LED路燈發展的趨勢——光源化LED模塊

摘 要:本文針對當前大功率LED燈具包括路燈、隧道燈、投光燈等多采用一體化的集成式結構，在故障維護時或壽命期結束后燈具只能整體返廠維修或更換等所帶來的不便，提出了大功率LED燈具的光源化設計思路。通過該光源化思路，燈具能夠現場快速維護，且多數部件能夠循環利用，有效延長LED燈具的生命周期。本文對實現LED燈具的光源化設計中的光學模組提出了幾種解決方案，并創新地設計了內曲面光學調制的光學模組，通過實測數據，可以看到此種方法是一種行之有效的大功率LED燈具的解決方案。

關鍵詞:大功率LED燈具 燈具維護 光源化思想 光學設計 內曲面配光

前言

為了響應國家節能減排的方針，尋求低碳發展模式，利用新興技術減少能源消耗意義重大。就照明而言，其用電占了全世界總用電量的20%。在這個大背景下節能高效的半導體照明產業發展如火如荼，尤其是LED在道路照明方面的應用更是備受關注。2009年，美國能源部宣布成立城市固態照明路燈組織，用來收集、分析LED路燈等燈具的照明相關的技術資訊和實例[1]。而在國內，科技部啟動“十城萬盞”半導體照明示范工程更是將路燈等大功率LED燈具推向廣闊市場。

而在路燈、隧道燈等大功率LED燈具應用實踐方面，從社會反饋的意見來看，大功率LED燈具應用還有一些常見的問題，如散熱、光衰及可靠性等。在檢測與維修方面，由于現有大功率LED燈具多采用一體化集成式設計，即燈殼與LED器件粘接為一體并封閉在玻璃內，這使得維護極其的困難[2] 。如果諸多LED器件有部分損壞，現場是無法更換的，這樣只能將燈具整體替換，或返廠維修，浪費資源，而且費時費力。實際上， 按照當前思路設計的大功率LED燈具，到了壽命期后，就必須整體全部拋棄，重新裝一批。而傳統采用傳統光源如鈉燈、金鹵燈、熒光燈等的燈具，如果光源損壞，幾分鐘就可以解決問題，光源壞了，燈具仍然可繼續使用。另外，不同大功率LED燈具廠家外形尺寸功率均不一致，那就意味著大功率LED燈具的通用性差，如果采購了實力弱的廠家，將來維護的零部件也找不到。所以，在諸多LED燈具研討會現場，許多路燈、隧道燈等管理處的同行們都不約而同的指出，即使LED燈具壽命確實很長，那壽命結束之后怎么辦?本文提出的大功率LED燈具光源化思路是有效的解決辦法。

本文討論的大功率LED燈具包括LED路燈、隧道燈、投光燈等，但為使觀點表達清晰，部分地方以LED路燈予以舉例說明。

圖1大功率LED燈具光源化示意圖

2大功率LED燈具光源化的思想與方案

2.1 光源化思想的設計及意義

光源化思想就指大功率LED燈具中若干顆LED光源做成一個配光、散熱與防水防塵IP等級等結構一體化的模組，一個燈具由若干模組組成，而并非原先的所有LED光源都安裝在一個燈具內。如圖1，整個LED燈具由三個部件組成，一是燈具基座，二是光源模組，三是驅動器，這與采用傳統光源的燈具是一樣的。燈具基座用來與燈桿固定及承載光源模組并起簡單的保護作用;光源模組是一個配光、散熱及IP等級等功能經精心設計的模組，是燈具的核心部分;驅動器提供能量，可以放置在燈具內，也可以與之分離。這樣要有兩個接口，一是能量接口，即驅動器與光源模組的接口;二是結構接口，即光源模組與燈具基座接口。前者能量接口用防水接頭相連接，后者結構接口其外形可以是方形、也可以是長條形，或其它形狀，從長遠來看應該有個標準規格，就像目前的高壓鈉燈等大小規格一樣。固定方式可以是螺釘，也可以是卡口或彈簧扣。這樣，大功率LED燈具維護、檢修就非常方便。如果驅動壞了，換驅動;如某個LED光源模組損壞，就換損壞模組;如果將來LED光源壽命到期或產品更新換代，只要針對其中的部件進行更換即可，無須燈具整體更換。一方面節約了成本，另一方面操作方便。整個維護過程與采用傳統光源的燈具一樣的方便。

