展消除了一大障礙。
由于LED的光效提高到與白熾燈相近，并且增加了顏色的變化范圍，使其具有了成為信號燈光源的基礎(chǔ)，而其響應(yīng)時(shí)間短、發(fā)熱低、能耗低以及壽命長、維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)勢，馬上使LED在信號燈中有了大量應(yīng)用。隨著光學(xué)設(shè)計(jì)的不斷改善，加上LED光效不斷提高，信號燈需要使用的LED管數(shù)也從一開始的四、五百只降到現(xiàn)在的一百來只，甚至幾十只。
近年來，隨著大功率LED封裝技術(shù)的發(fā)展，減少LED結(jié)點(diǎn)與插腳間的熱阻抗，把封裝外殼做成扁平，從而通過縮短結(jié)點(diǎn)與插腳之間的距離，來縮短傳輸?shù)木嚯x。同時(shí)，引線支架的直徑更大，引腳增大，并使用熱傳導(dǎo)性能較好的材料制作，能使熱量更快地散發(fā)出來，使用能耐高溫的環(huán)氧樹脂，解決了高溫和散熱問題，因此可以利用大芯片進(jìn)行封裝，致使其工作電流可由一般的20mA增大到 350mA、700mA甚至1000mA，其功率可以達(dá)1W、3W、甚至5W。這種封裝結(jié)構(gòu)的輻射形視角很寬，不象一般LED需對由基片出射的大部分改變方向，因此該LED的光學(xué)效率也較高。因此信號燈使用的LED管數(shù)只需十幾只，甚至幾只。
2、 一般LED與大功率LED在信號燈中應(yīng)用對照
① 使用材料不同：一般使用環(huán)氧樹脂作為安裝板，而大功率LED需要使用鋁基線路板（MCPCB）；
② 生產(chǎn)工藝不同：一般LED使用波峰焊機(jī)或手工焊均可，而大功率LED需要使用貼片焊機(jī)；
③ 配套的電子元件不同：因?yàn)楹附庸に嚥煌�，因此與一般LED配套的電子元件也是需要使用波峰焊機(jī)或手工焊的一般元件，而與大功率LED配套的電子元件都需使用貼片元件；
④ 自動(dòng)化程度不一樣：由于生產(chǎn)工藝不一樣，貼片式生產(chǎn)的自動(dòng)化程度高，可以使用流水化生產(chǎn)線，而一般LED和一般元件由于外觀、結(jié)構(gòu)差異較遠(yuǎn)，因此有相當(dāng)一部分工作如插管等都需手工完成，這樣導(dǎo)致兩者加工所需的工時(shí)也不一樣。
⑤ 加工性能保障不一樣：由于靜電防護(hù)等措施是影響LED使用壽命的重要因素，而一般LED生產(chǎn)的自動(dòng)化程度不高，因此靜電防護(hù)等措施比較難以實(shí)施，因此大功率LED的生產(chǎn)工藝比較容易保證LED的完好性能。
⑥ 集成化程度不一樣：由于大功率LED采用貼片式工藝，因此其電子元件可以高度集成化，可以把燈板和電源等都做得很少，而一般LED及其配套元件難以實(shí)現(xiàn)。
⑦ 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求不同：因一般LED功率小，單個(gè)LED發(fā)熱低（當(dāng)然這些LED承受發(fā)熱的能力也低，散熱效果也差），而其分布在整個(gè)發(fā)光面內(nèi)，因此對其散熱方面的改善措施難以實(shí)施，而大功率LED相對集中，又是使用貼片工藝安裝在鋁基板上，因此可以容易設(shè)計(jì)一些散熱器，把該燈板直接安裝在上面以改善其散熱效果；
⑧ 配光設(shè)計(jì)要求不一樣：一般LED因?yàn)槭褂玫墓軘?shù)多，均勻分布在整個(gè)發(fā)光區(qū)域內(nèi)，因此配光時(shí)需要針對LED一一對應(yīng)，而大功率LED管數(shù)使用較少，一般300mm信號燈使用12顆甚至8顆就可達(dá)到要求，因此把整個(gè)燈板置于發(fā)光面的軸心附近，在配光時(shí)近似地當(dāng)作集中光源來進(jìn)行設(shè)計(jì)；
⑨ 使用效果不一樣：一般LED由于發(fā)出的光出射角上，而又分布在整個(gè)發(fā)光表面的范圍內(nèi)，相互之間的間距較大，因此投射在發(fā)光表面的效果是能比較明顯地看出點(diǎn)狀分布的發(fā)光光源，并且由于LED光源本身光強(qiáng)分布中存在強(qiáng)弱，加上封裝中經(jīng)常存在光斑不均勻，整個(gè)發(fā)光表面勢必存在明暗之分，加上配光時(shí)采用的是一一對應(yīng)的方式，因此在有一個(gè)或一串LED失效的情況下，會(huì)出現(xiàn)暗班斑，從而影響整個(gè)信號燈的光效和圖形。而大功率LED由于相對比較集中，在配光時(shí)也近似地當(dāng)作集中光源進(jìn)行，因此上述缺陷均能避免；
⑩ 使用壽命不一樣：由于大功率LED具有以下特點(diǎn)，因此可以延長使用壽命；
a：管數(shù)少，支路少，因此容易使用支路恒流的電源，保證各個(gè)LED有著相同的供電環(huán)境，即使其中有個(gè)別失效，也不會(huì)影響到其它LED的供電電流；
b:散熱效果好，節(jié)點(diǎn)溫度相對就會(huì)降低，因此壽命就會(huì)延長；
c：允許工作電流較大，是一般LED的十幾倍，因此電流控制波動(dòng)幾個(gè)毫安，對大功率LED根本不會(huì)造成影響，而相對一般LED，卻可能是致命的打擊，因此對電源精確控制的依賴性較小，也有利于提高壽命。
3、 大功率LED信號燈的使用現(xiàn)狀及應(yīng)用前景
由于大功率LED的批量生產(chǎn)目前只有美國的LUMILEDS公司比較成熟，其發(fā)光效率可說是當(dāng)前世界上最亮的產(chǎn)品，這種產(chǎn)品應(yīng)用信號燈上，在國內(nèi)還不普遍，而歐美大多數(shù)國家都在使用中。目前全球大規(guī)模生產(chǎn)該種信號燈的廠家也不多，因此，設(shè)計(jì)開發(fā)這種產(chǎn)品，具有國內(nèi)、國際領(lǐng)先的地位。
最近，大功率LED信號燈產(chǎn)品也有向國內(nèi)推廣的趨勢，國內(nèi)用戶對其性能評價(jià)較高，但由于價(jià)格昂貴，用戶暫時(shí)難以接受。但在國外，據(jù)統(tǒng)計(jì)到2000年8月，這種產(chǎn)品的銷售已經(jīng)超過250000個(gè)，由此看來，這種產(chǎn)品的使用，還是深受用戶的信賴。
雖然大功率LED在國內(nèi)還沒有廠家能夠批量生產(chǎn)，但我們也高興地看到，有很多LED封裝廠家正在著力開發(fā)和解決這類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)問題，相信不久的將來，國內(nèi)將有更多的廠家、更多的產(chǎn)品涌入市場，打破目前的壟斷局面，這樣將來使用大功率LED信號燈取代現(xiàn)在一般的LED信號燈將完全可能成為現(xiàn)實(shí)。 |
