智能化快速散熱及分體模塊LED路燈關鍵技術的研究

沈華耿 唐苗峰 宋盛吉

摘要：一種智能化分體式LED路燈，包括LED電源、安裝架和LED光源，LED電源通過電線與LED光源連接，LED光源包括多個獨立的LED發光單元，LED發光單元包括LED發光模組和散熱器，LED發光模組包括正面布設有LED發光電路的鋁基板和設置在鋁基板正面的LED燈珠，散熱器包括散熱基板和間隔設置在散熱基板背面的多個散熱片，鋁基板的背面和散熱基板的正面貼合，安裝架為條形，多個LED發光單元的中部分別以可拆卸式方式固定安裝在安裝架上且沿水平方向依次排列，相鄰兩個LED發光單元的散熱基板之間具有間隙；優點是散熱效果好，維修簡單方便，安裝難度小且安裝工藝簡單。

關鍵詞：LED路燈；道路照明；模塊化

1、前言

目前道路燈具中普遍采用的光源是高壓鈉燈或金屬鹵化燈，這兩種光源的最大特點是，發光的電弧管尺寸小，由于尺寸很小的電弧管產生很大的光輸出，并且具有很高的光效，前者包括配套電器，可達110lm/w，后者包括配套電器可達80lm/w。但這類光源應用在道路燈具中時，只有40%左右的光直接透過玻璃罩到達路面的，其它的光是通過燈具發射器再投射出燈具的，目前普遍采用此類光源的傳統燈具基本都存在兩個不足，一是燈具直接照射的方向上照度很高，在次干道上可達50lx以上，這一區域屬于明顯的過渡照明，而兩個燈具的光照交叉處的照度僅為燈下照度的20%～40%。二是此類燈具的反射器的效率一般僅為50%～60%，所以有60%左右的光輸出在燈具內，是在損失了40%～30%后再投射到路面上的。此類燈具的總體效率一般都在70%左右。并且上述的過渡照明區域中過多的照度也屬于浪費。綜合上述分析上述傳統的道路燈具其綜合的有效照明效率（扣除過度照明部分）僅為50%。也因為上述原因，目前我國次干道的照明效果（路面照度和照度的均勻度）基本都達不到CJJ45-2006和CIE31以及CIE115的標準要求[1]。而LED作為第四代光源，不但具有節能、環保作用，而且由于其自身特點（方向性、高顯色性、結構易設計和控制方便等）引起了普遍的關注[2][3][4]，隨著LED芯片發光效率的不斷提高，尤其是100lm/w的芯片面世，LED道路燈將逐漸取代傳統道路燈（鈉制燈、鹵素燈等）。而市面上很多款式的LED路燈質量不穩定，其主要原因是難以散熱和難以設計光分布，故使用多個模塊組合成不同功率的LED路燈成為了研究和市場主流。由于鈉制路燈的色溫一般低于3000K，顯色指數低于40，低色溫光線具有穿透霧和水汽的能力強，光線柔和，溫暖，路面反射率高等諸多優點。所以低色溫高光效的LED路燈成為目前市場研究熱點，同時很多LED路燈都是整體式的，所謂的分體式也拆裝也很復雜，維護成本很高，維修時需要把整個燈拆下返廠維修。本論文著重介紹本公司開發的低色溫、高發光效率和低光衰、安裝便捷的LED路燈。

2.產品特點

本公司研究人員針對目前市場上高功率LED模塊功率衰減大，發光效率低等問題，開發了一種新型的模塊化LED路燈。其結構如圖1所示。此結構獨特之處是整個燈具是通過多個光源模組組成，單個模組的功率25-60W，根據燈具光通量、光效、功率、配光曲線選用不同的規格、數量的模組，此款路燈的模組可從2模組擴展至10模組，功率可做50W-300W。

圖2是路燈的LED模組的結構示意圖，LED模塊發光模組包括正面布設有LED 發光電路的鋁基板和設置在鋁基板正面的LED 燈珠，散熱器包括散熱基板和間隔設置在散熱基板背面的多個散熱片，鋁基板的背面和散熱基板的正面貼合，模組工作時，LED燈具會產生大量的熱量，通過散熱器的鱗片均勻的發散出去，同時燈具的模組之間有11mm的間隙，可讓上下空氣形成對流，加速散熱器的散熱速度。

本研究的智能化快速散熱及分體模塊LED路燈安裝后，如燈具有質量問題，無需專業技術人員，普通電工均可維修。擰下散熱器安裝板上的固定螺絲，就可非常便捷的更換新的LED模組，壞的模組返廠維修便可，不用把整個燈具拆回原廠進行維修，無形之中增加了路燈養護企業的備品備件成本。

