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1、22 中国照明电器 CHINA LIGHTUGHT【NG 20o9年第4期 LED道路灯具设计探讨 杨军鹏 (南京三乐照明有限公司，南京210032) 摘 要 近年来，随着LED光效的迅速提高，LED凭借与传统光源相比寿命长、显色性好、近似点光源、定 向发光、节能环保等诸多优点，使道路照明行业看到了其应用于道路灯具的潜力。但是在LED道路 灯具的设计中仍有许多技术难题需要克服和解决，尤其是对二次光学设计、散热设计、驱动电源等关 键技术需要进行深入地研究和综合地权衡，这样才能更好地推进LED在道路照明中的应用。 关键词 LED道路灯具 配光设计 散热 结温 Discussi0n 0n the D
2、esign 0f LED R0ad Lamp Yang Junpeng (Nanjing Sanle Lighting C0，LId，Nanjing 210o32) AbstIact：In recent years，LED lamp has shown great potentiality in mad illuminating industry with its speedy impr0Vement of luminous emciency， which predornjnates 、rith it8 characters such as 10ng life， good co1or rend
3、ering pI_t】perties， appI_】ximately spotlight， oriented in-adiance， eneI saVing and envirDnmental pmtection compaIled with traditional nght sources H0wever，we aI_e still c0nflr0nted with Iots of technicaI pIDblems needing t0 be oVercome and so1Ved during the design f0r LED r(】ad la瑚_p， especiaUy some
4、 c tical technologies， f0r instance， second optical design， heat dissipation， power d矗Ve and s0 0nWe wiU take a long time t0 can了out deep study and geneIal identi矗cati0n in a laI g_e scope in order to better pmmote the LEDs applicai0n in I0ad i1luminating Key words：LED；mad luminaire；0ptical design；h
5、eat dissipation；TJ 前言 随着LED生产工艺的改进和日趋成熟，LED作 为道路照明光源的优势和潜力逐渐得到道路照明行 业的肯定。其作为道路照明光源最突出的优势主要 表现在以下几点： (1)LED光源在光效上还有很大的提高潜力，理 论光效达200lnlw，因此随着LED生产工艺的进一步 成熟和对LED的研究进一步深入，LED光源的节能 优势将进一步凸现。 (2)与传统光源相比，LED体积小，设计灵活，而 且便于智能控制。 (3)LED定向发光，可以使光源发出的光投射到 受照面上，这一特点使LED灯具的效率有望达到 90，同时减少了光污染。 (4)在中间视觉理论下，白光LED具有
6、高的中间 视觉等效光效，即在中间视觉条件下的白光LED等 效亮度比明视觉条件下的亮度高4060。 以上是LED用于道路照明的几点优势，但如何 将其优势转化为实际可用的产品，还有许多技术问题 需要解决。 杨军鹏：LED道路灯具设计探讨 23 1 配光问题 11 目前市场上LED道路灯具的几种配光解决 方案 111“V”形排列 通过将LED颗粒安装在“V”形底板上，来达到增 大纵向照明区域，提高纵向均匀度的目的。 112利用反光器的反射凹槽 每一个凹槽对应一个LED光源，提高出光效率， 控制出光角度和光强分布，从而达到较好的光学分 布，提高路面的照度均匀度。 113采用透镜 利用透镜来改变LED的
7、出光角度，实现二次配 光的目的。 114采用模组定向安装 多个模组安装在一个灯具支架上，每一个模组根 据需要按照不同的角度投射。 这4种配光方式都能起到一定的配光作用，在一 定程度上都能提高照度的均匀度，但是离标准的要求 还有一定差距。因此，在配光设计中可能需要几种配 光方案的综合使用，或者需要其他更好的方式来 解决。 12道路照明的标准要求 见表1。 表l CJJ 452O06规定的道路照明要求 注：新CIE l15规定SR对于小路也为O5。 目前我们常见的主干道灯杆间距多在35m左 右，要实现标准中规定的平均照度2030lx，均匀度 04，环境比05的要求，那么LED道路灯具的光强输 出曲
8、线必须是“蝙蝠翼”形的，示如图1，但是通常 LED光源经过一次透镜输出的光强曲线类似图2 所示。 IfcdlOO lm) 图l“蝙蝠翼”形光强输出曲线 1O O8 0 o 1O。2O。 l | | f 。 17 l l l l ， j f l l O6 O4 02 0 相对光强度 图2 LED光源经一次透镜输出的光强曲线 13光学设计 要将灯具的光强输出曲线改造成“蝙蝠翼”形，就 必须通过二次配光，甚至三次配光，以下是几种设计 方案。 131利用LED在灯具内“v”形排列，进行二次配 光，反光器辅助三次配光。 LED的最大特点是具有定向发射光的功能，LED 在封装时带有透镜自身实现一次配光，可
