LED路灯灯具开发关注点[2]

　　(4)LED光源道路灯具散热与IP防护现状，LED的工作工况和散热不仅直接关系到LED实际工作时的发光效率，而且还关系到使用寿命，而良好的IP防护也会妨碍LED的散热。目前LED路灯很大一部分是在对传统灯具进行局部改造，灯具的热量都集中在灯具光学腔内，一方面违背了LED光源的特性，配光达不到要求，同时伴随另一致命缺点散热效果不好，严重影响光衰及寿命。因为采用传统灯具局部改造即使IP防护良好但影响LED散热，而且某些灯具达不到IP65等级直接造成光源及电源短路失效。

　　2 LED路灯设计关注点及解决途径

　　2.1 LED配光设计

　　LED路灯和使用传统光源路灯的光学设计方式是不同的。传统光源路灯是通过使用反射器将一个光源的光通量平均分配到受照路面上。而LED路灯的光源由多个LED组成，通过设计每个LED的投射方向，使受照路面获得均匀的照度。LED的最大特点是具有定向发射光的功能，功率型LED装有发射器，其效率明显高于灯具反射器效率(一次配光)，LED道路灯具应尽可能地利用LED的定向发射光特性，使各个LED分别直接把光射向被照路面(二次配光)，再利用灯具反射器的辅助配光(三次配光)，来实现合理的道路灯具综合配光，以满足CJJ45-2006和CIE31, CIE115标准照度和均匀度要求。因LED光源的半空间发光的特点，LED光源在灯具内使用，光源光通量的损失比高压铀灯或金属卤化物灯少。就目前来讲，LED光源的光效达不到高压纳灯或金属卤化物灯的水平，即相同功率的光源，光通量没有高强度气体放电灯高。但是，由于LED光源的半空间发光的特点，使得LED灯具的光通量输出可以接近于高强度气体放电灯灯具水平。当路灯将光线照射到路面上，光线的投射方向只存在半个空间。高强度气体放电灯的发光空间占据了整个空间，见图4(a)。如果没有灯具，光源的上半空间光线全部浪费。使用灯具，反射器可以将上半空间的光线反射到下半空间内，但反射器对光线的吸收作用，以及光线反射时受到光源自身的遮挡转换成热能，或反射器对光线二次反射的再吸收，使得光源的一部分光线损失了。灯具效率是反映光源光线损失程度的参数。从小功率高压铀灯路灯(70 W -150 W)光度性能状况来看，灯具效率一般处于65%-75%的水平。以100W高压铀灯为例，光源的光通量达到8000 1m ，路灯的光通输出为52001m -6000 1m。LED光源在这方面是具有优势的，LED的发光只存在于半个空间，见图4(b)，在不用灯具的情况下，也能将光线100%投射到路面。对灯具需要设计的是在较小的角度范围内改变光线的投射方向，在这个过程中，光的损失是微小的。目前，LED路灯的光效达到了40-50 lm/W，以100W LED路灯为例，灯具光通量输出可以达到4000-5000 1m。相信通过不断地加强设计力量，路灯的配光会更加优化，最后达到完美。

　　各级政府都在大力推行节能减排，在室内照明中，已经强制执行照明功率密度(LPD)的限值，我国道路照明节能认证的技术标准《道路照明灯具节能认证技术要求》提出了道路照明功率密度(LPD)的考核要求，其核心部分是在满足道路路面照度与均匀度的前提下尽可能降低照明功率密度(单位:W/m²，从而达到节能目的。以上设计思路正好迎合考核要求。

　　2.2 LED路灯的散热

　　LED是嵌人照明器具中使用的，由于LED芯片的发热量大，在做成大功率灯具时遇到了困难。各公司目前正在努力解决的课题之一就是"散热"。虽说发光效率越来越高，但LED芯片的发热量仍然很大。如果未采取散热措施，LED芯片的温度就会过高，导致芯片本身及封装树脂性能的恶化，从而最终引起发光效率的降低和寿命的缩短。LED最重要的性能就是"长寿命"，为了不影响这一指标，就需要设法将芯片上产生的热量散出去。改善LED的发热问题是攻克大功率照明灯具的关键。目前较为实用的方案是把灯具铝材外壳设计成散热器状，内表面平整完后安装光源铝基板，铝基板与内表面之间采用导热硅胶连接，以确保传导散热效果，外表面做成鳝状散热结构，即使外壳落尘也可以通过自然风雨冲刷，保证散热工作的持续。另外，关键散热位置可采用导热板，导热板是在金属板的内部，均布有供冷媒流动的细导管，当导热板某一部位受热时，细导管内的冷媒会快速流动使热量迅速地传导，好的导热板热传导系数是同厚度铜材板的8-12倍。

