- LED路燈制作的要點(diǎn)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(shí)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(gè)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(gè)朝陽產(chǎn)業(yè)的商機(jī)，為了抓住時(shí)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(shí)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(diǎn)光源、高亮度、窄光束輸出等特點(diǎn)。因此對LED新型燈具的設(shè)計(jì)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(gè)長條形光帶沿路面方向鋪展，同時(shí)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(huì)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(gè)系統(tǒng)工程，要做好半導(dǎo)體路燈首先要清楚的認(rèn)識(shí)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(diǎn)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(diǎn)光源光束角的可控性優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)，因此，半導(dǎo)體路燈應(yīng)該按照這些特點(diǎn)設(shè)計(jì)燈具，當(dāng)今有些廠家采用傳統(tǒng)燈具外殼換個(gè)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(shí)，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(xiǎn)）。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(shí)，所設(shè)計(jì)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(diǎn)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(shí)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(jì)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(jià)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(gè)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?yàn)樗?jīng)濟(jì)節(jié)能，同時(shí)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?yàn)樗兄詈玫纳时憩F(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(shí)又能兼顧到黃光的經(jīng)濟(jì)節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)，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?yàn)橥胳F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(jià)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(diǎn)，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(jià)比上推廣也難。
光學(xué)分析：
現(xiàn)通過圖1可初步計(jì)算198W大功率LED路燈在12m高時(shí)的中心照度為：198*70/8609.9*18＝28.97Lux，而400W鈉燈在12m高時(shí)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(jì)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(shí)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(shí)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(jì)產(chǎn)品重量會(huì)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(huì)做的較大，增加了設(shè)計(jì)難度，相對成本也會(huì)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(jià)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(shí)供電，在安全上也將得到保證。
