大功率LED在高架匝道上的應用研究

李 濤

(蘇州城市照明管理處，江蘇蘇州 215005)

1 引言

LED作為新一代綠色環保型固體照明光源，已經成為人們關注的焦點。與傳統的白熾燈和熒光燈相比，它具有高亮度、低能耗、長壽命、方向性好、響應快、環保等優點。目前單燈LED的輸出光通量在色溫4000K時已高于90lm W，遠高于普通的熒光燈，結合LED的這些特性我們在高架匝道上使用了LED匝道燈。為了使LED匝道燈能充分發揮其效能，就必須對LED匝道燈的配光分布、光效、眩光等參數進行分析研究，本文將采用配光計算法計算，用DIALux軟件對所設計的大功率LED匝道燈進行驗算和仿真分析，以保證LED匝道燈充分發揮其特性，在合理的配光、光效、眩光等范圍內工作，并保證其各項節能指標。

2 LED匝道燈應用場地分析

高架匝道特別是蝶形匝道道路路型非常復雜，也是引起交通事故頻發的地段，要保證匝道上的基本照度，同時又要保證整體建筑的設計風格。匝道照明的最理想處理手段就是在匝道的防撞護欄內側安裝匝道燈，要安裝匝道燈首先就要考慮到配光分布、眩光、頻閃等問題，下面就以下幾種情況來分析:

(1)在車輛行駛前方兩側防撞護欄內的匝道燈不能有直射光照射到駕駛員眼內，以防眩目 (見圖1、圖2)。

(2)在車輛行駛后方兩側防撞護欄內的匝道燈不能有直射光通過反光鏡反射到駕駛員眼內，以防眩目 (見圖1、圖2)。

圖1 有眩目Fig.1 Dazzling

(3)車輛在匝道上行駛途中，前方的路面除了要保證國標所規定的基本照度外，還必須保證均勻度不會給駕駛員造成頭暈目眩的頻閃現象，這就要考慮到配光分布。

圖2 無炫目Fig.2 No blinding

(4)匝道的坡度問題 (上匝道及下匝道)，這時要考慮的是，在車輛行駛前方 (上匝道)和后方(下匝道)兩側防撞護欄內的匝道燈不能有直射光照射到駕駛員眼內，以防眩目 (見圖3)。

(5)匝道上溫度、濕度、灰塵及震動等環境問題，這時要考慮的是匝道燈安裝在這種惡劣環境中，不但要安全可靠地運行，還要滿足其使用壽命。

圖3 匝道燈局部縱斷面位置圖Fig.3 Ramp lamp position

3 LED匝道燈燈具分析

從上述分析不難得出結論，唯一情況是向下配光才不會造成眩光，由于安裝場地局限性 (在防撞護欄內)、安裝高度低，又要向下配光而且配光方向性要求比較高，散射光要盡量少，燈具功率及整體外形均不能大，還要考慮到溫度、濕度、灰塵及震動等環境因素的影響，采用傳統燈具實現上述條件有一定難度。

根據這種情況我們開始考慮是否可采用LED光源，從現行的LED光源出光的光通量及性能價格比分析能否滿足基本照度需求，圖4為一款Cree芯片性能指標。

圖4 XLamp XT-E 白光 LED［6］Fig.4 XLamp XT-E W-LED

Cree XLamp XT-E白光LED是目前最高性能的白光LED，采用最新一代的Cree碳化硅基 LED芯片構建，可實現更高的光通量和功效，對于冷白光(6000 K)最高可實現每瓦特148流明，對于暖白光(3000 K)最高可實現每瓦特114流明 (均采用350 mA和85℃)，該產品特性見圖5、圖6、表1。

表2提供了XLamp XT-E白光LED的幾個基本訂購代碼。請特別注意此處所列的基本訂購代碼只是產品系列全部訂購代碼的一小部分。如需要更多訂購代碼，以及訂購代碼命名規則的詳細說明，請參閱XLamp XT-E分檔和標貼文檔。

