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浅议半导体路灯制作的思路

LED之家  于2009-01-06 20:58:56  http://www.ledjia.com/ledhangye/viewarticle.php?id=27

文章摘要:随着地球能源的不断消耗和资源的贫乏,温室效应对人类的危害,大气环境对地球的严重污染,国际上要求节能降耗的呼声越来越高。当今节约能源排在首位,而道路照明约占整个照明用电量的30%,与人们生产生活密切相关。...

随着地球能源的不断消耗和资源的贫乏,温室效应对人类的危害,大气环境对地球的严重污染,国际上要求节能降耗的呼声越来越高。当今节约能源排在首位,而道路照明约占整个照明用电量的30%,与人们生产生活密切相关。城市乡村道路将越开越多、越开越宽,需要大量各种节能灯具相配套,随着我国城市化进程的加快,绿色、高效、节能,长寿命的 LED 路灯逐渐走入人们的视野。目前,LED 照明技术日趋成熟,大功率 LED 光源功效已经达到 80 lm/W ,城市路灯照明节能改造成为可能。

  针对整个朝阳产业的商机,为了抓住时机,抢占更多的市场,创造更多的效益,许多灯具公司都在争相开发各种道路灯具来满足用户的需要,甚至一些原来不生产照明产品的企业也纷纷上马,但由于照明知识的感悟层次差异,造成了现在的半导体灯具产品混乱局面,一些企业产品还走入了误区,给终端客户带来了很大的负面影响。

  LED与传统的照明灯不同,它具有点光源、高亮度、窄光束输出等特点。因此对LED新型灯具的设计人员将提出更高的要求。做LED路灯首先要考虑把有限的光通量充分的利用到有效的照射范围。路灯要求是路面照明效果,超出路面的空地不是路灯照明的方式。因此,有效的控制光线的分布范围,使发光管发出的光成为一个长条形光带沿路面方向铺展,同时也要兼顾眩光的产生,在驾驶员观看灯具的方位角上,灯具在80°和90°高度角方向上的光强分别不得超过30cd/1000lm和10cd/1000lm,且不管光源光通量的大小,其在90°角方向上的光强最大值不得超1000cd。因此,如果对出光角不加严格的控制就会产生强烈的眩光,某些高亮度LED产品甚至会对人体造成一定的光辐射危害。

  路灯照明是个系统工程,要做好半导体路灯首先要清楚的认识道路照明的标准及要求和常规照明灯具的配光原理,球形面光的反射器和点光源的合理配光差别之处,优劣的互补,充分发挥LED点光源光束角的可控性优点及冷光源长寿命的优势。

  半导体LED光源结构上和光学特性上有自身的特点,因此,半导体路灯应该按照这些特点设计灯具,当今有些厂家采用传统灯具外壳换个半导体的灯芯,用过渡传导方式散热是做不出好灯的。问题是灯体外部造型要结合发光管的散热,而散热是靠面积,现有常规照明灯具的表面积是远远不够的“焦耳热定律”是要具备良好的自然空气对流环境。LED产品的工作温度基本要控制在65℃以下(国际标准为80℃,当LED工作温度达到85℃时,光通量将下降一半;波长变长,即红移;超过90℃即有烧毁的危险)。发光管的安装、科学合理的光学配光、灯体的密封等是十分重要的。同时,所设计的灯体结构还要有利于大批量工业生产。

  发光管的散热是半导体灯要重点解决好的问题。发光管是冷光源,不象气体放电灯那样产生灼热的高温,但是,当今LED发光管光效的局限性本身也存在热能其自身耐温能力有限,所以必须将发光管工作时产生的热量有效的散发到空气中去,保证发光管工作在安全的温度下,这样半导体灯才能真正的体现出长寿命的优势。

  LED路灯选用发光管很重要,当今一些厂家使用集成封装10W以上单颗,组合制作路灯,存在光学配光难、易产生眩光、整体散热困难等缺陷。也有用3W~5W的模块,其发光管计每瓦光效低,也存在整体散热问题,与单颗1W相比同等光通量下价格优势也不明显。综合考虑,选用大功率1W发光管比较合理。从目前大功率发光管的技术水平来看,1W光效比较高,用于照明节能优势明显,目前选用1W做路灯光源较为合理。

