白光LED路燈的應(yīng)用及分析

陳彪彪 呂桂紅

（廣東廣晟光電科技有限公司，廣東廣州 510006）

白光LED路燈的應(yīng)用及分析

陳彪彪 呂桂紅

（廣東廣晟光電科技有限公司，廣東廣州 510006）

人類的照明技術(shù)一直在進(jìn)步，作為照明物質(zhì)基礎(chǔ)的電光源經(jīng)歷了熱輻射光源、氣體放電光源等發(fā)展歷程，已經(jīng)開始步入固態(tài)光源時(shí)代。LED作為固態(tài)照明的主要光源，是照明領(lǐng)域近年來發(fā)展的最大亮點(diǎn)，受到各國政府與產(chǎn)業(yè)界的高度重視。一方面技術(shù)的進(jìn)步使LED光效等性能指標(biāo)快速提高，另一方面性能的快速提高也成就了價(jià)格的下降并進(jìn)入各種照明市場。針對LED應(yīng)用于照明領(lǐng)域，本文首先簡要介紹了白光LED的基本原理，然后闡述光學(xué)設(shè)計(jì)對燈具效率的影響，分析燈具整體的可靠性影響因素，最后對LED路燈在工程中的應(yīng)用進(jìn)行了分析。

白光LED 光學(xué)設(shè)計(jì) 可靠性 工程

1 白光LED

從本質(zhì)上講，LED是一種單色光源，然而在照明應(yīng)用中，單色光遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足各類需要，白光LED才是固態(tài)照明技術(shù)用于普通照明的最終目標(biāo)。本節(jié)主要介紹工藝成熟的藍(lán)光LED加黃色熒光粉方法，該方法在現(xiàn)今業(yè)界中應(yīng)用廣泛［1］。

藍(lán)光LED加黃色熒光粉產(chǎn)生白光；LED的光學(xué)特性要通過封裝來實(shí)現(xiàn)，LED封裝的主要目的是確保發(fā)光芯片和電路間的電氣和機(jī)械接觸，并保護(hù)發(fā)光芯片不受機(jī)械、熱、潮濕及其他外部影響。如圖1所示為在藍(lán)光芯片加熒光粉做成LED的結(jié)構(gòu)示意圖1。

通過藍(lán)光芯片發(fā)出波長約為465nm的藍(lán)光，打在YAG熒光粉上，激發(fā)出波長約為570nm左右的黃光。通過色度圖中可以知道，這兩種光色合成在一起即呈白光。通過LED發(fā)出的光和熒光粉激發(fā)出的可見光的合成，實(shí)際出光光通量是部分透射藍(lán)光與黃色熒光粉二次發(fā)光之和，這種方式的光譜示意圖如圖2所示。

隨著LED研發(fā)技術(shù)的不斷突破，LED光效提高、可靠性提高且價(jià)格降低，使得大功率的白光LED應(yīng)用于照明也隨之推廣開來，LED開始應(yīng)用于道路照明領(lǐng)域。

2 LED路燈應(yīng)用及分析

大功率LED燈具應(yīng)用于功能性照明，一方面要注重效率，這關(guān)系到路燈的整體可靠性；另一方面，大功率燈具都對配光有要求，因?yàn)檫@關(guān)系到燈具發(fā)出光線的有效利用率。

2.1 光學(xué)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)光源照射方向?yàn)?60°，燈具依靠反射器將大部分光線反射到特定方位，只有40%左右的光是直接透過玻璃罩到達(dá)路面。LED燈的絕大部分光線都是前射光，可以實(shí)現(xiàn)＞95%的光效，這是LED區(qū)別于其他光源的重要特性之一。

LED路燈采用獨(dú)特的二次光學(xué)透鏡模組和“帶狀光斑”出光設(shè)計(jì)。光斑長度由LED出光角度來確定，從而合理地控制光的分布，避免了光的疊加浪費(fèi)，降低了光損耗，實(shí)現(xiàn)了燈桿之間帶狀光斑的彼此連接，使其達(dá)到了國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的各項(xiàng)亮度指標(biāo)。通過LED燈具二次配光設(shè)計(jì)，使燈具出光形狀滿足路面照度、亮度、均勻性等參數(shù)的要求［2］。

圖1 藍(lán)光芯片加熒光粉做成LED的結(jié)構(gòu)

2.2 燈具可靠性

LED的壽命長，目前理論上可以達(dá)到10萬小時(shí)之久，但是由于受到LED驅(qū)動(dòng)電源和其他零固件的壽命影響，從而使得LED路燈燈具系統(tǒng)的壽命達(dá)不到10萬小時(shí)。燈具的可靠性可分為模組的可靠性，電源的可靠性，以及整體結(jié)構(gòu)的可靠性。本節(jié)通過散熱管理和防護(hù)等級討論燈具的可靠性。

