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        采用LED光源的道路燈具應關注的焦點

        發布日期: 泛科科技

          摘 要:LED作為一種新穎的固體照明光源,具有生產過程以及產品幾乎無污染,不怕震動,可輕易實現0~100%的連續調光,能在安全特低電壓下工作,可連續工作于開關閃斷的工作狀態以及其光輸出具有定向性等諸多獨特的優勢,近年來在其光效和光色上的明顯進步已使它能進入商業化應用。但由于我國計劃經濟產業布局的影響以及LED的專業知識和照明電器綜合知識在從業人員中普及的不足,造成了在實際的設計和應用中,沒有針對LED的特點進行揚長避短的應用,出現了眾多不合理及不合格的應用產品。本文就LED應用于道路燈具中目前存在的問題進行了分析(Analyse),也給出了解決問題的思路和實例,供廣大同行參考。

          引 言

          LED應用于照明領域,是目前我國乃至世界照明界的熱門話題,通過從業人員的不斷努力,目前照明用白光LED在通常的照明工作(WORK)條件下的系統效率,已達到40lm/w,再加上照明用LED制造成本的大幅下降,所以照明用白光LED已具備應用到一些照明領域的商用條件。中國照明網技術論文·LED技術

          但是,由于我國從計劃經濟時代以來很多年的產業結構分布所造成的局面,使得目前制造照明LED的產業群體往往缺乏對照明電器基本知識和要求的了解,而傳統的照明燈具生產群體也往往缺乏對照明用LED特性的深入了解,在設計和應用中沒有充分地利用LED的特點,進行揚長避短的使用,所以造成了在照明LED應用到照明裝置中時,產生很多不合理的錯誤設計。本文就目前照明用LED應用于道路燈具中的一些主要問題,提出如下的見解。

          一.照明用LED在道路燈具中使用的特長

          1. 普通道路(dào lù)照明燈具的現狀和缺陷

          目前道路燈具中普遍采用的光源是高壓(gāo y?。┾c燈或金屬齒化物燈,這兩種光源的最大特點是,發光的電弧管尺寸小,由尺寸很小的電弧管產生很大的光輸出,并且具有很高的光效,前者包括配套電器,可達110 lm/w,后者包括配套電器可達80 lm/w。但這類光源應用在道路燈具中時,只有40%左右的光是直接透過玻璃罩到達路面(pavement)的,其他的光是通過燈具反射器再投射出燈具的,目前普遍采用此類光源的傳統燈具基本都存在兩個不足,一是燈具直接照射的方向上照度很高,在次干道上可達50 lx以上,這一區域屬于明顯的過度照明,而兩個燈具的光照交叉處的照度僅為燈下照度的40%~20%。二是此類燈具的反射器的效率一般僅為50%~60%,所以有60%左右的光輸出在燈具內,是在損失了40%~30%后再投射到路面上的。

          此類燈具的總體效率一般都在70%左右,并且上述的過度照明區域中過多的照度也屬于浪費。綜合分析上述傳統的道路燈具其綜合的有效照明效率僅為50%。也因為上述原因,目前我國次干道的照明效果基本都達不到CJJ45-2006和CIE31以及CIE115標準的要求。

          2.目前采用LED光源的道路燈具的配光現狀

          目前LED在道路燈具中使用的最普遍形式主要有兩類,一類是采用傳統的道路燈具外殼,只是在燈具內,在一個幾乎是平板的安裝面上,裝上了矩陣式的LED,這種設計方式是不可能得到良好的燈具配光的。另一類是把多個LED集成在一個圓形的區域內,使這一小區域的光輸出密度接近高強度氣體放電燈,再利用燈具反射器進行配光,但這種設計方式的燈具分布光度也不會優于傳統的道路燈具,并且由于在一個很小的區域內集成了高密度的LED,使LED的散熱情況明顯不良,不僅影響到LED的發光效率(efficiency),而且也往往影響到LED的使用壽命。

