LED路灯灯具开发关注点

By | 2020年7月24日

  0 引言


  动力居21世纪寰球最关切议题之首,照明节能更被列为第一要务。路线照明由当局掌控,因应节能环保趋向,皿D路灯的商机在一直升温中。从照明观念看路线分为汽车公用、普通街道、商铺街、人行道四年夜类。普通所指的路线照明是指汽车公用道照明,次要性能是保证夜间路线的行人及车辆驾驶职员能平安通行,尤为应提供驾驶者看清路线形态、前进标的目的及周边环境等,以正确辨视任何阻碍物,预测前进标的目的。路线照明对缩小事变以及立功起着十分首要的作用。


  因路线照明的首要性,其设计思考的重点蕴含照度短缺、亮度平均、光色恼人、低眩光、诱导行车、节能及保护便当等,故路灯应具有高效率、照明行使率好、配光适当、寿命长、防水防尘等特点,以完成平安牢靠、节能、视觉过度、低光害及低培修率。


  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,是反动性的打破,2007年当前LED发光效率一直进步,1W冷白光产物光效110 lm/W,日亚小晶率(20mA)的试验室水准乃至达249 lm/W,年夜量投入带来惊人的生长速率,2008年北京奥运会也为众人宣示LED照明时代的降临。正在庖代室内照明以前,今朝最被看好的切人层面便是LED光源使用于路灯模组的设计。因为具备超越5000Oh的长效寿命,可年夜幅升高往后培修老本,缩小30%-50%耗电量。别的LED路灯的绝佳管制性可充沛行使,如调降初期照度、时控照度设定、主动调光等可对路线节能效益再添一成。今朝照明用白光LED正在通常照明工作前提下的零碎效率已超越401m/W,再加之LED制作老本年夜幅降落,以是照明用白光LED已具有使用到一些照明畛域的商用前提。然而今朝制作照明LED的工业群体往往对照明电器根本常识以及要求没有理解,而传统的照明灯具消费群体也往往缺乏对照明用LED特点的深人理解,正在设计以及运用中不充沛天时用LED特性,进行取长补短,孕育发生不少没有正当的设计。


  1 对于LED路灯


  1.1 路线照明法例与规范


  路线照明要求严格,寰球列国的路线照明设置标准和路灯功能规范相称完好明白;规范普通蕴含照度和平均度(最小照度/均匀照度),CIE115提出参考标准,将路线分红四年夜类,路面基准分为15,20,30,501x,平均度为0.4。基于环境与文明要素影响,列国标准仍有差距。路线照明灯具的平安、功能以及能效特点是评估路线照明灯具质量的几个首要方面,其相干的产物规范包罗产物平安规范、产物功能规范以及光度测试办法规范。分段产物平安规范:GB 7000. 1 -2007 《灯具第1局部:普通要求与实验》( idt IEC60598 -1 : 2002)以及GB7000.5 -2005《路线与街路照明灯具平安要求》(idt IEC60598 -2 -3:2003)分段产物功能规范:GB/T24827 -2009《路线与街路照明灯具功能要求》,光度测试办法规范:GB/T9468 -2008《灯具散布光度丈量的普通要求》,该规范规则的测试办法与CIE121分歧。分段应用LED光源的灯具,除了了合乎上述两个规范之外,还应合乎GB7247.1 -2001激光产物的平安第1局部:设施分类、要乞降用户指南(idt IEC 60825 -1 : 1993)。对于皿D灯具的检测,IECEE已有OSM/CTL决定,其准则是关于四D灯具,起首要依据IEC60825一1判别其类型,假如属于1类或1M类的激光平安型LED,则没有需求依据IEC60825-1测验,反之则需求。灯具的光度功能由CIE(国内照明委员会)出书物规则,触及CIE31 -1978路线照明安装的眩光以及平均度,CIE33 -1977路线照明安装的折旧以及保护,CIE34 -1977路线照明灯具以及安装数据:光度测定、分类以及功能,CIE47 -1977 湿润环境的路线照明,CIE66 -1984路线外表以及资料,CIE140 -2000路线照明较量争论,CIE180 -2007倒退中国度的路线运输照明。


