LED路燈發(fā)展的趨勢(shì)——光源化LED模塊

摘 要:本文針對(duì)當(dāng)前大功率LED燈具包括路燈、隧道燈、投光燈等多采用一體化的集成式結(jié)構(gòu)，在故障維護(hù)時(shí)或壽命期結(jié)束后燈具只能整體返廠維修或更換等所帶來(lái)的不便，提出了大功率LED燈具的光源化設(shè)計(jì)思路。通過(guò)該光源化思路，燈具能夠現(xiàn)場(chǎng)快速維護(hù)，且多數(shù)部件能夠循環(huán)利用，有效延長(zhǎng)LED燈具的生命周期。本文對(duì)實(shí)現(xiàn)LED燈具的光源化設(shè)計(jì)中的光學(xué)模組提出了幾種解決方案，并創(chuàng)新地設(shè)計(jì)了內(nèi)曲面光學(xué)調(diào)制的光學(xué)模組，通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，可以看到此種方法是一種行之有效的大功率LED燈具的解決方案。

關(guān)鍵詞:大功率LED燈具 燈具維護(hù) 光源化思想 光學(xué)設(shè)計(jì) 內(nèi)曲面配光

前言

為了響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排的方針，尋求低碳發(fā)展模式，利用新興技術(shù)減少能源消耗意義重大。就照明而言，其用電占了全世界總用電量的20%。在這個(gè)大背景下節(jié)能高效的半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展如火如荼，尤其是LED在道路照明方面的應(yīng)用更是備受關(guān)注。2009年，美國(guó)能源部宣布成立城市固態(tài)照明路燈組織，用來(lái)收集、分析LED路燈等燈具的照明相關(guān)的技術(shù)資訊和實(shí)例[1]。而在國(guó)內(nèi)，科技部啟動(dòng)“十城萬(wàn)盞”半導(dǎo)體照明示范工程更是將路燈等大功率LED燈具推向廣闊市場(chǎng)。

而在路燈、隧道燈等大功率LED燈具應(yīng)用實(shí)踐方面，從社會(huì)反饋的意見(jiàn)來(lái)看，大功率LED燈具應(yīng)用還有一些常見(jiàn)的問(wèn)題，如散熱、光衰及可靠性等。在檢測(cè)與維修方面，由于現(xiàn)有大功率LED燈具多采用一體化集成式設(shè)計(jì)，即燈殼與LED器件粘接為一體并封閉在玻璃內(nèi)，這使得維護(hù)極其的困難[2] 。如果諸多LED器件有部分損壞，現(xiàn)場(chǎng)是無(wú)法更換的，這樣只能將燈具整體替換，或返廠維修，浪費(fèi)資源，而且費(fèi)時(shí)費(fèi)力。實(shí)際上， 按照當(dāng)前思路設(shè)計(jì)的大功率LED燈具，到了壽命期后，就必須整體全部拋棄，重新裝一批。而傳統(tǒng)采用傳統(tǒng)光源如鈉燈、金鹵燈、熒光燈等的燈具，如果光源損壞，幾分鐘就可以解決問(wèn)題，光源壞了，燈具仍然可繼續(xù)使用。另外，不同大功率LED燈具廠家外形尺寸功率均不一致，那就意味著大功率LED燈具的通用性差，如果采購(gòu)了實(shí)力弱的廠家，將來(lái)維護(hù)的零部件也找不到。所以，在諸多LED燈具研討會(huì)現(xiàn)場(chǎng)，許多路燈、隧道燈等管理處的同行們都不約而同的指出，即使LED燈具壽命確實(shí)很長(zhǎng)，那壽命結(jié)束之后怎么辦?本文提出的大功率LED燈具光源化思路是有效的解決辦法。

本文討論的大功率LED燈具包括LED路燈、隧道燈、投光燈等，但為使觀點(diǎn)表達(dá)清晰，部分地方以LED路燈予以舉例說(shuō)明。

圖1大功率LED燈具光源化示意圖

2大功率LED燈具光源化的思想與方案

2.1 光源化思想的設(shè)計(jì)及意義

光源化思想就指大功率LED燈具中若干顆LED光源做成一個(gè)配光、散熱與防水防塵IP等級(jí)等結(jié)構(gòu)一體化的模組，一個(gè)燈具由若干模組組成，而并非原先的所有LED光源都安裝在一個(gè)燈具內(nèi)。如圖1，整個(gè)LED燈具由三個(gè)部件組成，一是燈具基座，二是光源模組，三是驅(qū)動(dòng)器，這與采用傳統(tǒng)光源的燈具是一樣的。燈具基座用來(lái)與燈桿固定及承載光源模組并起簡(jiǎn)單的保護(hù)作用;光源模組是一個(gè)配光、散熱及IP等級(jí)等功能經(jīng)精心設(shè)計(jì)的模組，是燈具的核心部分;驅(qū)動(dòng)器提供能量，可以放置在燈具內(nèi)，也可以與之分離。這樣要有兩個(gè)接口，一是能量接口，即驅(qū)動(dòng)器與光源模組的接口;二是結(jié)構(gòu)接口，即光源模組與燈具基座接口。前者能量接口用防水接頭相連接，后者結(jié)構(gòu)接口其外形可以是方形、也可以是長(zhǎng)條形，或其它形狀，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看應(yīng)該有個(gè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格，就像目前的高壓鈉燈等大小規(guī)格一樣。固定方式可以是螺釘，也可以是卡口或彈簧扣。這樣，大功率LED燈具維護(hù)、檢修就非常方便。如果驅(qū)動(dòng)壞了，換驅(qū)動(dòng);如某個(gè)LED光源模組損壞，就換損壞模組;如果將來(lái)LED光源壽命到期或產(chǎn)品更新?lián)Q代，只要針對(duì)其中的部件進(jìn)行更換即可，無(wú)須燈具整體更換。一方面節(jié)約了成本，另一方面操作方便。整個(gè)維護(hù)過(guò)程與采用傳統(tǒng)光源的燈具一樣的方便。

