LED路灯灯具开发关注点[1]

　　0 引言

　　能源居21世纪全球最关切议题之首，照明节能更被列为第一要务。道路照明由政府掌控，因应节能环保趋势，皿D路灯的商机正在不断升温中。从照明观点看道路分为汽车专用、一般街道、商店街、人行道四大类。一般所指的道路照明是指汽车专用道照明，主要功能是保障夜间道路的行人及车辆驾驶人员能安全通行，尤其应提供驾驶者看清道路形状、行进方向及周边环境等，以正确辨视任何障碍物，预测行进方向。道路照明对减少事故和犯罪起着非常重要的作用。

　　因道路照明的重要性，其设计考虑的重点包含照度充足、亮度均匀、光色宜人、低眩光、诱导行车、节能及维护便利等，故路灯应具备高效率、照明利用率好、配光适当、寿命长、防水防尘等特性，以实现安全可靠、节能、视觉适度、低光害及低维修率。

　　LED被视为21世纪之光，LED照明就像真空管到晶体管，及CRT到FPD，是革命性的突破，2007年以后LED发光效率不断提高，1W冷白光产品光效110 lm/W，日亚小晶率(20mA)的实验室水准甚至达249 lm/W，大量投入带来惊人的成长速度，2008年北京奥运会也为世人宣示LED照明时代的来临。在取代室内照明之前，目前最被看好的切人层面即是LED光源应用于路灯模组的设计。由于具有超过5000Oh的长效寿命，可大幅降低日后维修成本，减少30%-50%耗电量。此外LED路灯的绝佳控制性可充分利用，如调降初期照度、时控照度设定、自动调光等可对道路节能效益再添一成。目前照明用白光LED在通常照明工作条件下的系统效率已超过401m/W，再加上LED制造成本大幅下降，所以照明用白光LED已具备应用到一些照明领域的商用条件。但是目前制造照明LED的产业群体往往对照明电器基本知识和要求不了解，而传统的照明灯具生产群体也往往缺乏对照明用LED特性的深人了解，在设计和运用中没有充分地利用LED特点，进行扬长避短，产生很多不合理的设计。

　　1 关于LED路灯

　　1.1 道路照明法规与标准

　　道路照明要求严格，全球各国的道路照明设置规范以及路灯性能标准相当完整明确;标准一般包含照度以及均匀度(最小照度/平均照度)，CIE115提出参考规范，将道路分成四大类，路面基准分为15，20，30，501x，均匀度为0.4。基于环境与文化因素影响，各国规范仍有差距。道路照明灯具的安全、性能和能效特性是评价道路照明灯具品质的几个重要方面，其相关的产品标准包括产品安全标准、产品性能标准和光度测试方法标准。分段产品安全标准:GB 7000. 1 -2007 《灯具第1部分:一般要求与试验》( idt IEC60598 -1 : 2002)和GB7000.5 -2005《道路与街路照明灯具安全要求》(idt IEC60598 -2 -3:2003)分段产品性能标准:GB/T24827 -2009《道路与街路照明灯具性能要求》，光度测试方法标准:GB/T9468 -2008《灯具分布光度测量的一般要求》，该标准规定的测试方法与CIE121一致。分段使用LED光源的灯具，除了符合上述两个标准以外，还应符合GB7247.1 -2001激光产品的安全第1部分:设备分类、要求和用户指南(idt IEC 60825 -1 : 1993)。关于皿D灯具的检测，IECEE已有OSM/CTL决议，其原则是对于四D灯具，首先要根据IEC60825一1判断其类型，如果属于1类或1M类的激光安全型LED，则不需要根据IEC60825-1检验，反之则需要。灯具的光度性能由CIE(国际照明委员会)出版物规定，涉及CIE31 -1978道路照明装置的眩光和均匀度，CIE33 -1977道路照明装置的折旧和维护，CIE34 -1977道路照明灯具和装置数据:光度测定、分类和性能，CIE47 -1977 潮湿环境的道路照明，CIE66 -1984道路表面和材料，CIE140 -2000道路照明计算，CIE180 -2007发展中国家的道路运输照明。

