LED路燈設計中的創新策略分析

摘要：LED作為一種綠色光源在城市道路照明中受到人們越來越多的關注，但目前的LED路燈在散熱、重量、維護等方面還存在著一定的缺陷。本文簡單介紹了LED及其在城市照明中的應用，通過分析當前國內LED路燈中存在的缺陷，對LED路燈設計中的創新策略進行了探討。

關鍵詞：LED路燈；設計；創新

隨著半導體技術的發展，LED以其能耗低、發光效率高、體積小等優點逐漸引起人們的重視，并被應用于路燈燈具中，為城市照明技術的發展做出了重要的貢獻，而隨著社會的發展，人們對于照明質量的要求也越來越高，照明設施設計中不僅僅要考慮亮度，還要考慮照明色彩、造型、質感等，因此，也就需要對LED路燈設計進行不斷的創新和改進，以提高城市照明質量。

1 LED及其在照明中的應用

LED（LightEmitting Diode）也即是發光二極管，是由鎵（Ga）、砷（AS）、磷（P）的化合物制成的一種可發光的半導體電子元件，其最早只能發出低光度的白光，隨著技術的發展和研究的不斷深入，目前的發光二極管已可以發出包括紅、橙、黃、綠、青、藍、紫等各種可見光及紅外線、紫外線等在內的多種光，其種類也十分繁多，有普通單色發光二極管、高亮度發光二極管、超高亮度發光二極管、紅外線發光二極管、變色發光二極管等多種，控制模式主要有恒壓控制和恒流控制，目前多數的LED是采用恒流控制。

照明設施所使用的發光材料主要有鎢絲、高納絲、汞、混光等，其中利用高納絲的高壓鈉燈燈具有產生光亮大、透霧能力強、耗電少、壽命長，且不誘蟲的優點，在目前現代城市道路照明設施中的應用十分廣泛，但此類路燈光亮過大，易造成光污染，使人感到煩躁，且浪費資源，而LED具有工作電壓低、電流小、響應時間極短，抗沖和抗震性能高、壽命長，對環境無污染，適用性強，可發出多種光等多個優點，且可通過調節電流強弱來方便地調節燈的亮度，幾乎不需要維護，被稱為綠色光源或、第四代照明光源，在大力發展綠色能源的當前有著十分顯見的應用價值。

2 國內LED路燈存在的缺陷

LED路燈比起傳統路燈在技術上的絕對優勢使得在道路照明上的應用越來越廣泛，目前國內外均已有大量的產品問世并被應用于實際中，較好地提高了城市照明質量，但在實踐中，LED路燈在散熱、配光、驅動器壽命及維修等方面還存在著一定的缺陷。

以發光二極管作為光源的燈具，其能量約有80%～90%可轉化為熱量，如果這些熱量不能及時散去，就會使得管芯溫度升高，加速發光二極管光衰，影響色溫質量，同時還會導致燈具壽命縮短。

目前路燈的輸入多采用的是120V或230V的交流電源，熒光燈燈管或高壓放電燈發光元件數目少，電路簡單，可選的交流電源運行鎮流器的范圍較廣，但由于LED大多數的功率都只有0.5W～5W，要想使燈具的亮度達到路燈的要求，就需要使用100個或更多個1W的LED，發光元件數目大，又加之LED動態電阻分次非常小，如果直接將LED連接到交流電源，其會發出很亮的光，但會很快失效，而作為路燈其使用壽命是產品主要考慮的性能之一，因此，為了保證燈的使用壽命，與之相配套的用以將離線電壓轉換為受控直流電流的驅動器也需要有較長的使用壽命。

當前的LED路燈多采用的是燈殼與光源粘接為一體密封于玻璃內的一體化集成式設計，使得路燈的維護十分困難，難以進行現場更換而需要由專業維修人員整體替換或是返廠維修，維修成本高。

另外，LED多為圓形，而路燈配光要求為橢圓形，配光曲線難以設計，目前LED路燈也通常只是取代了傳統的燈泡，而沒有將其色彩特性發揮出來。

3 LED路燈創新設計

根據以上對目前國內LED路燈使用中的不足，LED路燈創新設計策略主要是采用模塊化的設計來解決LED路燈在重量、散熱、維護、壽命等方面的問題。

3.1 模塊化設計思路

LED路燈模塊化的設計即是若干個發光二極管光源做成一個配光、散熱、防塵、防水等結構一體化的模組，由若干個光源模組與燈具基座、驅動器共同構成一個整體的LED燈具，改變以往所有光源都安裝在一個燈具內的模式，其具體結構如下圖1所示。

圖1 LED路燈模塊化結構示意圖

在此結構中，光源模組是核心部分，可放置在燈具內，也可以分離放在燈桿下，采用兩個接口，分別將光源模組與驅動器和燈具底座連接，與燈具底座連接的結構可采用方形或條形等統一的標準，采用螺釘、卡口或是彈簧扣進行固定，這樣在需要維修的時候，哪一部分損壞即可只維修更換相應的部分，而不需要對燈具進行整體的維修，操作簡單且能很好地節約維修成本。

3.2 光源模組設計策略

光源模組是燈具的核心，也是設計中的關鍵部分，在散熱方面，可采用在原來的散熱裝置上加裝一個蓄熱裝置，利用熱傳導原理和致冷介質快速熱傳遞性質來解決散熱的問題；通常采用密封圈加螺絲即可達到規定的IP等級，而在配光設計中，可采用常規二次光學透鏡、三次光學設計的光熱一體化方案或是采用一體化光學透鏡，在此設計中，借助的依舊是傳統的三次光學設計的思路，但將以往設計中獨立的反射器與光源模組的結構融合在了一起，光源模組內腔按照反射器形狀設計，鍍上反射膜，散熱片分布于反射器的周圍，從而使光源模組成為一個光熱一體的結構。

3.3 內表面配光透鏡設計

目前路燈燈具內的透鏡多為外表面配光，在采用一體化透鏡時，將其加工為一個整體后易出現表面凸凹不平的現象，即會影響路燈的發光效率也不利于維護，而如果采用內表面配光透鏡，則可以保證透鏡外表面的光滑，使維護更加方便。

通常一個發光二極管從透鏡射出的光線有內表面調制光和大角度全反射光兩部分，而全反射光所占的比例十分小，只需要對透鏡側面進行合理的設計，即可保證大角度光線的全反射。同時透鏡的外表面為平面，也更容易連接成一個整體，且配光基本不受外平面厚度的影響，結構設計也更為容易。

4 結語

本文通過對國內當前LED路燈中存在的不足的分析，提出了一種模塊化的設計方案，并在模塊化設計思路下創新設計了一種內表面配光透鏡的光學模組，可較好地減輕LED路燈重量，使LED路燈的維護更為方便，經試驗發現可提高其散熱性能，可為LED路燈的設計提供一種新思路。

參考文獻：

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