9、按设计的光 输出角度要求进行光输出。采用LED的道路灯具应 o 0 o o o O o 如 加舳 24 中国照明电器 20o9年第4期 尽可能地利用LED的定向发光特性，使道路灯具中 的各个LED分别直接把光线射向被照路面的各个区 域，再利用灯具反射器的辅助配光，来实现道路灯具 的综合配光。应该说，道路灯具要真正做到符合cJJ 452006和cIE 3l以及CIE 115标准的照度和照度 均匀度要求，灯具内应包含三次配光的功能才能较好 地实现。LED本身已经带有良好的次配光功能，在 灯具内，如果能按照道路灯具高度及路面宽度设计各 个IJED的安装位置和发射光的方向就能实现良好的 二次配光功能。
10、因为只有约1O的杂散光没有按照 要求的方向投射，因此在此类灯具中的反射器，只能 作为辅助的三次配光手段，来保证道路照度更好的均 匀度。 132在反光器上设计聚光式凹槽。 根据光线反射原理，将反光器设计成一定的聚光 式凹槽结构，每一个凹槽对应一个LED光源(如图3所 示)，提高出光效率，有效控制出光角度和光强分布，从 而达到良好的光学分布，提高路面的照度均匀度。 图3反射腔结构和软件模拟效果图 133一次配光采用特殊的双头透镜，将LED的光 强输出曲线改造成“蝙蝠翼”形。 在道路灯具设计中，要提高道路的照度均匀度， 灯具的整体光强输出曲线必须为“蝙蝠翼”形，这样才 能提高距灯较远处的照度。对于L
11、ED灯具来说如 果我们将单颗LED的光强输出曲线改造成“蝙蝠翼” 形，来实现整个灯具的配光曲线，应该说也是一种非 常好的方案。图2为目前绝大多数LED的一次配光 光强分布曲线(各个品牌略有差异)，图4是我们想实 现的光强分布曲线。 ， ， ： ，rt 一 -J 峰值接近6O。 图4采用双头透镜的理想光强分布曲线 透镜的形式类似于图5，但是对于透镜具体的技 术参数，或者说能否达到预期的光强输出曲线还有待 于进一步地研究和深入。 =) 底板 看到的LED芯片的像 图5双头透镜的形状 134利用反光器的设计。 符合LED发光特点的反光器也是一个很好的发 展方向。(如图6所示) 图6国内同行的一款样品
12、灯具 杨军鹏：LED道路灯具设计探讨 这4种配光方式都能起到一定的配光作用，提高 照度的均匀度，但是要达到标准的要求，可能还需要 深入研究以及几种配光方案的综合使用，或者需要其 他更好的方式来解决。 系，在此仅供参考。 邑 褂 2色温的选择 曩 70 在色温的选择上业界存在着一定的争议。有的 人认为道路照明宜选用黄光或者暖白光，而有的人则 认为应该选择接近日光色的纯白光。黄光的穿雾能 力强，而白光显色性好，对物体容易识别。经过实验， 我认为在黄光下人的视觉能够观察得更远，我想这对 于快车道上的司机来说应该更适合。考虑到色温与 光效的关系，对于快车道选择暖白光应该更适合一 些。而对于白光来说可能
13、更适合慢车道或者庭院 阴极 照明。 3功率的选择 对于LED的选择，由于LED结温的升高对光通 量的输出有非常大的影响，因此我认为选择单颗1w 的LED光源更实际或者更合适一些。对于灯具整体 的功率，应该适合路面的需要。 4散热 LED为电致发光器件，其工作过程中只有15 25的电能转换成光能，其余的电能几乎都转换成 热能，使LED的温度升高。在大功率LED中，散热是 个大问题。例如，1个10w白光LED若其电光转换 效率为2O，则有8w的电能转换成热能，若不加散 热措施，则大功率LED的管芯温度会急速上升，当其 结温( )上升到超过最大允许温度(一般为150) 时，大功率LED会因过热而损坏
14、。因此在大功率 LED灯具的设计中，最主要的设计工作就是散热设 计。 一般功率器件(如电源Ic)的散热计算中，只要 结温小于最大允许结温(一般是125)就可以了。 但在大功率LED散热设计中，其结温 ，要求比 125低得多。其原因是 ，对LED的出光率及寿命 有较大影响： 越高会使LED的出光率越低，寿命越 短。图7为某品牌LED结温与相对光通量的关系曲 线，图8为LED结构图。表2是从资料中查得的大功 率白光LED结温与亮度衰减至70时的寿命的关 l K2型白光LED l _ I _- 一 - 15 5 25 45 65 85 1O5 125 l45 结温Tl() 图7 LED结温与相对光通
15、量的关系 图8 LED结构图 LED芯片 散热垫 41大功率LED的散热路径 热是从温度高处向温度低处散热。大功率LED 主要的散热路径是：管芯一散热垫一铝基板一散热鳍 片一环境空气。若LED的结温为 ，散热鳍片的温 度为 ，散热垫底部的温度为 ，则 7口。 表2大功率LED的结温TJ与亮度衰减至 70时的寿命的关系 在热的传导过程中，各种材料的导热性能不同， 即有不同的热阻。若管芯传导到散热垫底面的热阻 为R (LED的热阻)，散热垫传导到PcB面层敷铜层 的热阻为 衄，PcB传导到铝合金外壳的热阻为 ， 如柏加m 26 中国照明电器 2009年第4期 外壳传导到空气的热阻为尺叭，则从管芯的
16、结温 ， 传导到空气 的总热阻 与各热阻关系为(各热阻 的单位是w)： =尺，c+ c日+R即+R似 可以这样理解：热阻越小，其导热性能越好，即散 热性能越好。 42结温的计算公式 若结温为 ，散热片上的温度为 ，LED的功 耗为 ，则R 与 、 及 的关系为：R =( 一 ) ，即： = + 。，我们可以通过资料 查询计算得到R ，并通过试验测量得出71o。 43散热设计 设计原则：使芯片、器件、灯具结构具有低热阻， 同时采用高效的散热器能使芯片上产生的热量通畅 地传到散热器上，并有效地散发到空气中去。具体设 计原则有： (1)结构层越少越好； (2)层的厚度越薄越好； (3)层的面积越大越好； (4)面积一定时，长方形和环形较好； (5)材料的热导系数越大越好。 相关材料的热导系数见表3。 表3相关材料的热导系
