- LED路燈制作的要點及思路分析
- 主干路須采用截光型或半截光型燈具
- 在制作時考慮光學(xué)分析和散熱分析
隨著地球能源的不斷消耗和資源的貧乏，溫室效應(yīng)對人類的危害，大氣環(huán)境對地球的嚴(yán)重污染，國際上要求節(jié)能降耗的呼聲越來越高。當(dāng)今節(jié)約能源排在首位，而道路照明約占整個照明用電量的30％，與人們生產(chǎn)生活密切相關(guān)。城市鄉(xiāng)村道路將越開越多、越開越寬，需要大量各種節(jié)能燈具相配套，隨著我國城市化進(jìn)程的加快，綠色、高效、節(jié)能，長壽命的 LED 路燈逐漸走入人們的視野。目前，LED 照明技術(shù)日趨成熟，大功率LED光源功效已經(jīng)達(dá)到100 lm/W以上 ，城市路燈照明節(jié)能改造成為可能。
針對整個朝陽產(chǎn)業(yè)的商機(jī)，為了抓住時機(jī)，搶占更多的市場，創(chuàng)造更多的效益，許多燈具公司都在爭相開發(fā)各種道路燈具來滿足用戶的需要，甚至一些原來不生產(chǎn)照明產(chǎn)品的企業(yè)也紛紛上馬，但由于照明知識的感悟?qū)哟尾町悾斐闪爽F(xiàn)在的半導(dǎo)體燈具產(chǎn)品混亂局面，一些企業(yè)產(chǎn)品還走入了誤區(qū)，給終端客戶帶來了很大的負(fù)面影響。
LED與傳統(tǒng)的照明燈不同，它具有點光源、高亮度、窄光束輸出等特點。因此對LED新型燈具的設(shè)計人員將提出更高的要求。做LED路燈首先要考慮把有限的光通量充分的利用到有效的照射范圍。路燈要求是路面照明效果，超出路面的空地不是路燈照明的方式。因此，有效的控制光線的分布范圍，使發(fā)光管發(fā)出的光成為一個長條形光帶沿路面方向鋪展，同時也要兼顧眩光的產(chǎn)生，在駕駛員觀看燈具的方位角上，燈具在80°和90°高度角方向上的光強(qiáng)分別不得超過30cd/1000lm和10cd/1000lm，且不管光源光通量的大小，其在90°角方向上的光強(qiáng)最大值不得超1000cd。因此，如果對出光角不加嚴(yán)格的控制就會產(chǎn)生強(qiáng)烈的眩光，某些高亮度LED產(chǎn)品甚至?xí)θ梭w造成一定的光輻射危害。
路燈照明是個系統(tǒng)工程，要做好半導(dǎo)體路燈首先要清楚的認(rèn)識道路照明的標(biāo)準(zhǔn)及要求和常規(guī)照明燈具的配光原理，球形面光的反射器和點光源的合理配光差別之處，優(yōu)劣的互補(bǔ)，充分發(fā)揮LED點光源光束角的可控性優(yōu)點及冷光源長壽命的優(yōu)勢。
半導(dǎo)體LED光源結(jié)構(gòu)上和光學(xué)特性上有自身的特點，因此，半導(dǎo)體路燈應(yīng)該按照這些特點設(shè)計燈具，當(dāng)今有些廠家采用傳統(tǒng)燈具外殼換個半導(dǎo)體的燈芯，用過渡傳導(dǎo)方式散熱是做不出好燈的。問題是燈體外部造型要結(jié)合發(fā)光管的散熱，而散熱是靠面積，現(xiàn)有常規(guī)照明燈具的表面積是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的“焦耳熱定律”是要具備良好的自然空氣對流環(huán)境。LED產(chǎn)品的工作溫度基本要控制在65℃以下（國際標(biāo)準(zhǔn)為80℃，當(dāng)LED工作溫度達(dá)到85℃時，光通量將下降一半；波長變長，即紅移；超過90℃即有燒毀的危險）。發(fā)光管的安裝、科學(xué)合理的光學(xué)配光、燈體的密封等是十分重要的。同時，所設(shè)計的燈體結(jié)構(gòu)還要有利于大批量工業(yè)生產(chǎn)。
發(fā)光管的散熱是半導(dǎo)體燈要重點解決好的問題。發(fā)光管是冷光源，不象氣體放電燈那樣產(chǎn)生灼熱的高溫，但是，當(dāng)今LED發(fā)光管光效的局限性本身也存在熱能其自身耐溫能力有限，所以必須將發(fā)光管工作時產(chǎn)生的熱量有效的散發(fā)到空氣中去，保證發(fā)光管工作在安全的溫度下，這樣半導(dǎo)體燈才能真正的體現(xiàn)出長壽命的優(yōu)勢。
LED路燈選用發(fā)光管很重要，當(dāng)今一些廠家使用集成封裝10W以上單顆，組合制作路燈，存在光學(xué)配光難、易產(chǎn)生眩光、整體散熱困難等缺陷。也有用3W～5W的模塊，其發(fā)光管計每瓦光效低，也存在整體散熱問題，與單顆1W相比同等光通量下價格優(yōu)勢也不明顯。綜合考慮，選用大功率1W發(fā)光管比較合理。從目前大功率發(fā)光管的技術(shù)水平來看，1W光效比較高，用于照明節(jié)能優(yōu)勢明顯，目前選用1W做路燈光源較為合理。
