高功率LED道路照明燈具應(yīng)用狀況分析

摘 要：文章根據(jù)現(xiàn)時(shí)高功率LED路燈的實(shí)際使用情況分析了衡量道路照明節(jié)能狀況的重要指標(biāo)——光效值，分析符合道路照明基本要求的高功率LED路燈的主要物理參數(shù)。由配光曲線設(shè)計(jì)、散熱結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)電路等角度去討論如何提升高功率LED路燈光效、減少光衰的技術(shù)方案。

關(guān)鍵詞：道路照明；LED路燈；配光曲線；散熱；驅(qū)動(dòng)電路

中圖分類號(hào)：TM923.34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2015）21-0062-02

1 背景概述

在國家大力倡導(dǎo)減少能源使用，推行綠色經(jīng)濟(jì)的今天，LED燈以其節(jié)能、環(huán)保、壽命長、響應(yīng)速度快、顯色指數(shù)高等特點(diǎn)得以在我國以極快的速度發(fā)展。早在2008年，國家就提出了“十城萬盞”的道路照明示范工程項(xiàng)目，該工程項(xiàng)目極大地推動(dòng)了LED路燈的研發(fā)與生產(chǎn)。

由于LED光源的光效在持續(xù)增加，所以LED路燈也隨之在性能上有了質(zhì)的飛躍，市面上也出現(xiàn)了數(shù)量眾多的各種類型的LED路燈，這些LED路燈有相當(dāng)一部分具有較高的道路照明使用價(jià)值，故高功率LED路燈有逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的高壓鈉燈的趨勢而成為道路照明的主力軍。

根據(jù)相關(guān)認(rèn)證單位對(duì)近年來送檢的LED路燈所測量得到的光照數(shù)據(jù)可以知道，LED路燈在光通量輸出這個(gè)指標(biāo)上獲得較為顯著的改進(jìn)。與傳統(tǒng)的用于道路照明的功率為100 W左右的高壓鈉燈比較，在初始光通量這個(gè)指標(biāo)上LED路燈要領(lǐng)先于高壓鈉燈，因此，它完全具備了應(yīng)用于城市道路照明的實(shí)踐條件，鑒于目前LED路燈技術(shù)的研發(fā)力度與速度，它有望成為新一代城市道路照明的核心燈具。

2 高功率LED路燈實(shí)踐中的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 高功率LED路燈的特點(diǎn)

由于高功率LED路燈擁有低功耗和壽命長的特點(diǎn)，所以它成為眾多行業(yè)專家推選的道路照明中所使用的燈具類型，而造就LED路燈擁有上述優(yōu)點(diǎn)的因素是其出色的能效數(shù)值以及設(shè)計(jì)得當(dāng)?shù)姆从彻鈴?qiáng)分布特點(diǎn)的配光曲線圖，另外，良好的驅(qū)動(dòng)LED燈具工作的控制電路以及散發(fā)熱量的燈具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也有助于LED燈具發(fā)揮出它的優(yōu)勢。

2.2 高功率LED路燈能效

在能效方面上，即使傳統(tǒng)高壓鈉燈在電子鎮(zhèn)流器以及其它方面的能量散失上占到了總功率的70%左右，但是它的初始光通量仍然具有相當(dāng)高的數(shù)值，雖然LED燈具可以通過后期的配光曲線優(yōu)化來提升燈具的光使用效率，但是總體而言在能效方面上與超過100 W功率的高功率高壓鈉燈相比，LED路燈還是存在一定的差距，現(xiàn)時(shí)LED路燈在城市主干道路上還不能真正替代傳統(tǒng)使用的高壓鈉燈用于道路照明。

2.3 高功率LED的芯片

現(xiàn)階段高功率LED芯片在由電能轉(zhuǎn)換為光能的效率上并不令人滿意，很多時(shí)候是低于25%，換句話說就是多達(dá)75%的能量轉(zhuǎn)換為熱量散發(fā)出去了。通過對(duì)國外某家知名公司出品的LED芯片做測試所得到的數(shù)據(jù)表明，在LED芯片的溫度每升高20 ℃時(shí)，總的光通量輸出就會(huì)隨之減少5%～8%，使用壽命也以隨之出現(xiàn)迅速下跌的狀況。所以把LED芯片的結(jié)溫穩(wěn)定在一個(gè)相對(duì)低的數(shù)值，才可以使得LED光源發(fā)出穩(wěn)定的光線，即如何設(shè)置出一個(gè)出色的散熱結(jié)構(gòu)是提升LED路燈性能的關(guān)鍵。

2.4 解決LED路燈散熱問題的方法

在解決LED路燈散熱問題時(shí)可以從以下兩點(diǎn)出發(fā)：

第一是使用熱沉把LED芯片在工作過程中所產(chǎn)生的熱能量吸取出來并引導(dǎo)給散熱器。

第二是在LED路燈的研發(fā)生產(chǎn)過程中實(shí)施二次散熱設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)方案分為散熱器散熱和熱管散熱兩種情況。

使用散熱器方案時(shí)，可以將散熱器設(shè)置于燈具的外殼上形成整體的結(jié)構(gòu)，當(dāng)然還可以將散熱器配置于燈具內(nèi)部并使用受溫度控制的風(fēng)扇輔助散熱。使用熱管方案時(shí)，則通常是配合鰭片、受溫度控制的風(fēng)扇等器件的不同組合方式來完成燈具的散熱。

