一種小功率LED隧道燈設(shè)計(jì)方案

俸玉成

【關(guān)鍵詞】成本低;易維護(hù);氣密性;防塵

【中圖分類號(hào)】U453.7 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2021）08-0025-03

1 技術(shù)領(lǐng)域

本設(shè)計(jì)方案屬于隧道照明技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種小功率LED隧道燈概念。

2 技術(shù)背景

隨著近幾年來(lái)國(guó)家對(duì)“新基建”的鼓勵(lì)力度加大，全國(guó)各地陸續(xù)拉開了“新基建”大幕。城際高速鐵路和城市軌道交通作為“新基建”的七大領(lǐng)域之一，自然在全國(guó)各地如火如荼地進(jìn)行。作為“基建狂魔”的中國(guó)，自然是遇山開山、遇水架橋。廣西總體為山地丘陵地貌，高鐵想要穿越廣西，必將是隧道縱橫[1]。

隨著隧道的不斷增加，隧道內(nèi)的照明燈具需求量也不斷增加。隧道內(nèi)的環(huán)境特殊，所以對(duì)隧道內(nèi)的照明燈具也有特殊的要求。首先，隧道內(nèi)陰暗潮濕，燈具不僅要能滿足道路照明的照度要求，還要有優(yōu)異的防水防潮性能。其次，隧道內(nèi)有各種汽車排放的尾氣及油氣，加上路面粉塵飛揚(yáng)，極易堆積在燈具上，影響燈具光效及散熱性能，這就需要隧道燈具散熱性能要好，而且要有良好的耐腐蝕及防塵能力。最后，隧道燈具需24 h亮燈，并且隧道燈具又不能和其他戶外燈具一樣可以不定期地得到雨水的沖洗，這就需要隧道燈具的使用壽命要長(zhǎng)且日常清洗、維護(hù)方便[2]。

我國(guó)中長(zhǎng)期規(guī)劃的十大節(jié)能課題中，綠色照明就是其中之一。LED光源為全固體光源，具有體積小、耗電量少、使用壽命長(zhǎng)、無(wú)污染、可回收等優(yōu)勢(shì)，必將取代傳統(tǒng)光源。LED隧道燈必將取代傳統(tǒng)的高壓鈉燈，達(dá)到節(jié)能、減排、環(huán)保的目的[3]。

隧道內(nèi)部與外部光環(huán)境相差很大，在隧道兩端出入口很容易產(chǎn)生黑洞或白洞等效應(yīng)，所以出入口及過(guò)渡段照明燈具會(huì)選擇功率較大的，而中間段則會(huì)選擇小功率燈具。隧道越長(zhǎng)，所需的小功率燈具就越多。所以，如何做好一款小功率LED隧道燈一直是個(gè)值得長(zhǎng)期研究的課題。

3 設(shè)計(jì)方案內(nèi)容

3.1 設(shè)計(jì)思路

小功率LED隧道燈的設(shè)計(jì)思路與一般的LED燈基本原理相同（如圖1所示）。220 V交流電通入隧道燈后，隧道燈攜帶的電源將其轉(zhuǎn)化為燈具所需的直流電，直流電通過(guò)燈板上的發(fā)光二極管，將電能轉(zhuǎn)化為光能，轉(zhuǎn)化出的光再通過(guò)光學(xué)透鏡進(jìn)行二次配光，讓其變?yōu)槟軌驖M足隧道照明需求的光。

設(shè)計(jì)思路明確后，我們就可根據(jù)LED隧道燈的各個(gè)組成部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。首先是光學(xué)部分，可根據(jù)《隧道通風(fēng)與照明標(biāo)準(zhǔn)》及隧道的實(shí)際情況，如車道、車速、車流量等因素，再利用光學(xué)軟件模擬出所需燈具的功率大小及透鏡發(fā)光角度[4]。其次是電子部分，根據(jù)光學(xué)模擬出來(lái)的功率大小及透鏡規(guī)格，選擇合適的驅(qū)動(dòng)電源，根據(jù)發(fā)光二極管的數(shù)量及分布設(shè)計(jì)PCB板。再次是結(jié)構(gòu)部分的設(shè)計(jì)，包括散熱器、“U”形支架、燈具安裝及包裝。最后是進(jìn)行氣密性測(cè)試，保證所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品達(dá)100%合格率。

3.2 小功率隧道燈

3.2.1 燈珠及透鏡的選擇

假設(shè)通過(guò)光學(xué)模擬出來(lái)的結(jié)果是需要功率為30 W的隧道燈，那么我們就可選用“飛利浦”流明3030中功率燈珠，單顆功率為0.85 W，光效可達(dá)120～140 lm/W，色溫選擇在3 000～40 00 K范圍，顯色指數(shù)≥80.30 W，隧道燈共需要35顆燈珠。透鏡采用130×72°偏光類組合透鏡，能滿足隧道路面的配光要求，材質(zhì)選用具有高透明度的PMMA，非常適合隧道照明使用。但通常這類透鏡表面都是呈花生米狀凸起的，特別容易積灰塵，并且不易清理維護(hù)，影響整燈的光通量。所以，此次設(shè)計(jì)增加了一個(gè)平面透光罩，用來(lái)解決燈具防水防塵問(wèn)題，在平面的透光罩上，粉塵不易堆積，從而讓燈具達(dá)到易清理維護(hù)的目的（如圖2所示）。