LED的光色選用也是一個值得重視的要素。在道路照明的發(fā)展中，存在著黃光和白光的使用比較。黃光就是現(xiàn)在主流的高壓鈉燈，因為它經(jīng)濟(jì)節(jié)能，同時又有著優(yōu)異的透霧性能，所以目前成為我國主流的路燈選擇。雖然如此，黃光卻也有著其先天不足：那就是色彩還原能力差。人們有這樣的感覺，在鈉燈光下，任何被照物的顏色都是偏黃而失真的。白光的追求目標(biāo)是自然陽光。因為它有著最好的色彩表現(xiàn)能力，而陽光又是一種偏暖的白光。所以，如果能做到和日光相似的白光，同時又能兼顧到黃光的經(jīng)濟(jì)節(jié)能的優(yōu)點，那將是理想的夜間照明選擇。白光的前期是金鹵燈，盡管它擁有比黃光高幾倍以上的色彩表現(xiàn)能力，但是因為透霧性能差、有效壽命低等一些難以克服的技術(shù)問題而沒有得到大規(guī)模的應(yīng)用。而LED光源制作則可彌補(bǔ)這一缺陷。在LED光源的色溫使用選擇上放在3500K左右較為合適，在明視覺和舒適度上符合照明要求。而且在當(dāng)今LED的光效發(fā)展及性價比上是可行的，適合LED路燈的大面積推廣。
對使用6000K以上的白光做路燈光源持有不同觀點，特別是做大功率160W以上，在快速路使用需持謹(jǐn)慎態(tài)度。按國家道路照明標(biāo)準(zhǔn)，快速路、主干路必須采用截光型或半截光型燈具。
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截光型燈具：
燈具的最大光強(qiáng)方向與燈具向下垂直軸夾角在0°～65°之間，90°角和80°角方向上的光強(qiáng)最大允許值分別為10cd/1000lm和30cd/1000lm的燈具。且不管光源光通量的大小，其在90°角方向上的光強(qiáng)最大值不得超過1000cd。
半截光型燈具：
燈具的最大光強(qiáng)方向與燈具向下垂直軸夾角在0°～75°之間，90°角和80°角方向上的光強(qiáng)最大允許值分別為50cd/1000lm和100cd/1000lm的燈具。且不管光源光通量的大小，其在90°角方向上的光強(qiáng)最大值不得超過1000cd。
因快速路道路長，路幅寬，車流量大，車速快，對視覺靈敏度要求高。所以在照度，色溫，道路上的亮度均勻度，眩光等指標(biāo)要求高。而為了要和400W高壓鈉燈去比，一味的去要求大功率，高亮度。且當(dāng)今LED不論是在光效還是在散熱成本上都有難度，性價比上推廣也難。
光學(xué)分析：
現(xiàn)通過圖1可初步計算198W大功率LED路燈在12m高時的中心照度為：198*70/8609.9*18＝28.97Lux，而400W鈉燈在12m高時的中心照度約為50Lux，如果考慮LED路燈的色溫和中間視覺效果，可以確認(rèn)200W大功率LED路燈可以替換400W鈉燈，但如果純從照度計測得的數(shù)據(jù)來看，200W大功率LED路燈依然不能夠替代400W鈉燈。
圖1：198W大功率LED路燈在12m高時的中心照度
散熱分析（僅分析光源散熱）：
下圖2為40℃環(huán)境溫度最差自然對流下的光源散熱模擬圖：
圖2：40℃環(huán)境溫度最差自然對流下的光源散熱模擬圖
散熱器的外形尺寸為600x440x54，此時基本保證最熱的大功率LED的節(jié)溫為68.6+20＝88.6℃<90℃，因此該散熱體積和面積能夠保證大功率LED的散熱問題。
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圖3為散熱器的質(zhì)量特性，由圖可知散熱器的重量約為10.87Kg。
圖3：為散熱器的質(zhì)量特性
圖4為鋼化玻璃的質(zhì)量特性，由圖可知鋼化玻璃的質(zhì)量約為2.03Kg。
圖4：為鋼化玻璃的質(zhì)量特性
如果考慮外形變化、電器盒質(zhì)量以及電源質(zhì)量等因素預(yù)計產(chǎn)品重量會超過20Kg，產(chǎn)品外形尺寸約900x440x90。
結(jié)論：
要確保大功率LED的安全使用，保證光源及電源的散熱條件，其燈具的尺寸會做的較大，增加了設(shè)計難度，相對成本也會提高。現(xiàn)今的LED色溫和光通量的局限性在大功率的安全制作及性價比上難以得到推廣。
建議采用雙燈頭的方式上路，既可解決寬幅路的照明要求又可方便采用分時供電，在安全上也將得到保證。