　　道路/街路灯的照明要求(来自CJJ45-2006标准)，表1中CJJ45-2006标准上对道路照明的规定，从道路照明要求看不同道路上应采用的光度指标，若道路主要为机动车用的，路面应以亮度评价，如道路以行人和非机动车为主要服务对象的应使用照度为指标。由于行人关心的是对方来人的面孔和地面上的情况，因此要确定垂直面的照度或路面上的照度(水平照度)。

　　表1 CJJ45 -2006标准上对道路照明的规定

　　在节能的前提下，日本对街道照明灯具定下参考准则，其能源效率部分以200w的照明灯具为界限，低于200W发光效率为50lm/W，其余高于60lm/W, 我国也将照明用功率密度(LPD，W/m²)列入法规，此政策将会加速高效率灯具的普及，也是LED路灯的机会。

　　台湾积极推动LED灯具法规制定，于2008年12月4日正式公布CNS15233《发光二极管道路照明灯具》标准。强调节能耐用、安全、配光性能等三大项，规定三级能效等级，最低灯具发光效率为451m/W，其次需通过50°下连续测试360h。安全上着重避免雷击伤害，以及抗风强度。配光上主要对光强度分布情况加以规范，产品必须确保路面照度均匀度，以确保路人安全。规范内容主要包含基本性能(功率因数、输入功率、电流谐波失真及电压变动)，安全性(绝缘耐压、IP、风压)，电磁干扰，光学特性(光色允许色偏范围、配光)，发光效率，耐用可靠性(温度循环及开关进行8000次)，耐久性等，此外，基于视觉适度考量不允许任一LED不亮或闪烁失效。标准最苛刻之处是需要进行老化测试100Oh后，再进行3000h测试中，光通量不得小于原光通量的92%，且发光效率符合维持原标准90%。

　　DOE关于SSL产品能源之星认证中对道路灯具的要求，DOE在2007年8月公布了第一批SSL产品能源之星认证要求(共7个产品，3个室外和4个室内)后，在2008年8月又公布了包含道路/街路照明灯技术要求的补充产品的要求(共10个产品，5个室外和5个室内)。关于道路/街路照明灯技术要求如下(包含与第一批产品通用的技术要求):

　　(1)色度和色变化的要求，颜色的规定见表2，SSL产品达到能源之星要求的色度坐标的要求，在DOE的SSL规范中对道路/街路灯具的色温没有限制。

　　表2  色度、色变化和颜色的规定

　　图1 色温位置在色品图中的表示

图2 LED光衰和结温关系曲线

　　(2)寿命(光衰)要求规定2500Oh和3500Oh两档。检测方法是将SSL灯具点燃6000h后测光衰，试验时的灯不需老炼，每1000h测量一次，到600Oh的光衰小于初始的94.1 % ，寿命大于35000h，光衰为初始的91.8% ，寿命为25000h。

　　(3)电气要求，表3为SSL灯具的电气要求。

　　表3 SSL灯具的电气要求

　　(4)能效要求:灯具的能效≥50lm/W。

　　(5)配光要求最小光输出:23001m(初始);环带流明密度:0°~90°为100%，光通量为80°~90°，最大占10%光通量;光束均匀性要求最大光强在55°-65°等。

　　(6)其他内容为待机功耗要求不工作时不耗电，但与探测有否人员活动的监测设备合用的例外;保证从购买日起三年内免费修理替换光源或驱动器，对住宅用灯具的保证日期从运输之日起算;灯具制造要附上灯具热管理的说明、证书文件和试验过程;装置要求LED光源的平均流明衰减到起始值的70%的时间最小是35000h;附着在建筑上功率大于13W的SSL设备必须附有光控设备，能自动启闭，24h内可人工或自动控制等。