3. 試驗與測試

LED路燈模組采用美國CREE功率型LED芯片，28顆芯片，其功率為20W。將10個LED模組組裝成一臺200WLED路燈，放入可靠性測試設備中，高低溫循環測試（-45～50℃）100小時，然后有上海半導體照明工程技術研究中心抽樣檢測，采用杭州遠方的LED300光色電綜合測量系統和LED620光強分布測試儀分別測試樣品的光電參數和平均光強擴散角，測試方式為恒流點亮5分鐘后測試。（我們研究發現LED路燈點亮5分鐘后其電壓不再變化，發光效率也基本不再變化，此法衡量LED的各項光學參數應更準確）。光衰測試采用點亮6000小時后測試。

3.結果與討論

為了數據更具有說服力，本公司邀請上海半導體照明工程技術研究中心抽樣檢測，表一為上海半導體照明工程技術研究中心檢測數據：

從上表可以發現，200W LED路燈模組的色溫4802K，但是其發光效率卻高達178.4lm/w，雖然高壓鈉制燈的發光光效率高達110lm/w，但是其發散角很大，有效利用的光通量約占50%，而LED路燈模塊具有方向性，故其光通量幾乎可被完全利用，相比較而言，此LED路燈模塊的應用前景更好，加上LED芯片的發光效率不斷提高，價格不斷下降，LED道路燈必將逐漸取代高壓鈉制燈和其他相關道路燈。高發光效率燈模塊一直是研究難點，其色溫可控范圍為2000-7000K，可按照用戶的要求來設計色溫和發光效率。

透過改變透鏡形狀，我們設計出了不同光強擴散角的LED模塊，以適用不同環境的照明需求。配光角度有25°、40°、60°、90°、120°等范圍，配光方式有按角度投射配光、雙等配光、燈亮度配光、大桿距等亮度配光、豎直大桿距等亮度配光等方式。

在實際應用中，只需要將此模塊安裝在燈具上就可以實現矩形、橢圓或蝙蝠形光斑照明，此模塊適合不同類型的燈具，解決了令燈具廠商頭痛的燈具配光問題。

上海半導體照明工程技術研究中心抽樣測試了本公司100W路燈的光衰，結果顯示點亮3000小時及6000小時后，燈具的總光通量不僅沒有下降，反而升高了1.1%、1.4%，鮮見于市場上其他設計的大功率LED模塊。

4.結論

此模塊化燈具有廣泛的應用，不僅僅可用于LED路燈使用，也可同時用于LED投光燈、隧道燈等場景的照明，投光燈、隧道燈的配光需求不同于路燈，因此開發多款不同的LED鋁基板及配套的配光透鏡。

本公司開發出一種新型的適合照明用的LED模塊，此模塊具有低色溫、高光效尤其適合路燈、隧道燈，泛光燈和投影機等照明。本技術解決了目前低色溫、高光效難以制備的難題。為LED室外照明開辟了一條新的思路和方法。本LED模塊已經投入市場，目前本公司研發人員又開發出了20W、30W、40W、50W、60W等系列的低光衰溫、高光效的（實驗室已可達到180lm/w）LED模塊，此模塊的光強擴散角（50%）可設計為30°，45°，60°和70°；照度范圍可設計為圓形，橢圓形和類矩形等。

5.結束語

針對目前國內LED路燈散熱性能差及整體安裝和整體調換、使用壽命短、維修困難及裝配難和安裝成本高等狀況，研發出完全擁有自主知識產權的新型智能化快速散熱及分體式模塊LED路燈，實現LED路燈的信息化、簡體化、智能化，對提高LED路燈生產企業快速反應能力、生產效率和現代化的管理水平，推動寧波市高新技術產業，提升行業自主創新能力，增加行業綜合效益，引領行業技術發展方向等方面均具有重大現實意義。

參考文獻：

[1] 城市道路照明設計標準，CJJ45-2006，2006-12-19發布，2007-07-01實施，中華人民共和國建設部

[2] Steigerwald D A，Bhat J C，Collins D，et al. Illumination with solid state lighting technology[J]. IEEE J. Selected Topics in Quantum Electron.，2002，8（2）：310-320

[3] Narendran N. Improved performance of white LED [J]. Proc. SPIE，2005，5941：1-6

[4] 錢可元，胡飛，吳慧穎，等.大功率白光LED封裝技術研究[J]，半導體光電，2005，26（2）：118-120