　　另外，散热鳍片对于小型的发热器件是简单有效的散热单元，但是对于路灯这样大功率的发热设备，如果只是将散热鳝片简单地放大显然是不科学的。根据最基本的热学原理，大面积的散热鳝片存在严重的热岛效应，为了获得需要的散热效果，在随着功率加大而同比加大散热器尺寸的同时，需要额外增加散热器尺寸，从而大大增加散热器的尺寸和重量，导致灯具重量很大。

　　散热材料的选择，为了做好LED路灯，首先我们对散热材料进行选择，目前散热器所采用的基本为金属材料，这主要出于三方面的考虑:导热性能好、易于加工、易获取。表4为散热片常用材料与常见金属材料的热传导系数，表4中列出的5种不同铝合金中:AA6061与AA6063具有不错的热传导能力与加工性，适合于挤压成形工艺，在散热片加工中被广为采用。ADC12适合于压铸成形，但热传导系数较低，因此散热片加工中通常采用AA1070铝合金代替，可惜加工机械性能方面不及ADC120AA1050则具有较好的延展性，适合于冲压工艺，多用于制造细薄的鳍片。

　　表4 常见金属材料的热传导系数

　　2.3 LED路灯的驱动

　　要确保LED的长寿命特性，LED路灯的驱动显得非常关键，同时其转换效率显得很重要。采用有源电子开关电路或高频电流来驱动LED可以使驱动电路保持良好的恒流输出特性，同时具有很高的转换效率。但是电子驱动电路的LED灯具，在户外使用时，对其可靠性威胁最大的是雷电感应问题。共模干扰对地可达数百伏到数千伏，很容易击穿驱动电路的EMC接地电容或较小对地的电气间隙，造成驱动电路损坏;同时产生的差模干扰电压，也可达数百至3000多伏，这一电压可击穿驱动电路的电源整流二极管和印制线路板上不同极性电极间的电气间隙，损坏驱动电路。驱动电路应具备压敏电阻、传导干扰(EMI)保护，同时LED驱动电路各点对地的电气间隙保持在7mm以上，绝缘强度应强化达到(4U+2750V)要求，使LED驱动电路具有良好的抗雷电感应能力。

　　2.4 LED路灯的IP防护

　　不仅要求LED光源部分具备IP65防护能力，同时驱动部分也必须满足IP65等级以上要求，既保证LED、驱动工作安全，也是确保光输出维持率。通常采用结构防水设计加硅胶密封条方案，硅酣胶只能作为辅助防水方式，驱动部分可采用灌封密封胶，不仅解决防水目的，而且可达到驱动散热目的。

　　3 LED路灯的其他关注点

　　LED路灯灯具结构整体考虑，一体化设计;LED光源的模组化设计，便于拼装维护及散热，尽可能由多模组光源组成大功率光源;四D光源、光色的选择:LED路灯光源腔与电源腔分离设计;LED路灯配件材料选择，如透镜材料、散热材料等;电源输入端接线盒设计，考虑拆装方便及安全，设计电源线接线盒同时注意防水;LED路灯抗风压要求，兼顾灯具总重量，迎风面积设计;LED路灯调光控制功能的实现，真正实现节能;LED路灯与太阳能的完美结合，有效利用绿色能源;当然作为户外产品也要考虑产品的外观设计，注意解决好白天景观欣赏问题等等。

　　4 小结

　　LED应用在道路照明中，充分发挥其定向光输出特性，合理二次配光结合灯具反射器三次配光满足道路照明设计要求，系统效率不断提高，实现单位面积能耗比高压铀灯节约30%的目的，同时设计时在满足IP防护的前提下，保证散热可靠和持续有效，LED驱动电路应具有高效率且完善EMC保护特性，同时应满足照明功率密度(LPD)指标。随着LED技术的进步和发展，LED路灯的应用技术也在随之进步和发展，多数LED路灯产品达到或超过了国家道路照明标准。效果是明显的，形势是喜人的，前景是乐观的。政府的大力支持，是LED照明技术发展的源动力，应注重驱动系统、光学系统、散热导热系统、防护等级、加工工艺和美学设计等应用技术的研究，努力提升LED灯具自身的稳定性、可靠性。LED路灯的应用，应引人"实践"的观点，同时加强核心技术的研究与开发。

编辑：Cedar