2.2光源模組的實現方案

大功率LED燈具光源化設計的難點與核心就在于光源模組的設計，因為要在光源模組內同時實現配光與散熱，并且要達到規定的IP等級。實際上，光源模組就是一個小燈具。對于IP等級的實現比較容易，有比較成熟的解決方案，一般而言采用密封圈加螺絲就可以了。在散熱方面，相對原先一體化的思想，在同樣的散熱解決方案下，熱源分散了，散熱更加有利。在配光解決方案上，可以有一些新穎的實現手段。

2.2.1采用常規二次光學透鏡

把透鏡置于LED外進行二次光學設計來配光，外面再加玻璃進行密封，如圖2所示。這就是最常規的二次光學透鏡設計方法。該方法中透鏡及密封玻璃均形成光的衰減，因而影響燈具總體效率。

圖2 二次光學透鏡解決方案

2.2.2采用光學透鏡一體化透鏡

由于IP等級的要求，目前的路燈、隧道燈等基本都外加了一層平板玻璃。而這層玻璃不可避免地要造成約10%的光通量的損失。所以有些路燈、隧道燈廠家就把燈具內的透鏡設計加工成一個整體。這樣，燈具整體效率可以提高10%以上，非常的有意義。而當前的透鏡多為外表面配光，最廣泛的就是類花生殼形狀，所以不可避免的做成一整塊后表面不平整，凸凸凹凹，如圖3所示。這樣一方面容易積灰塵，道路上風沙灰塵較多，而這些粉塵易積聚在凸凹的間隙內，降低效率，還會影響配光;而另一方面，在維護上也不方便，間隙內擦拭也困難。因此，外表面平整光滑會更加具有優勢。為了能做到光學透鏡一體化并且外表面光滑平整，筆者設計了內表面配光的透鏡。

圖3 一體化透鏡解決方案

3內表面配光透鏡的設計

3.1透鏡內表面配光的原理

本節討論的設計以LED路燈為例。

每顆LED出射光線分為兩部分，一部分為內表面調制光線，另一部分為大角度的全反射光線。如圖4所示，全反射光線只占LED總光通的較少比例，只要合理的設計透鏡側面，使得大角度光線發生全反射即可。由于該透鏡的特點在于外表面是平面，所以主要起光線調制作用的是內表面。透鏡的長軸方向主要是讓出射光線光束角增大，使得配光曲線成較大角度的蝙蝠翼，照在目標面的軸向上，所以透鏡中間薄兩邊厚。而透鏡的短軸方向主要是讓光線光束角減小，調制光線照在有效的路面上，避免角度太大照到路面外甚至居民家里，成為光污染。

圖4 內曲面調光透鏡

3.2內表面配光透鏡的光學模組

由于外面是平面，上述的透鏡就很容易組合連接成一個實體，如一長條形的光學模組，如圖5所示。并且外表面的厚度對配光基本不受影響，這就很方便進行結構設計。圖6、7分別為點亮的照片及實測配光。

圖5 內表面配光透鏡組

圖6 光學模組點亮的照片

圖7光學模組實測配光曲線

該LED光學模組由光效約110lm/W的LED組成，點亮后實測整體光效為86lm/w。所以這種透鏡一體化非常有意義，減少了玻璃的10%左右反射的損失。而采用內表面進行配光使得結構緊湊，且外表面為光滑的平面，相對于外表面配光的透鏡結構有更長的生命周期。

圖8 實際應用照片

圖8是按照以上設計的光源化模塊制作的LED路燈在復旦大學校園內的實際照片，燈具功率為實際輸入91W，遠處對比的是250W的高壓鈉燈。可見效果良好。

參考文獻:

《美國能源部宣布成立城市固態照明路燈組織》.中國照明電器.2009，8:42.

林海闊，葉峰. 淺談大功率大功率LED燈具現狀[J].科學通報.2009，13(3):28-30.

專利公開號:CN201187704，一種LED燈條組成的照明燈具.

Optoelectronics Industry Development Association (OIDA)，”The promise of solid state lighting for general illumination-Light emitting diodes (LEDs) and organic light emitting diodes (OLEDS)”.2001.

P. Pinho， E.Tetri and L. Halonen， “Synergies of controller-based LED drivers and quality solid-state lighting，”PRIME 2006，2006，pp. 405-408.

Navigant Consulting Inc: Energy Savings Potential of Solid State Lighting in General Illumination Applications， Final Report prepared for Lighting Research and Development Building Technologies Program Office of Energy Efficiency and Renewable Energy U.S. Department of Energy， December (2006).