2.2光源模組的實(shí)現(xiàn)方案

大功率LED燈具光源化設(shè)計(jì)的難點(diǎn)與核心就在于光源模組的設(shè)計(jì)，因?yàn)橐诠庠茨＝M內(nèi)同時(shí)實(shí)現(xiàn)配光與散熱，并且要達(dá)到規(guī)定的IP等級(jí)。實(shí)際上，光源模組就是一個(gè)小燈具。對(duì)于IP等級(jí)的實(shí)現(xiàn)比較容易，有比較成熟的解決方案，一般而言采用密封圈加螺絲就可以了。在散熱方面，相對(duì)原先一體化的思想，在同樣的散熱解決方案下，熱源分散了，散熱更加有利。在配光解決方案上，可以有一些新穎的實(shí)現(xiàn)手段。

2.2.1采用常規(guī)二次光學(xué)透鏡

把透鏡置于LED外進(jìn)行二次光學(xué)設(shè)計(jì)來(lái)配光，外面再加玻璃進(jìn)行密封，如圖2所示。這就是最常規(guī)的二次光學(xué)透鏡設(shè)計(jì)方法。該方法中透鏡及密封玻璃均形成光的衰減，因而影響燈具總體效率。

圖2 二次光學(xué)透鏡解決方案

2.2.2采用光學(xué)透鏡一體化透鏡

由于IP等級(jí)的要求，目前的路燈、隧道燈等基本都外加了一層平板玻璃。而這層玻璃不可避免地要造成約10%的光通量的損失。所以有些路燈、隧道燈廠家就把燈具內(nèi)的透鏡設(shè)計(jì)加工成一個(gè)整體。這樣，燈具整體效率可以提高10%以上，非常的有意義。而當(dāng)前的透鏡多為外表面配光，最廣泛的就是類花生殼形狀，所以不可避免的做成一整塊后表面不平整，凸凸凹凹，如圖3所示。這樣一方面容易積灰塵，道路上風(fēng)沙灰塵較多，而這些粉塵易積聚在凸凹的間隙內(nèi)，降低效率，還會(huì)影響配光;而另一方面，在維護(hù)上也不方便，間隙內(nèi)擦拭也困難。因此，外表面平整光滑會(huì)更加具有優(yōu)勢(shì)。為了能做到光學(xué)透鏡一體化并且外表面光滑平整，筆者設(shè)計(jì)了內(nèi)表面配光的透鏡。

圖3 一體化透鏡解決方案

3內(nèi)表面配光透鏡的設(shè)計(jì)

3.1透鏡內(nèi)表面配光的原理

本節(jié)討論的設(shè)計(jì)以LED路燈為例。

每顆LED出射光線分為兩部分，一部分為內(nèi)表面調(diào)制光線，另一部分為大角度的全反射光線。如圖4所示，全反射光線只占LED總光通的較少比例，只要合理的設(shè)計(jì)透鏡側(cè)面，使得大角度光線發(fā)生全反射即可。由于該透鏡的特點(diǎn)在于外表面是平面，所以主要起光線調(diào)制作用的是內(nèi)表面。透鏡的長(zhǎng)軸方向主要是讓出射光線光束角增大，使得配光曲線成較大角度的蝙蝠翼，照在目標(biāo)面的軸向上，所以透鏡中間薄兩邊厚。而透鏡的短軸方向主要是讓光線光束角減小，調(diào)制光線照在有效的路面上，避免角度太大照到路面外甚至居民家里，成為光污染。

圖4 內(nèi)曲面調(diào)光透鏡

3.2內(nèi)表面配光透鏡的光學(xué)模組

由于外面是平面，上述的透鏡就很容易組合連接成一個(gè)實(shí)體，如一長(zhǎng)條形的光學(xué)模組，如圖5所示。并且外表面的厚度對(duì)配光基本不受影響，這就很方便進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。圖6、7分別為點(diǎn)亮的照片及實(shí)測(cè)配光。

圖5 內(nèi)表面配光透鏡組

圖6 光學(xué)模組點(diǎn)亮的照片

圖7光學(xué)模組實(shí)測(cè)配光曲線

該LED光學(xué)模組由光效約110lm/W的LED組成，點(diǎn)亮后實(shí)測(cè)整體光效為86lm/w。所以這種透鏡一體化非常有意義，減少了玻璃的10%左右反射的損失。而采用內(nèi)表面進(jìn)行配光使得結(jié)構(gòu)緊湊，且外表面為光滑的平面，相對(duì)于外表面配光的透鏡結(jié)構(gòu)有更長(zhǎng)的生命周期。

圖8 實(shí)際應(yīng)用照片

圖8是按照以上設(shè)計(jì)的光源化模塊制作的LED路燈在復(fù)旦大學(xué)校園內(nèi)的實(shí)際照片，燈具功率為實(shí)際輸入91W，遠(yuǎn)處對(duì)比的是250W的高壓鈉燈?？梢?jiàn)效果良好。

參考文獻(xiàn):

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