高功率LED道路照明燈具應用狀況分析

摘 要：文章根據現時高功率LED路燈的實際使用情況分析了衡量道路照明節能狀況的重要指標——光效值，分析符合道路照明基本要求的高功率LED路燈的主要物理參數。由配光曲線設計、散熱結構和驅動電路等角度去討論如何提升高功率LED路燈光效、減少光衰的技術方案。

關鍵詞：道路照明；LED路燈；配光曲線；散熱；驅動電路

中圖分類號：TM923.34 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）21-0062-02

1 背景概述

在國家大力倡導減少能源使用，推行綠色經濟的今天，LED燈以其節能、環保、壽命長、響應速度快、顯色指數高等特點得以在我國以極快的速度發展。早在2008年，國家就提出了“十城萬盞”的道路照明示范工程項目，該工程項目極大地推動了LED路燈的研發與生產。

由于LED光源的光效在持續增加，所以LED路燈也隨之在性能上有了質的飛躍，市面上也出現了數量眾多的各種類型的LED路燈，這些LED路燈有相當一部分具有較高的道路照明使用價值，故高功率LED路燈有逐漸代替傳統的高壓鈉燈的趨勢而成為道路照明的主力軍。

根據相關認證單位對近年來送檢的LED路燈所測量得到的光照數據可以知道，LED路燈在光通量輸出這個指標上獲得較為顯著的改進。與傳統的用于道路照明的功率為100 W左右的高壓鈉燈比較，在初始光通量這個指標上LED路燈要領先于高壓鈉燈，因此，它完全具備了應用于城市道路照明的實踐條件，鑒于目前LED路燈技術的研發力度與速度，它有望成為新一代城市道路照明的核心燈具。

2 高功率LED路燈實踐中的關鍵技術

2.1 高功率LED路燈的特點

由于高功率LED路燈擁有低功耗和壽命長的特點，所以它成為眾多行業專家推選的道路照明中所使用的燈具類型，而造就LED路燈擁有上述優點的因素是其出色的能效數值以及設計得當的反映光強分布特點的配光曲線圖，另外，良好的驅動LED燈具工作的控制電路以及散發熱量的燈具結構設計也有助于LED燈具發揮出它的優勢。

2.2 高功率LED路燈能效

在能效方面上，即使傳統高壓鈉燈在電子鎮流器以及其它方面的能量散失上占到了總功率的70%左右，但是它的初始光通量仍然具有相當高的數值，雖然LED燈具可以通過后期的配光曲線優化來提升燈具的光使用效率，但是總體而言在能效方面上與超過100 W功率的高功率高壓鈉燈相比，LED路燈還是存在一定的差距，現時LED路燈在城市主干道路上還不能真正替代傳統使用的高壓鈉燈用于道路照明。

2.3 高功率LED的芯片

現階段高功率LED芯片在由電能轉換為光能的效率上并不令人滿意，很多時候是低于25%，換句話說就是多達75%的能量轉換為熱量散發出去了。通過對國外某家知名公司出品的LED芯片做測試所得到的數據表明，在LED芯片的溫度每升高20 ℃時，總的光通量輸出就會隨之減少5%～8%，使用壽命也以隨之出現迅速下跌的狀況。所以把LED芯片的結溫穩定在一個相對低的數值，才可以使得LED光源發出穩定的光線，即如何設置出一個出色的散熱結構是提升LED路燈性能的關鍵。

2.4 解決LED路燈散熱問題的方法

在解決LED路燈散熱問題時可以從以下兩點出發：

第一是使用熱沉把LED芯片在工作過程中所產生的熱能量吸取出來并引導給散熱器。

第二是在LED路燈的研發生產過程中實施二次散熱設計，這種設計方案分為散熱器散熱和熱管散熱兩種情況。

使用散熱器方案時，可以將散熱器設置于燈具的外殼上形成整體的結構，當然還可以將散熱器配置于燈具內部并使用受溫度控制的風扇輔助散熱。使用熱管方案時，則通常是配合鰭片、受溫度控制的風扇等器件的不同組合方式來完成燈具的散熱。