  路线/街路灯的照明要求(来自CJJ45-2006规范),表1中CJJ45-2006规范上对路线照明的规则,从路线照明要求看没有同志路上应采纳的光度目标,若路线次要为机动车用的,路面应以亮度评估,如路线以行人以及非机动车为次要效劳工具的应应用照度为目标。因为行人关怀的是对方来人的脸孔以及高空上的状况,因而要确定垂直面的照度或路面上的照度(程度照度)。


  表1 CJJ45 -2006规范上对路线照明的规则



  正在节能的条件下,日本对街道照明灯具定下参考原则,其动力效率局部以200w的照明灯具为界线,低于200W发光效率为50lm/W,其他高于60lm/W, 我国也将照明用功率密度(LPD,W/m²)列入法例,此政策将会减速高效率灯具的普及,也是LED路灯的机会。


  台湾踊跃推进LED灯具法例制订,于2008年12月4日正式发布CNS15233《发光二极管路线照明灯具》规范。强调理能耐用、平安、配光功能等三年夜项,规则三级能效等级,最低灯具发光效率为451m/W,其次需经过50°下延续测试360h。平安上着重防止雷击损伤,和抗风强度。配光上次要对光强度散布状况加以标准,产物必需确保路面照度平均度,以确保路人平安。标准内容次要蕴含根本功能(功率因数、输出功率、电流谐波失真及电压变化),平安性(绝缘耐压、IP、风压),电磁滋扰,光学特点(光色容许色偏偏范畴、配光),发光效率,耐用牢靠性(温度轮回及开关进行8000次),持久性等,别的,基于视觉过度考量没有容许任一LED没有亮或闪动生效。规范最刻薄的地方是需求进行老化测试100Oh后,再进行3000h测试中,光通量没有患上小于原光通量的92%,且发光效率合乎维持原规范90%。


  DOE对于SSL产物动力之星认证中对路线灯具的要求,DOE正在2007年8月发布了第一批SSL产物动力之星认证要求(共7个产物,3个室外以及4个室内)后,正在2008年8月又发布了蕴含路线/街路照明灯技巧要求的增补产物的要求(共10个产物,5个室外以及5个室内)。对于路线/街路照明灯技巧要求以下(蕴含与第一批产物通用的技巧要求):


  (1)色度以及色变动的要求,颜色的规则见表2,SSL产物达到动力之星要求的色度坐标的要求,正在DOE的SSL标准中对路线/街路灯具的色温不限度。


  表2  色度、色变动以及颜色的规则



  图1 色温地位正在色品图中的示意



  


图2 LED光衰以及结温关系曲线


  (2)寿命(光衰)要求规则2500Oh以及3500Oh两档。检测办法是将SSL灯具扑灭6000h后测光衰,实验时的灯没有需老炼,每一1000h丈量一次,到600Oh的光衰小于初始的94.1 % ,寿命年夜于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)配光要求最小光输入:23001m(初始);环带流明密度:0°~90°为100%,光通量为80°~90°,最年夜占10%光通量;光束平均性要求最年夜光强正在55°-65°等。


  (6)其余内容为待机功耗要求没有工作时没有耗电,但与探测有否职员流动的监测设施合用的破例;保障从采办日起三年内收费修缮交换光源或驱动器,对室第用灯具的保障日期从运输之日起算;灯具制作要附上灯具热治理的阐明、证书文件以及实验进程;安装要求LED光源的均匀流明衰减到肇始值的70%的工夫最小是35000h;附着正在修建上功率年夜于13W的SSL设施必需附有光控设施,能主动启闭,24h内可儿工或主动管制等。


