白光LED路燈的應用及分析

陳彪彪 呂桂紅

（廣東廣晟光電科技有限公司，廣東廣州 510006）

白光LED路燈的應用及分析

陳彪彪 呂桂紅

（廣東廣晟光電科技有限公司，廣東廣州 510006）

人類的照明技術一直在進步，作為照明物質基礎的電光源經歷了熱輻射光源、氣體放電光源等發展歷程，已經開始步入固態光源時代。LED作為固態照明的主要光源，是照明領域近年來發展的最大亮點，受到各國政府與產業界的高度重視。一方面技術的進步使LED光效等性能指標快速提高，另一方面性能的快速提高也成就了價格的下降并進入各種照明市場。針對LED應用于照明領域，本文首先簡要介紹了白光LED的基本原理，然后闡述光學設計對燈具效率的影響，分析燈具整體的可靠性影響因素，最后對LED路燈在工程中的應用進行了分析。

白光LED 光學設計 可靠性 工程

1 白光LED

從本質上講，LED是一種單色光源，然而在照明應用中，單色光遠遠不能滿足各類需要，白光LED才是固態照明技術用于普通照明的最終目標。本節主要介紹工藝成熟的藍光LED加黃色熒光粉方法，該方法在現今業界中應用廣泛［1］。

藍光LED加黃色熒光粉產生白光；LED的光學特性要通過封裝來實現，LED封裝的主要目的是確保發光芯片和電路間的電氣和機械接觸，并保護發光芯片不受機械、熱、潮濕及其他外部影響。如圖1所示為在藍光芯片加熒光粉做成LED的結構示意圖1。

通過藍光芯片發出波長約為465nm的藍光，打在YAG熒光粉上，激發出波長約為570nm左右的黃光。通過色度圖中可以知道，這兩種光色合成在一起即呈白光。通過LED發出的光和熒光粉激發出的可見光的合成，實際出光光通量是部分透射藍光與黃色熒光粉二次發光之和，這種方式的光譜示意圖如圖2所示。

隨著LED研發技術的不斷突破，LED光效提高、可靠性提高且價格降低，使得大功率的白光LED應用于照明也隨之推廣開來，LED開始應用于道路照明領域。

2 LED路燈應用及分析

大功率LED燈具應用于功能性照明，一方面要注重效率，這關系到路燈的整體可靠性；另一方面，大功率燈具都對配光有要求，因為這關系到燈具發出光線的有效利用率。

2.1 光學設計

傳統光源照射方向為360°，燈具依靠反射器將大部分光線反射到特定方位，只有40%左右的光是直接透過玻璃罩到達路面。LED燈的絕大部分光線都是前射光，可以實現＞95%的光效，這是LED區別于其他光源的重要特性之一。

LED路燈采用獨特的二次光學透鏡模組和“帶狀光斑”出光設計。光斑長度由LED出光角度來確定，從而合理地控制光的分布，避免了光的疊加浪費，降低了光損耗，實現了燈桿之間帶狀光斑的彼此連接，使其達到了國家標準規定的各項亮度指標。通過LED燈具二次配光設計，使燈具出光形狀滿足路面照度、亮度、均勻性等參數的要求［2］。

圖1 藍光芯片加熒光粉做成LED的結構

2.2 燈具可靠性

LED的壽命長，目前理論上可以達到10萬小時之久，但是由于受到LED驅動電源和其他零固件的壽命影響，從而使得LED路燈燈具系統的壽命達不到10萬小時。燈具的可靠性可分為模組的可靠性，電源的可靠性，以及整體結構的可靠性。本節通過散熱管理和防護等級討論燈具的可靠性。