          3.照明用LED的特長及應用

          目前照明用LED的最大特點是具有定向發射光的功能,因為目前功率型LED幾乎都裝有反射器,并且這種反射器的效率都明顯高于燈具的反射器效率。另外,LED的光效檢測時已經包括了自身反射器的效率。采用LED的道路燈具應盡可能地利用LED的定向發射光的特性,使道路燈具中的各個LED分別直接把光線射向被照路面的各個區域,再利用燈具反射器的輔助配光,來實現很合理的道路燈具的綜合配光。應該說,道路燈具要真正做到符合CJJ45-2006和CIE31以及CIE115標準的照度和照度均勻度要求,燈具內應包含三次配光的功能才能比較好地實現。而帶反射器的并且具有合理的光束輸出角度的LED本身就具有良好的一次配光功能。在燈具內,能按照路燈具高度及路面寬度設計各個LED的安裝位置和發射光的方向就能實現良好的二次配光功能。在此類燈具中的反射器,只作為輔助的三次配光手段,來保證道路照度更好的均勻度。

          筆者在今年9月下旬參加了由市照明學會組織的對威海市次干道采用LED光源道路燈具的試驗道路段的驗收,這一試驗道路的燈具及布局就是采用上述原理設計的,從現場的實測結果來看,這一試驗路段正是充分利用了LED合適的定向發光功能,并采用了三次配光方式,不僅使次干道道路的照度和道路路面的照度均勻度達到了國家標準的要求,而且在燈具的主要照明方向上,也防止了此區域的局部的過度照明。led燈發光二極管,是一種能夠將電能轉化為可見光的固態的半導體器件,它可以直接把電轉化為光。LED的心臟是一個半導體的晶片,晶片的一端附在一個支架上,一端是負極,另一端連接電源的正極,使整個晶片被環氧樹脂封裝起來。由于充分利用了LED的特性,并用合理的配光方式充分地利用了LED的光輸出,從而彌補了LED本身光效不如HID光源的不足,使整個道路單位面積在達到標準要求的前提下,其能耗僅為采用高壓鈉燈道路燈具的原照明設計的能耗的70%左右,取得了明顯的節能效果。

          目前各級政府都大力推行節能減排,在室內照明中,已經強制執行照明功率密度的限值。我國的道路照明節能認證的技術(Technology)標準《道路照明燈具節能認證技術要求》將在明年初完成,該技術要求提出了道路照明功率密度的考核要求,其核心部分是在滿足道路路面的照度和照度均勻度的前提下盡可能地降低照明功率密度,從而達到節能的目的。

          上述采用LED的道路燈具的設計思路正是迎合了《道路照明燈具節能認證(rèn zhèng)技術要求》考核要求。目前加拿大政府已經按道路照明功率密度的要求,推行其道路照明節能工作,估計在不遠的將來會有更多的國家按LPD的要求推行其道路照明節能工作。

          在實際的道路照明燈具的設計中,可采用在基本設定每一個LED設射方向(direction)的前提下,把每一個LED用球形萬向節固定在燈具上,當燈具使用于不同的高度和照射寬度時,可通過調整球形萬向節使每一個LED的照射方向都達到滿意的結果。在確定每一個LED的功率、光束輸出角度時,可根據E=I/D2,分別計算出各LED在基本選定光束輸出角度時應該具備的功率,并且可以通過調整各LED的功率以及LED驅動電路輸出給每一個LED不同的功率來使每一個LED的光輸出都達到預計值。這些調整手段都是采用LED光源的道路燈具所特有的,充分利用這些特點就能實現在滿足道路路面的照度和照度均勻度的前提下降低照明功率密度,達到節能的目的。

          二. 采用LED的燈具設計的其他問題及解決方案(fāng àn)

          1.LED的散熱工況和IP防護

          LED的工作工況和散熱不僅直接關系到LED實際工作時的發光效率,而且還關系到LED的使用壽命。又因為在戶外使用的道路燈具,應具有一定等級(class)的防塵防水功能,良好的IP防護往往會妨礙LED的散熱。解決這個相互矛盾但又都得解決的兩個問題是道路燈具設計時應關注的一個重要方面。在這一方面也是國內把LED應用于道路燈具中時出現不合格及不合理的情況最多的。國內目前使用中出現的不合格及不合理的情況基本有:

          對LED采用了散熱器,但LED連線的接線端子及散熱器的設計無法達到IP45及以上等級,無法滿足GB7000.5/IEC6598-2-3 標準的要求(demand)。

          采用普通的道路燈具外殼,在燈具出光面內用矩陣式LED,這種設計雖說能滿足IP試驗,但是由于燈具內的不通風會造成在工作時,燈具內腔的溫度會升高到50℃~80℃,在如此高的工況下,LED的發光效率(efficiency)是不可能高的,同時LED的使用(use)壽命也將大打折扣。

          在燈具內采用了儀表風扇對LED及散熱器進行散熱,其進風口設計在燈具的下方,以避免雨水的進入,出風口設計在下射LED光源的四周。led燈發光二極管,是一種能夠將電能轉化為可見光的固態的半導體器件,它可以直接把電轉化為光。LED的心臟是一個半導體的晶片,晶片的一端附在一個支架上,一端是負極,另一端連接電源的正極,使整個晶片被環氧樹脂封裝起來。這樣也能有效避免雨水的進入,另外散熱器和LED不處于同一空腔內,這種設計如做的好,按燈具的IP試驗要求,能順利通過。這一方案,不僅解決了LED的散熱問題,而且同時滿足了IP等級的要求。但是這種看似良好的設計,實際上存在明顯的不合理情況。因為在我國絕大多數道路燈具的使用場合,空中的飛塵量是較大的,有時會達到很大,這類燈具在一般條件下使用一段時間后,其內部散熱器的縫隙內就會塞滿灰塵,使散熱器效果大打折扣,最后還會使LED因工作溫度過高而使用壽命明顯縮短。這一方案的不足是在于不能持久良好地使用。

          要兼顧道路燈具中LED的散熱及IP防護,較合理的設計指導思想是在關鍵的散熱位置,采用導熱板。導熱板是在金屬(Metal)板的內部,均布有供冷媒流動的細導管,并在細導管內充有冷媒,當導熱板的某一部位受熱時,細導管內的冷媒會快速流動而使熱量迅速地傳導。好的導熱板的熱傳導系數可以達到同厚度銅材板的8~12倍,雖說價格較高,但如在關鍵部位使用,對LED的散熱將起到事半功倍的作用。把燈具的外殼設計成散熱器(降低設備運轉時所產生的熱量)狀。目前大部分的道路燈具外殼是鋁(Al)材的,直接利用燈具外殼外面作為散熱器既可以保證IP防護等級的要求,也可以得到很大的散熱面積,另外,燈具外殼組成的散熱器在有落塵時,可以通過自然的風雨而沖洗,從而可保證散熱器工作的持續有效性。

          2.LED驅動電路的效率和輸出特性

          LED對驅動電路的要求是能保證恒流輸出的特性(characteristic),因為LED正向工作時結電壓相對變化區域很小,所以保證了LED驅動電流的恒定也就基本保證了LED輸出功率的恒定。對于我國電源電壓供應不穩定的現狀,道路燈具LED的驅動電路具有恒流輸出特性是十分必要的,可保證光輸出恒定并且防止LED的超功率運行。

          要想使LED驅動電路呈現恒流特性,從驅動電路的輸出端向內看,其輸出內阻抗一定是高的。工作時,負載電流也同樣通過這一輸出內阻抗,如果驅動電路由降壓、整流濾波后加直流恒流源電路或通用的開關電源加電阻(中文名:電阻器) 電路組成,在其上必定也消耗很大的有功功率,所以此兩類驅動電路在基本滿足恒流輸出的前提下,效率是不可能高的。正確的設計方案是采用有源電子開關電路或采用高頻電流來驅動LED,采用上述兩種方案可以使驅動電路在保持良好的恒流輸出特性的前提下,仍具有很高的轉換效率。