  1. 2 LED路灯近况


  (1 )LED路灯与传统路线照明灯具比拟,今朝普遍采纳的路线灯具光源是低压铀灯或金属卤化物灯,其最年夜特性是发光电弧管尺寸小,有很年夜光输入,具备很高的光效,零碎效率(包罗配套电器)可达80 -110 lm/W,但这种光源运用正在路线灯具中只有40%阁下的光间接透过玻璃罩抵达路面,其余光经过灯具反射器再射出灯具。传统路灯存正在显著有余,一是灯具间接照耀的标的目的上照度很高,显著适度照明,次干道上可达到50lx以上;二是反射器的效率为50% -60% ,60%阁下的光输入正在灯具内,丧失了30% -40%后再技射到路面。此类灯具的总体效率正在60-70% (少少局部国内品牌灯具效率可达80% )。综合无效照明效率仅为50%,今朝次干道的照明成果(照度及平均度)根本达没有到CJJ45-2006 以及CIE31, CIE115规范要求。LED作为路灯光源,它与传统路灯光源比拟有许多优点,寿命长,抗震功能好,白光LED光色比低压制灯好,能完成较完满的调光性能(LED进行频仍开关对其不太年夜影响,能够经过扭转电流办法来调光,亦可采纳脉冲宽度调理办法来调光,经过调理电压占空比以及工作频次能无效调理LED发光强度),灯具光学零碎内LED光源光通量丧失最小,LED光源没有含无害金属录等。


  (2)LED光源的路线灯具配光近况,今朝LED正在路灯应用最普遍的方式次要有两类:一类采纳传统的路线灯具外壳,只是正在灯具内装正在平板装置面上矩阵式LED;另外一类把多个LED集成正在一个圆柱体上,光输入密度靠近高强度气体放电灯,再行使灯具反射器进行配光,但这类设计形式的灯具散布没有会优于传统路线灯具,而且正在一个很小区域内集成高密度的LED,使LED散激情况没有良,不只影响到LED的发光效率,并且影响到LED的应用寿命。行使传统路灯灯头改制的LED路灯,采纳了铝型材做散热器,将整个光源以及驱动电路装入铝合金灯壳中,尽管处理了灯具的防护等级成绩,然而整个光源是正在密闭的灯壳中,灯具工作中所孕育发生的热量元法分发到空气中,招致LED模块以及驱动电路正在极顽劣的环境中工作,工作温度急剧降低,LED跟着温度的降低而呈现死灯以及光衰,驱动器也因温度高而废弃,年夜年夜升高了灯具的牢靠性以及应用寿命(见图2)。故此计划是不可熟的。要做好LED路灯,简略地用传统灯头装人LED光源是行欠亨的,见图3。



  图3 传统路灯革新成LED路灯


  今朝,LED路灯还不克不及用于骨干路。骨干路是衔接都会各次要分区的干路,采取机动车与非机动车分隔方式。机动车正在骨干路上的行驶速率比次干路快,照明程度比次干路高。骨干路的照度要求达到30lx, 照度平均度为0.4,均匀亮度要求达到2.0cd/m²,亮度总平均度为0.4,亮度纵向平均度0.7,阈值增量≤10。达到节能程度的路灯,应正在照明品质达到以上要求的同时,照明功率密度应小于国度规范的规则,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配光散布状况


  (3 )LED光源路线灯具驱动近况,LED对驱动电路的要求是保障恒流输入的特点,由于LED正向工作时结电压绝对变动区域很小,以是保障LED驱动电流的恒定也就根本保障了LED输入功率的恒定。因为我国电源电压供给没有稳固的近况,路线照明LED的驱动电路具备恒流输入特点十分须要,保障光输入同时防止LED超功率运转。今朝很年夜一局部一类驱动电路由降压、整流滤波后加直流恒流游、电路组成;另一类采纳通用开关电源加电阻电路组成,如斯耗费很年夜的有功功率。以是此两类驱动电路正在根本餍足恒流输入特点的条件下,效率其实不高。另外很年夜一局部没有具有防雷击性能。

 

  (4)LED光源路线灯具散热与IP防护近况,LED的工作工况以及散热不只间接关系到LED实际工作时的发光效率,并且还关系到应用寿命,而精良的IP防护也会妨害LED的散热。今朝LED路灯很年夜一局部是正在对传统灯具进行部分革新,灯具的热量都集中正在灯具光学腔内,一方面违反了LED光源的特点,配光达没有到要求,同时随同另外一致命缺陷散热成果欠好,重大影响光衰及寿命。由于采纳传统灯具部分革新即便IP防护精良但影响LED散热,并且某些灯具达没有到IP65等级间接造成光源及电源短路生效。