（1）散熱管理；散熱主要有三種方式，即熱傳導、對流和輻射。對于LED模組，熱傳導主要發生在LED芯片與基板、散熱器之間，熱傳導的效率決定于熱流通道的熱阻，必須設計一個熱流通道將LED芯片所發出的熱能傳遞到散熱器上。熱流通道上的每個環節都存在熱阻，通過減小接觸界面的熱阻，可以大大提高傳熱效率［3］。當熱量從芯片傳導出來至散熱器，熱對流主要發生在散熱器和周圍空氣之間，熱輻射是以輻射波的形式達到熱交換的目的。通過優化散熱器設計，達到最大的與空氣對流換熱效率；對散熱器做表面處理，加強輻射散熱。散熱管理的最終目標是降低LED芯片結溫，最終提高LED燈具的可靠性。（2）防護等級；LED芯片十分脆弱，細微的劃傷就可能傷及電極，從而使得器件失效。如果長期暴露在空氣中的芯片會被氧化。芯片通過封裝，可以保護發光芯片不受機械、熱、潮濕及其他外部影響，達到一次防護目的。LED路燈模組發光系統的透鏡采用抗紫外線輻射的PC材料，用螺絲將硅膠圈與散熱器固定的方式，與驅動器連接的部分用防水連接線連接，可以滿足戶外使用的防護級別。電源通過灌注耐寒、耐高溫、導熱性好、絕緣性好、阻燃性好的防水膠。整個LED燈具的能量接口系統處于高防護狀態，保證

圖2 藍光加不同YAG熒光白光LED光譜圖

了使用的可靠性。LED路燈燈具系統面臨各種戶外惡劣的工作環境，通過良好的散熱管理和高防護級別，燈具整體的可靠性大大提高，壽命使用延長，最大的獲得新技術給施工及管理人員帶來便利，減小后期維護。

3 道路照明應用中存在的問題

隨著半導體照明技術的發展，我國科技部啟動“十城萬盞”半導體照明工程，三年計劃安裝達百萬盞LED路燈，眾多城市都計劃將傳統的高壓鈉燈更換為新型的LED路燈，使得LED路燈的應用得到了快速的發展。然而技術方面仍然需要發展和更新，更需要加強工程建設和市場管理，只有這樣才能真正促進LED路燈功能與作用的發揮，引領我國半導體照明行業健康發展。

3.1 產品標準不一，管理不佳

在多個政府部門的協調之下，我國已制定相關的標準，但這些標準認證體系大多是圍繞術語、定義、測試方法、安全要求等制定的，對于應用設計方面的標準并不多見，導致多數企業在低水平上進行重復性建設和競爭。不同廠家沒有嚴格執行標準，相互之間缺少溝通與合作，生產出來的燈型不能夠通用，質量水平也各不相同。LED路燈工程施工后，日后的維修與管理仍然需要依靠生產商，用戶不能實現獨立工作。經過長時間的使用與管理，具體的維修任務則繁重不堪，這種后期維護不斷累加的成本必然加劇了施工單位的成本負擔。通過產品標準的貫徹與落實，實現燈具的互換性，減小后期維護帶來的問題。

3.2 整體功能有待提升

與傳統的高壓鈉燈路燈相比，遇到霧霾天氣時，LED路燈的照明效果則有所下降，因為其光源顏色多為藍色或白色，其光線穿透力則稍低，在某種程度上，高壓鈉燈更有優勢。因此，LED路燈的功能與性質仍然需要改進和提升。

LED路燈在道路照明應用中具有明顯的節能優勢，在整體功能上要達到以下要求：（1）要滿足安全的基本要求，達到結構安全（防臺風）、電安全（防雷等）和熱安全；（2）滿足駕駛員的視覺作業要求，路面效果均勻，無眩光，舒適；滿足行人的生理和心理的舒適感和安全感，無陰影，舒適的色溫，高顯色性；（3）滿足戶外照明市政工程的基本要求，長壽命、高可靠性、耐候性、易維護、智能化和網絡化。

4 結語

LED作為一種綠色光源具有遠大的市場前景。良好的光學設計，可以使光利用率達到最佳；提高燈具的可靠性，可以使使用成本整體下降。加強應用中的管理，規范LED產業的成長，提升LED的整體功能，使LED在道路照明中的發展更加快速。

［1］劉木清主編.LED及其應用技術［M］.北京：化學工業出版社，2013.

［2］羅元，毛健偉.一種利用自由曲面透鏡的LED路燈配光設計與研究［J］.光學儀器，2012（2）.

［3］趙敏，陳志平.大功率LED燈的熱分析與熱設計［J］.機電工程，2012 （2）.