2.5 LED路燈外殼的作用

路燈的外殼承擔著兩方面的作用，一方面是為了迎合防護等級的要求，必須將積聚在燈具內部的熱量傳遞到外部環境中，所以良好的散熱是LED路燈外殼必須具備的一個條件，另一方面，由于LED路燈處于一個日曬雨淋的嚴酷環境，并且空氣中的沙塵和刺激性氣體也會對LED路燈的性能造成影響，所以LED路燈的燈具外殼也要具備易于長期保養的特點，不然也會影響到LED路燈的散熱性能，這方面不應當忽視。

2.6 衡量LED路燈是否滿足道路照明需求的物理參量

道路照明亮度（照度）、亮度（照度）均勻度、環境比、眩光極限值等都是衡量LED路燈是否滿足道路照明需求的物理參量。我們知道，LED燈具在不同的投射方向上的光強分布是不一樣的，它跟投射方向角的余弦值呈現正比的關系，所以LED燈具在出廠前，必須要對其配光曲線進行優化設計，使得光強分布接近均勻的目標，從而符合國家道路照明標準規范，獲得理想的道路照明環境。另外，在實際道路照明中還要綜合考慮路燈的布燈方式以及照明路面各項物理參數才能獲得較好的照明效果。

當LED路燈在路面上所形成的光強分布形狀接近長方形時，就會得到符合道路照明標準的照明效果。現今市面上的LED路燈具有各種各樣不同的配光曲線設計方式，使用得最多的設計方式有如下兩種：

第一種是將LED路燈內部結構的形狀設計為圓弧形，使用全反射的透鏡或者是反光杯配置于上述內部結構中，這些透鏡模組以LED路燈中心軸對稱，LED光源所發出的光經過這些弧形狀透鏡的作用后獲得矩形配光。

第二種是將LED芯片直接以平面延伸的形式在燈具內排布，此時透鏡模組使用的是自由曲面透鏡，它們是非軸對稱的，單個LED芯片經過自由曲面透鏡的作用后獲得矩形配光，從而LED燈具將會在路面上獲得理想的光強分布狀況。

除上面提到的影響LED路燈性能的三個要素外，LED驅動電路的質量也是決定LED路燈產品好壞的重要一環，這是因為它與燈具的總效率相關，在確保產品成本的情況下，應盡可能提升LED路燈控制裝置的效率，令該效率值大于或等于90%，并使功率因數不小于0.9。

而LED驅動電路的質量則是和構成驅動電路的內部電子零部件在正常運行時的穩定表現情況有關，所以當異常情況出現時，要提高這些零部件在實際運行過程中的可靠度。

另外，LED路燈的驅動裝置還要具備抵抗EMI以及雷電等極端天氣的能力，因此LED路燈驅動裝置的防護性能也要提高。當LED驅動電路的質量提高后，整個燈具的使用壽命也會相應地提升。我們在LED路燈產品的實際使用過程中經常會發現，燈具的報廢大多數情況是由驅動電路的損壞而造成的，所以可靠性高的驅動電路可以最大限度地提高電源效率和保護好LED光源，從而延長產品的使用壽命。

3 結 語

通過以上的分析可以看出，在LED燈具的產品研發過程中需要著重關注配光設計、散熱結構以及驅動電路等幾個方面，根據光源的特點、實際路面環境和規定的道路照明的標準來設計高功率LED燈具。因為LED光源獨有的特點，所以在將它應用到不同結構類型的燈具時，會出現許多與傳統高壓鈉燈不同的地方，這些差異會直接或間接地影響到燈具產品的質量。我們需要客觀地分析目前半導體照明存在的問題，以便正確地認識LED路燈的質量問題，這樣才能為日后提升LED路燈的產品的質量打下理論基礎。

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