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船用LED航行灯及其控制器设计要点

文章来源:未知时间:2021-08-24 点击:
LED航行灯具有很多优点,但由于与传统白炽灯泡光源航行灯的不同之处,也给LED航行灯及其控制器的设计提出了新的要求,本文就其中LED光衰以及LED航行灯由多个LED灯珠构成这两点不同之处,对LED航行灯及其控制器的设计要点进行探讨。

1 、光衰

由于芯片结构、环境温度、工作电流等原因,LED光衰不可避免。如果LED作为普通照明灯具光源使用,光衰可能不会带来太大影响,但是航行灯作为海上避碰的一种重要手段,LED光衰如果不及时处理的话,就会导致航行灯能见距离达不到避碰要求,长期使用可能会造成严重后果,带来很大航行安全隐患。针对LED航行灯的这一特性,IMO 253(83)4.3条款有明确的要求:

“LED 的发光强度逐渐减弱,同时用电量保持不变。发光强度减弱的速度取决于LED的输出功率和温度。为防止LED发光强度不足:

.1 应起动报警功能以通知值班驾驶员发光强度降低至COLREG 要求的水平以下;

.2 LED应仅在制造厂规定的使用寿命(实际有效期)内使用以保持LED必要的发光强度。LED的使用寿命应由制造厂依据LED的发光强度在各种温度条件下以及在号灯运行中的温度条件下减弱的相关试验结果确定和明确通知,并考虑适当裕量。”

由上可知,IMO 253(83)允许两种不同设计以应对LED光衰的问题,下面结合设计的复杂程度、国外产品现状对两种设计进行分析:

(1)“起动报警功能以通知值班驾驶员发光强度降低至COLREG要求的水平以下”,要实现此要求,需要在航行灯内或者航行灯附近布置光强传感器,通过光强传感器测定航行灯发光强度,当发光强度低于COLREG要求的水平时,通过航行灯控制板发出报警,及时更换LED光源。这种方案需增加光强传感器,而且光强传感器的布置不能遮挡航行灯正常发光角度与强度,增加材料成本与制造难度。同时据笔者了解,目前国内外没有采取此种方案的成熟产品。

(2)“LED 的使用寿命应由制造厂依据LED的发光强度在各种温度条件下以及在号灯运行中的温度条件下减弱的相关试验结果确定和明确通知”,使用寿命并不是指LED从开始使用到损坏的时间,根据美国ASSIST(Alliance for Solid-state Illumination Systems Technology)的建议,L-寿命以LED光强下降到初始70%为界限,记为L-70。这个参数作为LED光源的基本参数,一般会标注在LED光源的出厂技术资料中,并可提供相应的检测报告。例如某型号1W LED组件关于寿命的技术参数标注:Reported L-70(7K)>42000 hours(55℃)。航行灯制造厂应以此为依据,在使用说明书中注明本制造厂生产的LED航行灯光源使用寿命(考虑适当裕量),并提供相应的备件光源。值得设计及检验人员注意的是,LED组件影响寿命的重要因素之一是驱动电流,LED组件关于使用寿命的检验报告进行寿命试验的其中一个重要的前提是保证驱动电流为稳定电流,只有在这个前提下,LED组件才能达到标称使用寿命。航行灯制造厂使用的LED组件的驱动模块可能为自制或者购买,都很难达到在LED组件标称使用寿命阶段一直保持稳定的驱动电流,这就需要将驱动与LED组件组装后进行整体试验,以最终确定LED航行灯光源的使用寿命。

在实际使用中如何准确记录LED航行灯使用时间是一个简单但容易在设计时被忽略的问题,这个问题可通过航行灯控制器来实现,在航行灯控制器中设计计时器,记录LED航行灯已使用时间,当使用时间即将达到使用寿命时,及时提醒操作人员更换LED组件。国外某型号航行灯控制器在其技术条件中对此功能有如下描述:“The NLC will learn the profile of the navigation light it is set to monitor and will follow it through its life, also indicating when the light is getting too old and must be replaced.”(“航行灯控制器可以在航行灯的寿命期间一直监视其状态,并且当航行灯将要达到其设定的最大寿命时指示提醒更换”)。

另外,如上所述,LED寿命是指光强下降到初始70%为界限,如果航行灯光强下降30%,能见距离必然达不到COLREG要求,这就要求出厂检验时必须将光强提升到大于COLREG要求的光强,这样当LED光源达到L-70使用寿命时,光强仍然能够满足要求。某国外产品取得船级社证书对于上述问题的描述如下:

表1 某品牌LED航行灯使用寿命描述

2、断丝报警

断丝报警作为航行灯控制板的一个重要功能,目的是在航行灯出现断丝故障时报警,提醒船员及时更换光源,保证船舶航行时的避碰要求。对此,IMO 253(83)5.4条款有明确的要求:

“船长不小于50m的船舶上的NLC应为下列故障提供报警:

.1 NL 供电故障;和

.2 故障,包括处于接通状态的灯的短路。”

对于电源故障报警的设计与传统航行灯控制器的设计相同,本文不再赘述。但是对于断丝故障报警,因为传统航行灯仅有一个白炽灯,只需检测一个光源的断丝故障即可,而LED航行灯受单个LED灯珠功率的限制,需多个LED灯珠组成航行灯的光源,这就需要检测每个LED灯珠的断丝故障,而不能采用传统航行灯控制板的断丝报警检测方法。本文结合国外成熟产品的两种方案进行探讨:

(1) 在LED航行灯内部进行检测,将检测结果传输到航行灯控制板进行报警,这种方案集成度高、性能可靠,但施工时需多敷设一条信号电缆。

这种方案要求LED航行灯的设计集成度高,并且由于航行灯工作环境恶劣,高温、湿热、盐雾等环境将影响精密检测电路的使用寿命,因此采用这种设计的方案较少。

(2) 在航行灯控制板内部检测,通过检测电流判断光源是否发生断丝故障,但是由于LED航行灯额定电流较传统航行灯小很多,这就增加了检测难度。1W LED灯珠额定电流为350mA,某型号LED舷灯额定电流0.24A(DC 24V),桅灯额定电流0.6A(DC 24V),可通过霍尔元件等电流检测器件,进行高精度电流检测,检测精度至少为单个LED灯珠的额定电流,精度高的同时需要避免电路干扰的影响,防止产生误报警。某型号航行灯控制器在其技术条件中对此功能有如下描述:“The Navigation Light controller (NLC) is able to monitor  Navigation lights very accurately and will detect whether the light is operational, has a partial fault or a complete fault –whatever the reason.”(航行灯控制器可以精确监视航行灯状态,监视其是否处于正常工作状态,无论任何原因导致的部分故障还是全部故障。)

随着检测元件与电路设计的成熟,只要设计人员在设计阶段认识到上述LED航行灯检测电流精度的需求,这种设计方案是非常可靠的。




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