　　1. 2 LED路灯现状

　　(1 )LED路灯与传统道路照明灯具比较，目前普遍采用的道路灯具光源是高压铀灯或金属卤化物灯，其最大特点是发光电弧管尺寸小，有很大光输出，具有很高的光效，系统效率(包括配套电器)可达80 -110 lm/W，但这类光源运用在道路灯具中只有40%左右的光直接透过玻璃罩到达路面，其他光通过灯具反射器再射出灯具。传统路灯存在明显不足，一是灯具直接照射的方向上照度很高，明显过度照明，次干道上可达到50lx以上;二是反射器的效率为50% -60% ，60%左右的光输出在灯具内，损失了30% -40%后再技射到路面。此类灯具的总体效率在60-70% (极少部分国际品牌灯具效率可达80% )。综合有效照明效率仅为50%，目前次干道的照明效果(照度及均匀度)基本达不到CJJ45-2006 和CIE31, CIE115标准要求。LED作为路灯光源，它与传统路灯光源比较有许多优点，寿命长，抗震性能好，白光LED光色比高压制灯好，能实现较完美的调光功能(LED进行频繁开关对其没有太大影响，可以通过改变电流方法来调光，亦可采用脉冲宽度调节方法来调光，通过调节电压占空比和工作频率能有效调节LED发光强度)，灯具光学系统内LED光源光通量损失最小，LED光源不含有害金属录等。

　　(2)LED光源的道路灯具配光现状，目前LED在路灯使用最普遍的形式主要有两类:一类采用传统的道路灯具外壳，只是在灯具内装在平板安装面上矩阵式LED;另一类把多个LED集成在一个圆柱体上，光输出密度接近高强度气体放电灯，再利用灯具反射器进行配光，但这种设计方式的灯具分布不会优于传统道路灯具，并且在一个很小区域内集成高密度的LED，使LED散热情况不良，不仅影响到LED的发光效率，而且影响到LED的使用寿命。利用传统路灯灯头改制的LED路灯，采用了铝型材做散热器，将整个光源和驱动电路装入铝合金灯壳中，虽然解决了灯具的防护等级问题，但是整个光源是在密闭的灯壳中，灯具工作中所产生的热量元法散发到空气中，导致LED模块和驱动电路在极恶劣的环境中工作，工作温度急剧升高，LED随着温度的升高而出现死灯和光衰，驱动器也因温度高而烧毁，大大降低了灯具的可靠性和使用寿命(见图2)。故此方案是不成熟的。要做好LED路灯，简单地用传统灯头装人LED光源是行不通的，见图3。

　　图3 传统路灯改造成LED路灯

　　目前，LED路灯还不能用于主干路。主干路是连接城市各主要分区的干路，采取机动车与非机动车分隔形式。机动车在主干路上的行驶速度比次干路快，照明水平比次干路高。主干路的照度要求达到30lx, 照度均匀度为0.4，平均亮度要求达到2.0cd/m²，亮度总均匀度为0.4，亮度纵向均匀度0.7，阈值增量≤10。达到节能水平的路灯，应在照明质量达到以上要求的同时，照明功率密度应小于国家标准的规定，当车道数≥6条时，照明功率密度运1.05W/m²，车道数<6条时，照明功率密度运1.25 W/m²。主干路上大多使用250W或400W高压铀灯路灯，250W或400W高压纳灯的光源光通量达到28000lm(250 W )和48000 lm( 400 W)。这种大功率路灯的灯具效率一般在75%-85%之间，因此，灯具的光通量输出最低也有2100Olm。以一盏250W高压制灯路灯为例，灯具效率为83.5%，配光曲线如图4(a)所示，其最大光强通过C角10°，γ角70.0°。c为0°，180°，10°的配光曲线的形状良好。这款路灯可用在四至六车道的主干路。目前，光通量小是LED路灯不能应用在主干路上的主要原因。不同光通量档次的灯具应应用在不同级别的道路上，否则达不到节能效果。

　　图4  LED配光分布情况

　　(3 )LED光源道路灯具驱动现状，LED对驱动电路的要求是保证恒流输出的特性，因为LED正向工作时结电压相对变化区域很小，所以保证LED驱动电流的恒定也就基本保证了LED输出功率的恒定。由于我国电源电压供应不稳定的现状，道路照明LED的驱动电路具有恒流输出特性非常必要，保证光输出同时避免LED超功率运行。目前很大一部分一类驱动电路由降压、整流滤波后加直流恒流游、电路组成;另外一类采用通用开关电源加电阻电路组成，如此消耗很大的有功功率。所以此两类驱动电路在基本满足恒流输出特性的前提下，效率并不高。另外很大一部分不具备防雷击功能。