一種小功率LED隧道燈設計方案

俸玉成

【關鍵詞】成本低;易維護;氣密性;防塵

【中圖分類號】U453.7 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2021）08-0025-03

1 技術領域

本設計方案屬于隧道照明技術領域，涉及一種小功率LED隧道燈概念。

2 技術背景

隨著近幾年來國家對“新基建”的鼓勵力度加大，全國各地陸續拉開了“新基建”大幕。城際高速鐵路和城市軌道交通作為“新基建”的七大領域之一，自然在全國各地如火如荼地進行。作為“基建狂魔”的中國，自然是遇山開山、遇水架橋。廣西總體為山地丘陵地貌，高鐵想要穿越廣西，必將是隧道縱橫[1]。

隨著隧道的不斷增加，隧道內的照明燈具需求量也不斷增加。隧道內的環境特殊，所以對隧道內的照明燈具也有特殊的要求。首先，隧道內陰暗潮濕，燈具不僅要能滿足道路照明的照度要求，還要有優異的防水防潮性能。其次，隧道內有各種汽車排放的尾氣及油氣，加上路面粉塵飛揚，極易堆積在燈具上，影響燈具光效及散熱性能，這就需要隧道燈具散熱性能要好，而且要有良好的耐腐蝕及防塵能力。最后，隧道燈具需24 h亮燈，并且隧道燈具又不能和其他戶外燈具一樣可以不定期地得到雨水的沖洗，這就需要隧道燈具的使用壽命要長且日常清洗、維護方便[2]。

我國中長期規劃的十大節能課題中，綠色照明就是其中之一。LED光源為全固體光源，具有體積小、耗電量少、使用壽命長、無污染、可回收等優勢，必將取代傳統光源。LED隧道燈必將取代傳統的高壓鈉燈，達到節能、減排、環保的目的[3]。

隧道內部與外部光環境相差很大，在隧道兩端出入口很容易產生黑洞或白洞等效應，所以出入口及過渡段照明燈具會選擇功率較大的，而中間段則會選擇小功率燈具。隧道越長，所需的小功率燈具就越多。所以，如何做好一款小功率LED隧道燈一直是個值得長期研究的課題。

3 設計方案內容

3.1 設計思路

小功率LED隧道燈的設計思路與一般的LED燈基本原理相同（如圖1所示）。220 V交流電通入隧道燈后，隧道燈攜帶的電源將其轉化為燈具所需的直流電，直流電通過燈板上的發光二極管，將電能轉化為光能，轉化出的光再通過光學透鏡進行二次配光，讓其變為能夠滿足隧道照明需求的光。

設計思路明確后，我們就可根據LED隧道燈的各個組成部分進行設計。首先是光學部分，可根據《隧道通風與照明標準》及隧道的實際情況，如車道、車速、車流量等因素，再利用光學軟件模擬出所需燈具的功率大小及透鏡發光角度[4]。其次是電子部分，根據光學模擬出來的功率大小及透鏡規格，選擇合適的驅動電源，根據發光二極管的數量及分布設計PCB板。再次是結構部分的設計，包括散熱器、“U”形支架、燈具安裝及包裝。最后是進行氣密性測試，保證所設計的產品達100%合格率。

3.2 小功率隧道燈

3.2.1 燈珠及透鏡的選擇

假設通過光學模擬出來的結果是需要功率為30 W的隧道燈，那么我們就可選用“飛利浦”流明3030中功率燈珠，單顆功率為0.85 W，光效可達120～140 lm/W，色溫選擇在3 000～40 00 K范圍，顯色指數≥80.30 W，隧道燈共需要35顆燈珠。透鏡采用130×72°偏光類組合透鏡，能滿足隧道路面的配光要求，材質選用具有高透明度的PMMA，非常適合隧道照明使用。但通常這類透鏡表面都是呈花生米狀凸起的，特別容易積灰塵，并且不易清理維護，影響整燈的光通量。所以，此次設計增加了一個平面透光罩，用來解決燈具防水防塵問題，在平面的透光罩上，粉塵不易堆積，從而讓燈具達到易清理維護的目的（如圖2所示）。

3.2.2 PCB板設計及電源選擇

根據前面燈珠透鏡的選擇，首先可以確定好PCB板尺寸及發光二極管的發布位置。35顆燈珠可設計成5串7并的方式，一顆3030燈珠工作電壓為6 V，這樣一來，這盞30 W隧道燈的工作電壓就是5×6=30 V。根據燈具功率及工作電壓和電流選擇一款合適的電源，筆者選擇的是30 W防護等級為IP67的戶外恒流電源。正常情況下，電源功率不應低于燈具功率，否則影響電源使用壽命。其他功能可根據自己的需求選擇，如調光功能、關斷功能、相關認證情況及電源品牌等。

3.2.3 散熱器設計

設計前期，我們通常是按表面積計算散熱器的散熱能力。1 W所需的6063鋁型材散熱面積在4 000～6 000 mm2，所以30 W隧道燈散熱器的表面積應≥120 000 mm2。為了降低散熱器成本，要思考如何用最少的材料滿足表面積≥120 000 mm2的要求。為了降低整燈的結構成本，在設計散熱器時，還需考慮電源及“U”形支架的安裝問題。同時，需考慮燈具的美觀及方便檢測等問題。待整個產品設計完成后，再用熱仿真軟件進行散熱器的散熱模擬，根據模擬出來的溫度及熱量分布情況，對散熱片高度及間距進行調整，讓散熱器的性能達到最優。綜合各個因素，設計出的散熱器如圖3所示[5]。