2.5 LED路燈外殼的作用

路燈的外殼承擔(dān)著兩方面的作用，一方面是為了迎合防護(hù)等級(jí)的要求，必須將積聚在燈具內(nèi)部的熱量傳遞到外部環(huán)境中，所以良好的散熱是LED路燈外殼必須具備的一個(gè)條件，另一方面，由于LED路燈處于一個(gè)日曬雨淋的嚴(yán)酷環(huán)境，并且空氣中的沙塵和刺激性氣體也會(huì)對(duì)LED路燈的性能造成影響，所以LED路燈的燈具外殼也要具備易于長期保養(yǎng)的特點(diǎn)，不然也會(huì)影響到LED路燈的散熱性能，這方面不應(yīng)當(dāng)忽視。

2.6 衡量LED路燈是否滿足道路照明需求的物理參量

道路照明亮度（照度）、亮度（照度）均勻度、環(huán)境比、眩光極限值等都是衡量LED路燈是否滿足道路照明需求的物理參量。我們知道，LED燈具在不同的投射方向上的光強(qiáng)分布是不一樣的，它跟投射方向角的余弦值呈現(xiàn)正比的關(guān)系，所以LED燈具在出廠前，必須要對(duì)其配光曲線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得光強(qiáng)分布接近均勻的目標(biāo)，從而符合國家道路照明標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，獲得理想的道路照明環(huán)境。另外，在實(shí)際道路照明中還要綜合考慮路燈的布燈方式以及照明路面各項(xiàng)物理參數(shù)才能獲得較好的照明效果。

當(dāng)LED路燈在路面上所形成的光強(qiáng)分布形狀接近長方形時(shí)，就會(huì)得到符合道路照明標(biāo)準(zhǔn)的照明效果?，F(xiàn)今市面上的LED路燈具有各種各樣不同的配光曲線設(shè)計(jì)方式，使用得最多的設(shè)計(jì)方式有如下兩種：

第一種是將LED路燈內(nèi)部結(jié)構(gòu)的形狀設(shè)計(jì)為圓弧形，使用全反射的透鏡或者是反光杯配置于上述內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，這些透鏡模組以LED路燈中心軸對(duì)稱，LED光源所發(fā)出的光經(jīng)過這些弧形狀透鏡的作用后獲得矩形配光。

第二種是將LED芯片直接以平面延伸的形式在燈具內(nèi)排布，此時(shí)透鏡模組使用的是自由曲面透鏡，它們是非軸對(duì)稱的，單個(gè)LED芯片經(jīng)過自由曲面透鏡的作用后獲得矩形配光，從而LED燈具將會(huì)在路面上獲得理想的光強(qiáng)分布狀況。

除上面提到的影響LED路燈性能的三個(gè)要素外，LED驅(qū)動(dòng)電路的質(zhì)量也是決定LED路燈產(chǎn)品好壞的重要一環(huán)，這是因?yàn)樗c燈具的總效率相關(guān)，在確保產(chǎn)品成本的情況下，應(yīng)盡可能提升LED路燈控制裝置的效率，令該效率值大于或等于90%，并使功率因數(shù)不小于0.9。

而LED驅(qū)動(dòng)電路的質(zhì)量則是和構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路的內(nèi)部電子零部件在正常運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定表現(xiàn)情況有關(guān)，所以當(dāng)異常情況出現(xiàn)時(shí)，要提高這些零部件在實(shí)際運(yùn)行過程中的可靠度。

另外，LED路燈的驅(qū)動(dòng)裝置還要具備抵抗EMI以及雷電等極端天氣的能力，因此LED路燈驅(qū)動(dòng)裝置的防護(hù)性能也要提高。當(dāng)LED驅(qū)動(dòng)電路的質(zhì)量提高后，整個(gè)燈具的使用壽命也會(huì)相應(yīng)地提升。我們在LED路燈產(chǎn)品的實(shí)際使用過程中經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)，燈具的報(bào)廢大多數(shù)情況是由驅(qū)動(dòng)電路的損壞而造成的，所以可靠性高的驅(qū)動(dòng)電路可以最大限度地提高電源效率和保護(hù)好LED光源，從而延長產(chǎn)品的使用壽命。

3 結(jié) 語

通過以上的分析可以看出，在LED燈具的產(chǎn)品研發(fā)過程中需要著重關(guān)注配光設(shè)計(jì)、散熱結(jié)構(gòu)以及驅(qū)動(dòng)電路等幾個(gè)方面，根據(jù)光源的特點(diǎn)、實(shí)際路面環(huán)境和規(guī)定的道路照明的標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)計(jì)高功率LED燈具。因?yàn)長ED光源獨(dú)有的特點(diǎn)，所以在將它應(yīng)用到不同結(jié)構(gòu)類型的燈具時(shí)，會(huì)出現(xiàn)許多與傳統(tǒng)高壓鈉燈不同的地方，這些差異會(huì)直接或間接地影響到燈具產(chǎn)品的質(zhì)量。我們需要客觀地分析目前半導(dǎo)體照明存在的問題，以便正確地認(rèn)識(shí)LED路燈的質(zhì)量問題，這樣才能為日后提升LED路燈的產(chǎn)品的質(zhì)量打下理論基礎(chǔ)。

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