  LED的光色选用也是一个值得重视的要素。在道路照明的发展中,存在着黄光和白光的使用比较。黄光就是现在主流的高压钠灯,因为它经济节能,同时又有着优异的透雾性能,所以目前成为我国主流的路灯选择。虽然如此,黄光却也有着其先天不足:那就是色彩还原能力差。人们有这样的感觉,在钠灯光下,任何被照物的颜色都是偏黄而失真的。白光的追求目标是自然阳光。因为它有着最好的色彩表现能力,而阳光又是一种偏暖的白光。所以,如果能做到和日光相似的白光,同时又能兼顾到黄光的经济节能的优点,那将是理想的夜间照明选择。白光的前期是金卤灯,尽管它拥有比黄光高几倍以上的色彩表现能力,但是因为透雾性能差、有效寿命低等一些难以克服的技术问题而没有得到大规模的应用。而LED光源制作则可弥补这一缺陷。在LED光源的色温使用选择上放在3500K左右较为合适,在明视觉和舒适度上符合照明要求。而且在当今LED的光效发展及性价比上是可行的,适合LED路灯的大面积推广。

  对使用6000K以上的白光做路灯光源持有不同观点,特别是做大功率160W以上,在快速路使用需持谨慎态度。按国家道路照明标准,快速路、主干路必须采用截光型或半截光型灯具。

  截光型灯具:灯具的最大光强方向与灯具向下垂直轴夹角在0°~65°之间,90°角和80°角方向上的光强最大允许值分别为10cd/1000lm和30cd/1000lm的灯具。且不管光源光通量的大小,其在90°角方向上的光强最大值不得超过1000cd。

  半截光型灯具:灯具的最大光强方向与灯具向下垂直轴夹角在0°~75°之间,90°角和80°角方向上的光强最大允许值分别为50cd/1000lm和100cd/1000lm的灯具。且不管光源光通量的大小,其在90°角方向上的光强最大值不得超过1000cd。

  因快速路道路长,路幅宽,车流量大,车速快,对视觉灵敏度要求高。所以在照度,色温,道路上的亮度均匀度,眩光等指标要求高。而为了要和400W高压钠灯去比,一味的去要求大功率,高亮度。且当今LED不论是在光效还是在散热成本上都有难度,性价比上推广也难。

下面是对200W大功率LED路灯的分析:

&光学分析:

  现通过下图可初步计算198W大功率LED路灯在12m高时的中心照度为:198*70/8609.9*18=28.97Lux,而400W钠灯在12m高时的中心照度约为50Lux,如果考虑LED路灯的色温和中间视觉效果,可以确认200W大功率LED路灯可以替换400W钠灯,但如果纯从照度计测得的数据来看,200W大功率LED路灯依然不能够替代400W钠灯。

散热分析(仅分析光源散热):

  下图为40℃环境温度最差自然对流下的光源散热模拟图:

  散热器的外形尺寸为600x440x54,此时基本保证最热的大功率LED的节温为68.6+20=88.6℃<90℃,因此该散热体积和面积能够保证大功率LED的散热问题。

结构分析:

  下图为散热器的质量特性,由图可知散热器的重量约为10.87Kg。

  下图为钢化玻璃的质量特性,由图可知钢化玻璃的质量约为2.03Kg。

  如果考虑外形变化、电器盒质量以及电源质量等因素预计产品重量会超过20Kg,产品外形尺寸约900x440x90。

综上所述;

  要确保大功率LED的安全使用,保证光源及电源的散热条件,其灯具的尺寸会做的较大,增加了设计难度,相对成本也会提高。现今的LED色温和光通量的局限性在大功率的安全制作及性价比上难以得到推广。

  建议采用双灯头的方式上路,既可解决宽幅路的照明要求又可方便采用分时供电,在安全上也将得到保证。


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