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佰特照明带您了解白光LED在路灯中的应用

已有 209 次阅读2015-8-28 15:26 |个人分类:LED灯具知识| 关键词: LED道路照明

人类的照明技术一直在进步,作为照明物质基础的电光源经历了热辐射光源、气体放电光源等发展历程,已经开始步入固态光源时代。LED作为固态照明的主要光源,是照明领域近年来发展的最大亮点,受到各国政府与产业界的高度重视。一方面技术的进步使LED光效等性能指标快速提高,另一方面性能的快速提高也成就了价格的下降并进入各种照明市场[1]。

  针对LED应用于照明领域,本文首先简要介绍了白光LED的基本原理,模组式路灯的基本结构,然后阐述光学设计对灯具效率的影响,分析灯具整体的可靠性影响因素,最后对LED路灯在工程中的应用进行了分析。

  1 白光LED

  从本质上讲,LED是一种单色光源,然而在照明应用中,单色光远远不能满足各类需要,白光LED才是固态照明技术用于普通照明的最终目标。目前实现白光LED的主流方法有三种,即三基色白光LED、紫外芯片加三基色荧光粉白光LED、蓝光LED加黄色荧光粉的方法。下文主要介绍工艺成熟的蓝光LED加黄色荧光粉方法,该方法在现今业界中应用广泛[2]。

  1.1 蓝光LED加黄色荧光粉产生白光

  LED的光学特性要通过封装来实现,LED封装的主要目的是确保发光芯片和电路间的电气和机械接触,并保护发光芯片不受机械、热、潮湿及其它外部影响。图1为在蓝光芯片加荧光粉做成LED的结构示意图。

  通过蓝光芯片发出波长约为465nm的蓝光,打在YAG荧光粉上,激发出波长约为570nm左右的黄光。通过色度图2中可以知道,这两种光色合成在一起即呈白光。通过LED发出的光和荧光粉激发出的可见光的合成,实际出光光通量是部分透射蓝光与黄色荧光粉二次发光之和,这种方式的光谱示意图如图2所示。

  随着LED研发技术的不断突破,LED光效提高、可靠性提高且价格降低,使得大功率的白光LED应用于照明也随之推广开来,LED开始应用于道路照明领域。

  1.2 模组式LED路灯的一般特点

  大功率LED灯具一般由多颗LED光源组成,不仅光源功率较大,灯具的各个组成部分消耗功率也高。根据灯具形式的不同,LED路灯可分为整体式LED路灯、模组式LED路灯,下文对模组式LED路灯一般特点作简要介绍。

  模组式是指大功率LED灯具中若干颗LED光源做成一个配光、散热与防护等级结构于一体化的模组,一个灯具根据功率级别的不同,通常由若干模组组成。光源模组是一个集合配光、散热及防护等级功能精心设计的模块,是灯具的核心部分。对于防护等级,通常采用密封圈加螺丝,可以满足户外使用要求;在散热方面,采用模组化设计,热源分散了,通过优化散热设计,可以大大降低芯片结温;在配光方面,采用二次光学透镜设计,可以实现所需要的道路照明效果。

  图3为模组式路灯示意图,在模组上含有机械结构接口,通过散热器上的螺丝孔位或弹簧卡扣与灯具外壳连接固定,用连接线完成驱动器与光源模组的能量接口。采用模组式LED路灯设计,便于管理维护。

  大功率LED灯具应用于功能性照明,一方面要注重效率,这关系到路灯的整体可靠性;另一方面,大功率灯具都对配光有要求,因为这关系到灯具发出光线的有效利用率。

  2 LED路灯应用及分析

  2.1 光学设计

  传统光源照射方向为360°,灯具依靠反射器将大部分光线反射到特定方位,只有约40%的光是直接透过玻璃罩到达路面。LED灯的绝大部分光线都是前射光,可以实现大于95%的光效,这是LED区别于其它光源的重要特性之一。

  对于道路照明,要求将光线照射在路面,同时有一定比例的光线照射在边上的人行道,但是不希望光线打向天空及离道路较远的地方。通过LED灯具二次配光设计,使灯具出光形状满足路面照度、亮度、均匀性等参数的要求[3]。

  LED路灯采用独特的二次光学透镜模组和“带状光斑”出光设计。光斑长度由LED出光角度来确定,从而合理地控制光的分布,避免了光的叠加浪费,降低了光损耗,实现了灯杆之间带状光斑的彼此连接,使其达到了国家标准规定的各项亮度指标。