從Cree芯片所提供資料可以看出以下結論:

圖5 相對光通量與結溫曲線圖(IF=350mA)-白光Fig.5 Lumen and junction temperature(IF=350mA)

圖6 相對光通量與電流曲線圖(TJ=85℃)-白光Fig.6 Lumen and current(TJ=85℃)

表1 特性Table 1 Characteristics

表2 光通量特征－白光 (TJ=85℃)Table 2 Lumen parameter(TJ=85℃)

①結溫和環境空氣溫度的影響:隨著結溫的升高特別是黃光光通量成幾何倍數下降，而工藝改進，現在的最高結溫已達到150°。從上面參數可以看出LED的結溫和環境空氣溫度分別維持在不高于90℃和85℃ (廠家給出的測試點)就可以達到LED芯片的流明維持率。

②正向電流的影響:最大正向電流直接影響著環境空氣溫度的高低，它也是決定結溫和環境空氣溫度是否升高的關鍵指標。

③根據市場調研，其價格為10元 Pcs左右。

根據上面的分析大功率LED光源已經完全達到實用階段。

下面就LED高架匝道燈進行亮度計算及散熱器的選擇來確定燈具。

4 亮度的計算

根據城市道路照明設計標準CJJ45—2006路面平均亮度計算公式［3］:

式中 r(β，γ)——簡化亮度系數 (查 CJJ45—2006附錄A);

I(c，γ)——燈具指向c、γ所確定的方向上的光強 (見圖7)。

因為進行亮度的計算過程比較復雜，我們采用DIALux照度軟件來計算同樣能達到目的，參數選擇見表3。

根據計算結果 (表4)我們初步確定了燈具的功率為15W，在實測中又反復做了10多次調整，接下來進行燈具的散熱部分的計算。

圖7 確定路面亮度系數的角度Fig.7 Angle for road luminance factors

表3 參數選擇Table 3 Parameter selection

表4 計算值Table 4 Calculation result

5 燈具散熱器的計算

5.1 散熱器材料確定

PN結點結溫的表達式為

其中，Pd為芯片組耗散的功率，Rja為PN結點到環境的總熱阻，Tj、Ta分別為PN結的結點溫度和器件周圍的環境溫度。

PN結點到環境的總熱阻為

其中 Rjs是從結點到熱沉;

Rsb是熱沉到散熱電路板 (鋁基板)的熱阻;

Rba是散熱電路板到環境空氣的熱阻 (傳導熱阻)。

若設PN結的結溫為85℃，環境溫度為65℃，選用12粒大功率LED的總功率為Pd=12W，根據式 (1)可得:

因Cree XLamp XT-E的熱阻可達到5℃ W，最大功率為5W，本文選擇熱阻為5℃ W 的LED，即Rjb=5℃ W，根據式 (2)可得:

Rba=Rja－RjbN=1.67－5 5=0.67℃ W，傳導熱阻Rba小于0.67℃ W的散熱器是可以滿足要求的。

5.2 鋁散熱器的翼片估算

在鋁散熱器與空氣對流時，散熱器的形狀和位置不同，散熱效果則不同［6］，流體沿著翼片的表面流過，此時的散熱效果最好，此時的熱傳導率為:

通過熱傳導實現的散熱量 (W)=熱傳導率［W (m2·℃)］×散熱面積 (m2)×與周圍的溫度差 (℃)

假設我們在80℃的散熱板上，讓40℃的空氣平行流過強制空冷散熱片，流速為2m s，散熱片為75mm×20mm。

雙面就是2.4W(翼片的兩個側面)。

但實際上不可能整個翼片都是相同的溫度。也許接近芯片的部分是80℃，但翼片上方的溫度會略微下降。因此，散熱量會小于上述的2.4W，例如，會減小到70%或者85%，這就是“翼片效率”，翼片效率可通過翼片的熱傳導率及尺寸進行計算。

式中 d——翼片長度 (m)