散熱鰭片減薄且表面設計成波浪紋，降低材料成本的同時還能增大表面積。散熱鰭片不能過高，過高則熱量傳不上去，對散熱不利，散熱鰭片間距也不能過密，太密會影響空氣對流，散熱效果不好。散熱器兩側設計有“U”形支架安裝壁，用來安裝支架。散熱器背面設計有高于散熱鰭片的“T”形平臺，用于安裝驅動電源，省掉了額外的電源支架，也讓電源與散熱器間有一定的間隔，以免熱量相互影響。散熱器正面設計有兩個凸臺，用于緊固PCB板及透鏡。散熱器尺寸比例為81.5∶132≈0.618黃金比例。散熱器設計有管狀圓孔，用于藏線及進行氣密性檢測。散熱器表面進行陽極氧化處理，增強其散熱能力及抗腐蝕能力。

3.2.4 “? ?U? ”形支架設計

“U”形支架作為連接隧道燈與隧道壁之間的橋梁，它要滿足的條件就是承重能力強、抗腐蝕性好、可調節燈具角度及便于安裝。

（1）承重能力。我們通常會根據“U”形支架材質及厚度的選擇、燈具的重量、承壓面積和安全系數等一系列因素，通過燈具靜載荷計算公式計算出其是否滿足要求。

（2）抗腐蝕性。為保證其抗腐蝕能力，常用的做法就是先將“U”形支架表面進行熱浸鋅，再噴一層指定顏色的戶外塑粉，完成后進行鹽霧測試合格。

（3）可調節燈具角度。燈具使用環境不一樣，有時是單側布燈，有時是雙側布燈，所以要求燈具必須可調角度。燈體比較重的燈具，我們一般采用螺孔限位的方式防止燈具因車輛經過振動而發生角度改變。此次設計的小功率隧道燈，重量僅為1 kg，所以可采用無極調節方式，或通過直接在“U”形支架與散熱器之間增加外齒墊圈加大摩擦即可。

（4）便于安裝。“U”形支架安裝面上開有矩形孔，與工程預埋件進行配合，達到方便安裝的目的。

3.3 小功率隧道燈的安裝

根據隧道燈安裝施工順序及為了讓隧道燈安裝更方便，通常我們會設計一塊工程預埋件，施工前預先用膨脹螺栓將它固定在隧道壁上，然后將隧道燈掛在工程預埋件上，用手擰緊碟形螺栓即可（如圖4所示）。這種安裝方式不需要使用任何工具，安裝效率高。

3.4 小功率隧道燈的包裝運輸

考慮降低包裝運輸成本、搬運方便等因素，此次設計的小功率隧道燈采用一箱裝10盞的方式，內部采用珍珠棉作為緩沖材料，外部采用5層瓦楞紙箱包裝（如圖5所示）。為了驗證包裝的可靠性，我們通常會進行運輸振動測試和跌落測試。

3.5 小功率隧道燈氣密性測試

漏水一直是戶外燈具常見的問題，為了保證產品出廠合格率達100%，此次設計的小功率隧道燈具有氣密性檢測功能，具體實施步驟如下：首先，將燈具上的防水透氣閥取下，換上純銅氣嘴。其次，用帶有調壓閥的氣動吹塵槍往氣嘴里充氣（注意調壓閥壓力調至0.15 MPa左右），氣體聚集在燈具密閉腔里，形成一定氣壓。最后，將充好氣的隧道燈完全泡入水中，無氣泡冒出為合格。有氣泡則不合格，根據氣泡冒出的位置，及時發現問題所在，常見的不良問題有螺釘未緊固、漏裝防水膠圈、散熱器平面度超差、燈板螺絲孔鉆穿等，產品在入庫前及時發現并解決問題，保證產品達100%的合格率，能有效地降低售后維護成本（如圖6所示）。

4 總結

此次設計的產品為一款小功率隧道燈，采用6063鋁型材作為散熱主體，散熱性能好，開發成本低。整體燈具體積小，重量輕，包裝、存儲、運輸方便，安裝維護便捷高效，利用極簡的結構設計滿足了隧道里特殊環境下的較高要求。并且，通過獨特的氣密性檢測方法，保證產品合格率達100%，有效地降低售后成本。此設計方案為LED隧道燈新產品及其他LED燈具在防水防塵及安裝運輸等方面提供了思路。

參 考 文 獻

[1]石夢.新基建對經濟發展的作用探討[J].中國集體經濟，2021（3）：19-20.

[2]張震.淺談高速公路隧道照明[J].信息周刊，2020（10）：

398，400.

[3]肖少寧，王毅，陳磊，等.淺析LED燈具在隧道照明系統中的應用[J].公路交通科技，2018（3）：243-245.

[4]劉德強，鄭威，黃耀偉，等.淺析隧道照明時設計及LED隧道燈配光設計[J].照明工程學報，2009（S1）：53-58.

[5]馮巧波，朱瑞，唐國安，等.熱沉對LED燈具散熱性能的影響[J].照明工程學報，2014（3）：80-83，97.