          3.野外照明燈具中電子(Electron)驅動電路的防雷電感應

          目前我國的道路燈具,基本都采用HID光源加配觸發器和電感鎮流器的模式,這一模式雖說存在能效較低及頻閃的問題,但其可靠性是很高的。led燈是一塊電致發光的半導體材料芯片,用銀膠或白膠固化到支架上,然后用銀線或金線連接芯片和電路板,四周用環氧樹脂密封,起到保護內部芯線的作用,最后安裝外殼,所以 LED 燈的抗震性能好。而采用電子驅動電路(DC)的LED燈具,在野外照明場合使用時,威脅其可靠性的一個重要方面是雷電感應問題。

          眾所周知,空中的閃電發射的是一廣譜的無線電波,而架空的道路燈具供電線路,是良好的接受無線。兩根電源線接收的同一閃電發出的無線電波,對驅動電路來講是屬于共模干擾信號,這種共模干擾對地可達數佰伏到數千伏,很容易擊穿驅動電路內的EMC接地電容或較小的對地的電氣間隙,造成驅動電路的損壞。

          另外由于我國的供電線路是三相四線制中性線接地的極性電源,所以在兩根架空供電線的各段,在感應到閃電的無線電波的瞬間,由于兩根供電線對地的瞬時阻抗不同而使兩根供電線間產生一個差模的干擾電壓,這一瞬時差模干擾電壓也可達到數百伏至3000多伏,這一電壓往往會擊穿驅動電路的電源整流二極管和印制線路板上的不同極性電極間的電氣間隙,同樣會使驅動電路損壞。

          要解決這一問題,必須在LED的驅動電路中的輸入端,并接快速響應的壓敏電阻,以保證差模干擾的泄放。由于閃電的感應干擾是重復多次的,當干擾電壓(voltage)高時,壓敏電阻瞬時導通泄放的電流可能很大,所以采用的壓敏電阻不僅應具有快速的響應能力,還應具備瞬時導通數十安培的泄放能力而不損壞。除了采用壓敏電阻外,LED的驅動電路的輸入端還應結合傳導干擾的防護,設計有復合的LC網絡,使這些LC網絡不僅能阻礙內部的EMI對電網的泄露,而且能對閃電的干擾信號起到明顯的抑制作用。

          還有,LED驅動電路各點對地的電氣間隙應保持在7mm以上,EMI防護的接地電容以及驅動電路的對地絕緣強度,應達到強化絕緣的要求,這樣能使LED的驅動電路具有良好的抗差模和共模雷電感應的能力。

          結論語

          LED作為一種新穎(Novel)的固體光源,具有生產過程(guò chéng)及產品幾乎無污染,不怕震動,可實現0~100%的連續調光,可在特低電壓下工作,可連續工作于開關、閃斷的工作狀態以及其輸出光具有定向性等諸多的獨特優勢,近年來在其光效和光色上的明顯進步已使它能進入商業化應用,但是在設計使用時一定要充分關注LED的特點,進行揚長避短的應用,才能取得預期的良好效果(effect)。

          目前的LED應用(application)在道路燈具中,應充分發揮其具有定向光輸出的功能,利用每一單個LED特定光束輸出角度和不同的光強輸出以及安裝方向的合理設計和燈具反射器的作用,實現三次配光,最大限度地利用LED的直射光和定向性來保持LED發射光的充分利用,保持道路照明的均勻性,以此來防止局部(part)區域的過度照明,彌補自身發光效率的不足,使系統效率得到可觀的提高,在次干道上可取得在照度滿足標準要求的前提下,其單位面積的照明能耗比采用高壓鈉燈的燈具節能約30%的成績。但LED就現在的能效水平以及輸出光強水平,作為商業應用在主干道路作為主照明,尚有不少差距。

          另外,采用LED作為光源的道路燈具,在設計時應在滿足IP防護的前提下,保證散熱的可靠和持續有效,LED驅動電路應具有高效率(efficiency)且完善的EMI和EMS的防護特性。具備這些特點的LED道路燈具不僅照明功率密度指標好,而且具有輸(shū)出光無頻閃的優點,這對于運動物的照明是十分有益的。

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