  2.2 灯具可靠性

  LED的寿命长,目前理论上可以达到10万小时之久,但是由于受到LED驱动电源和其它零部件的寿命影响,从而使得LED路灯灯具系统的寿命达不到10万小时。根据LED路灯灯具系统寿命,灯具的可靠性可分为模组的可靠性,电源的可靠性,以及整体结构的可靠性。本节通过散热管理和防护等级讨论灯具的可靠性。

  (1)散热管理

  散热主要有三种方式,即热传导、对流和辐射。对于LED模组,热传导主要发生在LED芯片与基板、散热器之间,热传导的效率决定于热流通道的热阻,必须设计一个热流通道将LED芯片所发出的热能传递到散热器上。热流通道上的每个环节都存在热阻,通过减小接触界面的热阻,可以大大提高传热效率[4]。

  当热量从芯片传导至散热器,热对流主要发生在散热器和周围空气之间,热辐射是以辐射波的形式达到热交换的目的。通过优化散热器设计,达到最大的与空气对流换热效率;对散热器做表面处理,加强辐射散热。散热管理的最终目标是降低LED芯片结温,最终提高LED灯具的可靠性。

  (2)防护等级

  LED芯片十分脆弱,细微的划伤就可能伤及电极,从而使得器件失效。如果长期暴露在空气中的芯片会被氧化。芯片通过封装,可以保护发光芯片不受机械、热、潮湿及其它外部影响,达到一次防护目的。

  LED路灯模组发光系统的透镜采用抗紫外线辐射的PC材料,用螺丝将硅胶圈与散热器固定的方式,可以达到户外使用的防护级别。与驱动器连接的部分用防水连接线连接,可以满足户外使用的防护级别。电源通过灌注耐寒、耐高温、导热性好、绝缘性好、阻燃性好的防水胶。整个LED灯具的能量接口系统处于高防护状态,保证了使用的可靠性。

  LED路灯灯具系统面临各种户外恶劣的工作环境,通过良好的散热管理和提高防护级别,灯具整体的可靠性大大提高,寿命使用延长,最大的获得新技术给施工及管理人员带来便利,将大大减小后期维护问题。

  3 道路照明应用中存在的问题

  城市道路照明是功能性照明领域的能耗大户,随着半导体照明技术的发展,我国科技部启动“十城万盏”半导体照明工程,三年计划安装百万盏LED路灯,众多城市都计划将传统的高压钠灯更换为新型的LED路灯,使得LED路灯的应用得到了快速的发展。然而,技术方面仍然需要发展和更新,更需要加强工程建设和市场管理,只有这样才能真正促进LED路灯功能与作用的发挥,引领我国半导体照明行业健康发展。

  3.1 产品标准不一,管理不佳

  在多个政府部门的协调之下,我国已制定相关的标准,但这些标准认证体系大多是围绕术语、定义、测试方法、安全要求等制定的,对于应用设计方面的标准并不多见,导致多数企业在低水平上进行重复性建设和竞争。不同厂家有不同的生产标准,而且相互之间缺少沟通与合作,生产出来的灯型不能够通用,质量水平也各不相同。

  LED路灯工程施工后,日后的维修与管理仍然需要依靠生产商,用户不能实现独立工作。经过长时间的使用与管理,具体的维修任务则繁重不堪,这种后期维护不断累加的成本必然加剧了施工单位的成本负担。通过产品标准的贯彻与落实,实现灯具的互换性,减小后期维护带来的问题。

  3.2 整体功能有待提升

  与传统的高压钠灯路灯相比,LED路灯更加节能、环保,能够为整个环境带来良好的成本优势。然而,不可忽视的问题是,遇到雾霾天气时,LED路灯的照明效果则有所下降,因为其光源颜色多为蓝色或白色,其光线穿透力则稍低,在某种程度上,高压钠灯更有优势。因此,LED路灯的功能与性质仍然需要改进和提升。

  LED路灯在道路照明应用中具有明显的节能优势,在整体功能上要达到下列要求:①要满足安全的基本要求,达到结构安全(牢固,防台风)、电安全(防雷等)和热安全;②满足驾驶员的视觉作业要求,路面效果均匀,无眩光,舒适;满足行人的生理和心理的舒适感和安全感,无阴影,舒适的色温,高显色性;③满足户外照明市政工程的基本要求,长寿命、高可靠性、耐候性、易维护、智能化和网络化。

  4 结束语

  LED作为一种绿色光源具有远大的市场前景。良好的配光设计,可以使光利用率达到最佳;提高灯具的可靠性,可以使使用成本整体下降。加强应用中的管理,规范LED产业的成长,提升LED的整体功能,使LED在道路照明中的发展更加快速。

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