假設鋁的熱導率我們按 170 W (℃·m)，厚度1mm，我們將其代入到公式 (3)中，得出翼片效率為81%。就是說，每枚這種翼片的散熱量約為1.94W。散發18W(考慮了電源部分功耗)的熱量，那么就需要10枚翼片，我們又考慮到安裝在防撞護欄內通風情況不好、南方地區夏天溫度高、環境惡劣等因素的影響，所以選了21枚翼片。

通過上面的計算分析及數據比較，確定了燈具外形尺寸:255mm×135mm×45mm，燈具外殼材質采用壓鑄鋁，面板為高強度、高透明、耐高溫、防UV紫外輻射的平面鋼化安全玻璃 (厚4mm)，玻璃壓蓋選用了厚度≥2mm的不銹鋼材質，再加了一圈耐高溫密封圈，保證燈具防護等級為IP65，同時能滿足在惡劣環境下燈具能穩定可靠地運行，燈具輸入電壓為AC220V，輸入功率為18W，每套燈具內配12只大功率LED顆粒，為了得到較高光效，將色溫設為4000K±200K，采用了CREE芯片，圖8～圖10為實物照片。

圖8 壓鑄鋁殼體Fig.8 Die-casting aluminum case

圖9 玻璃壓蓋Fig.9 Glass gland

圖10 外觀尺寸Fig.10 Appearance of size

6 透鏡的配光設計

選用的透鏡是向下、向兩側投射開來的配光，70cm以外觀察者眼中不能有直射光，采用有機玻璃PMMA作為生產透鏡的材料。與玻璃相比，PMMA具有質量輕，易加工，價格低等優點，PMMA的折射率為1.49，透鏡的配光設計如下:

繪制透鏡尺寸圖，采用差分法解方程可得到多組離散數據［7］，采用Matlab制圖軟件繪制曲面網格，再將曲面網格的離散點數據導入Pro Engineer軟件，在Pro Engineer軟件中構建自由曲面并進一步生成實際透鏡零件，把設計好的透鏡零件導入光學仿真軟件TracePro，構建光學系統進行光線追跡，設定透鏡材料參數為PMMA的參數。經光線追跡后，得到匝道燈在被照射面 (路面)的光照度分布圖，在Tracepro中把做好的配光曲線保存成IES文件，上面這個過程筆者是用Dialux軟件進行照度配光分析的，重新得到并導出IES文件，修正光學仿真軟件TracePro光線追跡，最終達到比較滿意的結果。圖11、圖12是光型分布圖 (Ta=25℃)和透鏡照片。

圖11 配光曲線Fig.11 Light distribution

圖12 透鏡Fig.12 Len

在實際測試后又增加了遮光反光板加以改進，達到無明顯眩光，照度均勻，總體來說基本實現了匝道的照明問題。實景照片見圖13。

圖13 實景照片Fig.13 The scence

7 結論

本文先對高架匝道照明進行了系統分析，找出了問題，再利用DIALux軟件計算出所需照度的功率值，選取合適的簡化模型計算其熱阻，再根據熱阻選擇合適散熱器材質，最后計算散熱器面積及幾何尺寸，在透鏡設計上給出了透鏡設計方案及設計思路。本文對LED燈具在高架匝道上的實際應用提供參考。

［1］馬澤濤，朱大慶，王曉軍.一種高功率LED封裝的熱分析［J］.半導體光電，2006，27(1):16219.

［2］陳元燈.LED制造技術與應用［M］.北京:電子工業出版社，2007:1222123.

［3］中華人民共和國建設部.CJJ45—2006城市道路照明設計標準［S］.北京:中國建筑工業出版社，2007.

［4］張奕，郭恩震.傳熱學［M］.南京:東南大學出版社，2004:232～233.

［5］劉靜，劉生春.大功率LED照明器的熱設計.光學與光電技術，2008(5).

［6］Cree XLamp XT-E產品系列技術數據表 CLD-DS41 REV 7.

［7］喬慶飛，林峰.LED路燈的自由曲面二次透鏡設計.應用光學，2012，33(4).