  2 LED路灯设计存眷点及处理路子


  2.1 LED配光设计


  LED路灯以及应用传统光源路灯的光学设计形式是没有同的。传统光源路灯是经过应用反射器将一个光源的光通量均匀调配到受照路面上。而LED路灯的光源由多个LED组成,经过设计每一个LED的投射标的目的,使受照路面取得平均的照度。LED的最年夜特性是具备定向发射光的性能,功率型LED装有发射器,其效率显著高于灯具反射器效率(一次配光),LED路线灯具应尽可能天时用LED的定向发射光特点,使各个LED辨别间接把光射向被照路面(二次配光),再行使灯具反射器的辅佐配光(三次配光),来完成正当的路线灯具综合配光,以餍足CJJ45-2006以及CIE31, CIE115规范照度以及平均度要求。因LED光源的半空间发光的特性,LED光源正在灯具内应用,光源光通量的丧失比低压铀灯或金属卤化物灯少。就今朝来说,LED光源的光效达没有到低压纳灯或金属卤化物灯的程度,即相反功率的光源,光通量不高强度气体放电灯高。然而,因为LED光源的半空间发光的特性,使患上LED灯具的光通量输入能够靠近于高强度气体放电灯灯具程度。当路灯将光线照耀到路面上,光线的投射标的目的只存正在半个空间。高强度气体放电灯的发光空间盘踞了整个空间,见图4(a)。假如不灯具,光源的上半空间光线全副糜费。应用灯具,反射器能够将上半空间的光线反射到下半空间内,但反射器对光线的排汇作用,和光线反射时遭到光源本身的遮挡转换成热能,或反射器对光线二次反射的再排汇,使患上光源的一局部光线丧失了。灯具效率是反映光源光线丧失水平的参数。从小功率低压铀灯路灯(70 W -150 W)光度功能情况来看,灯具效率普通处于65%-75%的程度。以100W低压铀灯为例,光源的光通量达到8000 1m ,路灯的光通输入为52001m -6000 1m。LED光源正在这方面是具备劣势的,LED的发光只存正在于半个空间,见图4(b),正在不必灯具的状况下,也能将光线100%投射到路面。对灯具需求设计的是正在较小的角度范畴内扭转光线的投射标的目的,正在这个进程中,光的丧失是巨大的。今朝,LED路灯的光效达到了40-50 lm/W,以100W LED路灯为例,灯具光通量输入能够达到4000-5000 1m。置信经过一直地增强设计力气,路灯的配光会愈加优化,最初达到完满。


  各级当局都正在鼎力推广节能减排,正在室内照明中,曾经强迫执行照明功率密度(LPD)的限值,我国路线照明节能认证的技巧规范《路线照明灯具节能认证技巧要求》提出了路线照明功率密度(LPD)的查核要求,其外围局部是正在餍足路线路面照度与平均度的条件下尽可能升高照明功率密度(单元:W/m²,从而达到节能目的。以上设计思绪正好投合查核要求。


  2.2 LED路灯的散热


  LED是嵌人照冥具具中应用的,因为LED芯片的发烧量年夜,正在做成年夜功率灯具时遇到了艰难。各公司今朝在致力处理的课题之一就是”散热”。虽然说发光效率愈来愈高,但LED芯片的发烧量依然很年夜。假如未采取散热措施,LED芯片的温度就会太高,招致芯片自身及封装树脂功能的好转,从而终极惹起发光效率的升高以及寿命的缩短。LED最首要的功能就是”短命命”,为了避免影响这一目标,就需求设法将芯片上孕育发生的热量散进来。改善LED的发烧成绩是攻克年夜功率照明灯具的要害。今朝较为适用的计划是把灯具铝材外壳设计成散热器状,内外表平坦完后装置光源铝基板,铝基板与内外表之间采纳导热硅胶衔接,以确保传导散热成果,表面面做成鳝状散热构造,即便外壳落尘也能够经过天然风雨冲洗,保障散热工作的继续。另外,要害散热地位可采纳导热板,导热板是正在金属板的外部,均布有供冷媒活动的细导管,当导热板某一部位受热时,细导管内的冷媒会疾速活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,散热鳍片关于小型的发烧器件是简略无效的散热单位,然而关于路灯这样年夜功率的发烧设施,假如只是将散热鳝片简略地放年夜显然是没有迷信的。依据最根本的热学原理,年夜面积的散热鳝片存正在重大的热岛效应,为了取得需求的散热成果,正在跟着功率加年夜而同比加年夜散热器尺寸的同时,需求额定添加散热器尺寸,从而年夜年夜添加散热器的尺寸以及分量,招致灯具分量很年夜。