（1）散熱管理；散熱主要有三種方式，即熱傳導(dǎo)、對流和輻射。對于LED模組，熱傳導(dǎo)主要發(fā)生在LED芯片與基板、散熱器之間，熱傳導(dǎo)的效率決定于熱流通道的熱阻，必須設(shè)計(jì)一個(gè)熱流通道將LED芯片所發(fā)出的熱能傳遞到散熱器上。熱流通道上的每個(gè)環(huán)節(jié)都存在熱阻，通過減小接觸界面的熱阻，可以大大提高傳熱效率［3］。當(dāng)熱量從芯片傳導(dǎo)出來至散熱器，熱對流主要發(fā)生在散熱器和周圍空氣之間，熱輻射是以輻射波的形式達(dá)到熱交換的目的。通過優(yōu)化散熱器設(shè)計(jì)，達(dá)到最大的與空氣對流換熱效率；對散熱器做表面處理，加強(qiáng)輻射散熱。散熱管理的最終目標(biāo)是降低LED芯片結(jié)溫，最終提高LED燈具的可靠性。（2）防護(hù)等級；LED芯片十分脆弱，細(xì)微的劃傷就可能傷及電極，從而使得器件失效。如果長期暴露在空氣中的芯片會被氧化。芯片通過封裝，可以保護(hù)發(fā)光芯片不受機(jī)械、熱、潮濕及其他外部影響，達(dá)到一次防護(hù)目的。LED路燈模組發(fā)光系統(tǒng)的透鏡采用抗紫外線輻射的PC材料，用螺絲將硅膠圈與散熱器固定的方式，與驅(qū)動(dòng)器連接的部分用防水連接線連接，可以滿足戶外使用的防護(hù)級別。電源通過灌注耐寒、耐高溫、導(dǎo)熱性好、絕緣性好、阻燃性好的防水膠。整個(gè)LED燈具的能量接口系統(tǒng)處于高防護(hù)狀態(tài)，保證

圖2 藍(lán)光加不同YAG熒光白光LED光譜圖

了使用的可靠性。LED路燈燈具系統(tǒng)面臨各種戶外惡劣的工作環(huán)境，通過良好的散熱管理和高防護(hù)級別，燈具整體的可靠性大大提高，壽命使用延長，最大的獲得新技術(shù)給施工及管理人員帶來便利，減小后期維護(hù)。

3 道路照明應(yīng)用中存在的問題

隨著半導(dǎo)體照明技術(shù)的發(fā)展，我國科技部啟動(dòng)“十城萬盞”半導(dǎo)體照明工程，三年計(jì)劃安裝達(dá)百萬盞LED路燈，眾多城市都計(jì)劃將傳統(tǒng)的高壓鈉燈更換為新型的LED路燈，使得LED路燈的應(yīng)用得到了快速的發(fā)展。然而技術(shù)方面仍然需要發(fā)展和更新，更需要加強(qiáng)工程建設(shè)和市場管理，只有這樣才能真正促進(jìn)LED路燈功能與作用的發(fā)揮，引領(lǐng)我國半導(dǎo)體照明行業(yè)健康發(fā)展。

3.1 產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)不一，管理不佳

在多個(gè)政府部門的協(xié)調(diào)之下，我國已制定相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，但這些標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證體系大多是圍繞術(shù)語、定義、測試方法、安全要求等制定的，對于應(yīng)用設(shè)計(jì)方面的標(biāo)準(zhǔn)并不多見，導(dǎo)致多數(shù)企業(yè)在低水平上進(jìn)行重復(fù)性建設(shè)和競爭。不同廠家沒有嚴(yán)格執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，相互之間缺少溝通與合作，生產(chǎn)出來的燈型不能夠通用，質(zhì)量水平也各不相同。LED路燈工程施工后，日后的維修與管理仍然需要依靠生產(chǎn)商，用戶不能實(shí)現(xiàn)獨(dú)立工作。經(jīng)過長時(shí)間的使用與管理，具體的維修任務(wù)則繁重不堪，這種后期維護(hù)不斷累加的成本必然加劇了施工單位的成本負(fù)擔(dān)。通過產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的貫徹與落實(shí)，實(shí)現(xiàn)燈具的互換性，減小后期維護(hù)帶來的問題。

3.2 整體功能有待提升

與傳統(tǒng)的高壓鈉燈路燈相比，遇到霧霾天氣時(shí)，LED路燈的照明效果則有所下降，因?yàn)槠涔庠搭伾酁樗{(lán)色或白色，其光線穿透力則稍低，在某種程度上，高壓鈉燈更有優(yōu)勢。因此，LED路燈的功能與性質(zhì)仍然需要改進(jìn)和提升。

LED路燈在道路照明應(yīng)用中具有明顯的節(jié)能優(yōu)勢，在整體功能上要達(dá)到以下要求：（1）要滿足安全的基本要求，達(dá)到結(jié)構(gòu)安全（防臺風(fēng)）、電安全（防雷等）和熱安全；（2）滿足駕駛員的視覺作業(yè)要求，路面效果均勻，無眩光，舒適；滿足行人的生理和心理的舒適感和安全感，無陰影，舒適的色溫，高顯色性；（3）滿足戶外照明市政工程的基本要求，長壽命、高可靠性、耐候性、易維護(hù)、智能化和網(wǎng)絡(luò)化。

4 結(jié)語

LED作為一種綠色光源具有遠(yuǎn)大的市場前景。良好的光學(xué)設(shè)計(jì)，可以使光利用率達(dá)到最佳；提高燈具的可靠性，可以使使用成本整體下降。加強(qiáng)應(yīng)用中的管理，規(guī)范LED產(chǎn)業(yè)的成長，提升LED的整體功能，使LED在道路照明中的發(fā)展更加快速。

［1］劉木清主編.LED及其應(yīng)用技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013.

［2］羅元，毛健偉.一種利用自由曲面透鏡的LED路燈配光設(shè)計(jì)與研究［J］.光學(xué)儀器，2012（2）.

［3］趙敏，陳志平.大功率LED燈的熱分析與熱設(shè)計(jì)［J］.機(jī)電工程，2012 （2）.