  散热资料的抉择,为了做好LED路灯,起首咱们对散热资料进行抉择,今朝散热器所采纳的根本为金属资料,这次要出于三方面的思考:导热功能好、易于加工、易猎取。表4为散热片罕用资料与常见金属资料的热传导系数,表4中列出的5种没有同铝合金中:AA6061与AA6063具备没有错的热传导才能与加工性,适宜于挤压成形工艺,正在散热片加工中被广为采纳。ADC12适宜于压铸成形,但热传导系数较低,因而散热片加工中通常采纳AA1070铝合金替代,惋惜加工机器功能方面不迭ADC120AA1050则具备较好的延展性,适宜于冲压工艺,多用于制作细薄的鳍片。


  表4 常见金属资料的热传导系数



  2.3 LED路灯的驱动


  要确保LED的短命命特点,LED路灯的驱动显患上十分要害,同时其转换效率显患上很首要。采纳有源电子开关电路或高频电流来驱动LED能够使驱动电路放弃精良的恒流输入特点,同时具备很高的转换效率。然而电子驱动电路的LED灯具,正在户外应用时,对其牢靠性要挟最年夜的是雷电感到成绩。共模滋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;同时孕育发生的差模滋扰电压,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以及印制线路板上没有同极性电极间的电气间隙,损坏驱动电路。驱动电路应具有压敏电阻、传导滋扰(EMI)维护,同时LED驱动电路各点对地的电气间隙放弃正在7妹妹以上,绝缘强度应强化达到(4U+2750V)要求,使LED驱动电路具备精良的抗雷电感到才能。


  2.4 LED路灯的IP防护


  不只要求LED光源局部具有IP65防护才能,同时驱动局部也必需餍足IP65等级以上要求,既保障LED、驱开工作平安,也是确保光输入维持率。通常采纳构造防水设计加硅胶密封条计划,硅酣胶只能作为辅佐防水形式,驱动局部可采纳灌封密封胶,不只处理防水目的,并且可达到驱动散热目的。


  3 LED路灯的其余存眷点


  LED路灯灯具构造全体思考,一体化设计;LED光源的模组化设计,便于拼装保护及散热,尽可能由多模组光源组成年夜功率光源;四D光源、光色的抉择:LED路灯光源腔与电源腔别离设计;LED路灯配件资料抉择,如透镜资料、散热资料等;电源输出端接线盒设计,思考拆装不便及平安,设计电源线接线盒同时留意防水;LED路灯抗风压要求,统筹灯具总分量,顶风面积设计;LED路灯调光管制性能的完成,真正完成节能;LED路灯与太阳能的完满连系,无效行使绿色动力;当然作为户外产物也要思考产物的外观设计,留意处理好白昼景观观赏成绩等等。


  4 小结


  LED使用正在路线照明中,充沛施展其定向光输入特点,正当二次配光连系灯具反射器三次配光餍足路线照明设计要求,零碎效率一直进步,完成单元面积能耗比低压铀灯节约30%的目的,同时设计时正在餍足IP防护的条件下,保障散热牢靠以及继续无效,LED驱动电路应具备高效率且欠缺EMC维护特点,同时应餍足照明功率密度(LPD)目标。跟着LED技巧的提高以及倒退,LED路灯的使用技巧也正在随之提高以及倒退,少数LED路灯产物达到或超越了国度路线照明规范。成果是显著的,情势是喜人的,前景是悲观的。当局的鼎力支持,是LED照明技巧倒退的源能源,应重视驱动零碎、光学零碎、散热导热零碎、防护等级、加工工艺以及美学设计等使用技巧的钻研,致力晋升LED灯具本身的稳固性、牢靠性。LED路灯的使用,应惹人”理论”的观念,同时增强外围技巧的钻研与开发。


 


编纂:Cedar