3.2.2 PCB板設(shè)計(jì)及電源選擇

根據(jù)前面燈珠透鏡的選擇，首先可以確定好PCB板尺寸及發(fā)光二極管的發(fā)布位置。35顆燈珠可設(shè)計(jì)成5串7并的方式，一顆3030燈珠工作電壓為6 V，這樣一來(lái)，這盞30 W隧道燈的工作電壓就是5×6=30 V。根據(jù)燈具功率及工作電壓和電流選擇一款合適的電源，筆者選擇的是30 W防護(hù)等級(jí)為IP67的戶外恒流電源。正常情況下，電源功率不應(yīng)低于燈具功率，否則影響電源使用壽命。其他功能可根據(jù)自己的需求選擇，如調(diào)光功能、關(guān)斷功能、相關(guān)認(rèn)證情況及電源品牌等。

3.2.3 散熱器設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)前期，我們通常是按表面積計(jì)算散熱器的散熱能力。1 W所需的6063鋁型材散熱面積在4 000～6 000 mm2，所以30 W隧道燈散熱器的表面積應(yīng)≥120 000 mm2。為了降低散熱器成本，要思考如何用最少的材料滿足表面積≥120 000 mm2的要求。為了降低整燈的結(jié)構(gòu)成本，在設(shè)計(jì)散熱器時(shí)，還需考慮電源及“U”形支架的安裝問(wèn)題。同時(shí)，需考慮燈具的美觀及方便檢測(cè)等問(wèn)題。待整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)完成后，再用熱仿真軟件進(jìn)行散熱器的散熱模擬，根據(jù)模擬出來(lái)的溫度及熱量分布情況，對(duì)散熱片高度及間距進(jìn)行調(diào)整，讓散熱器的性能達(dá)到最優(yōu)。綜合各個(gè)因素，設(shè)計(jì)出的散熱器如圖3所示[5]。

散熱鰭片減薄且表面設(shè)計(jì)成波浪紋，降低材料成本的同時(shí)還能增大表面積。散熱鰭片不能過(guò)高，過(guò)高則熱量傳不上去，對(duì)散熱不利，散熱鰭片間距也不能過(guò)密，太密會(huì)影響空氣對(duì)流，散熱效果不好。散熱器兩側(cè)設(shè)計(jì)有“U”形支架安裝壁，用來(lái)安裝支架。散熱器背面設(shè)計(jì)有高于散熱鰭片的“T”形平臺(tái)，用于安裝驅(qū)動(dòng)電源，省掉了額外的電源支架，也讓電源與散熱器間有一定的間隔，以免熱量相互影響。散熱器正面設(shè)計(jì)有兩個(gè)凸臺(tái)，用于緊固PCB板及透鏡。散熱器尺寸比例為81.5∶132≈0.618黃金比例。散熱器設(shè)計(jì)有管狀圓孔，用于藏線及進(jìn)行氣密性檢測(cè)。散熱器表面進(jìn)行陽(yáng)極氧化處理，增強(qiáng)其散熱能力及抗腐蝕能力。

3.2.4 “? ?U? ”形支架設(shè)計(jì)

“U”形支架作為連接隧道燈與隧道壁之間的橋梁，它要滿足的條件就是承重能力強(qiáng)、抗腐蝕性好、可調(diào)節(jié)燈具角度及便于安裝。

（1）承重能力。我們通常會(huì)根據(jù)“U”形支架材質(zhì)及厚度的選擇、燈具的重量、承壓面積和安全系數(shù)等一系列因素，通過(guò)燈具靜載荷計(jì)算公式計(jì)算出其是否滿足要求。

（2）抗腐蝕性。為保證其抗腐蝕能力，常用的做法就是先將“U”形支架表面進(jìn)行熱浸鋅，再噴一層指定顏色的戶外塑粉，完成后進(jìn)行鹽霧測(cè)試合格。

（3）可調(diào)節(jié)燈具角度。燈具使用環(huán)境不一樣，有時(shí)是單側(cè)布燈，有時(shí)是雙側(cè)布燈，所以要求燈具必須可調(diào)角度。燈體比較重的燈具，我們一般采用螺孔限位的方式防止燈具因車輛經(jīng)過(guò)振動(dòng)而發(fā)生角度改變。此次設(shè)計(jì)的小功率隧道燈，重量?jī)H為1 kg，所以可采用無(wú)極調(diào)節(jié)方式，或通過(guò)直接在“U”形支架與散熱器之間增加外齒墊圈加大摩擦即可。

（4）便于安裝?！癠”形支架安裝面上開有矩形孔，與工程預(yù)埋件進(jìn)行配合，達(dá)到方便安裝的目的。

3.3 小功率隧道燈的安裝

根據(jù)隧道燈安裝施工順序及為了讓隧道燈安裝更方便，通常我們會(huì)設(shè)計(jì)一塊工程預(yù)埋件，施工前預(yù)先用膨脹螺栓將它固定在隧道壁上，然后將隧道燈掛在工程預(yù)埋件上，用手?jǐn)Q緊碟形螺栓即可（如圖4所示）。這種安裝方式不需要使用任何工具，安裝效率高。

3.4 小功率隧道燈的包裝運(yùn)輸

考慮降低包裝運(yùn)輸成本、搬運(yùn)方便等因素，此次設(shè)計(jì)的小功率隧道燈采用一箱裝10盞的方式，內(nèi)部采用珍珠棉作為緩沖材料，外部采用5層瓦楞紙箱包裝（如圖5所示）。為了驗(yàn)證包裝的可靠性，我們通常會(huì)進(jìn)行運(yùn)輸振動(dòng)測(cè)試和跌落測(cè)試。

3.5 小功率隧道燈氣密性測(cè)試

漏水一直是戶外燈具常見(jiàn)的問(wèn)題，為了保證產(chǎn)品出廠合格率達(dá)100%，此次設(shè)計(jì)的小功率隧道燈具有氣密性檢測(cè)功能，具體實(shí)施步驟如下：首先，將燈具上的防水透氣閥取下，換上純銅氣嘴。其次，用帶有調(diào)壓閥的氣動(dòng)吹塵槍往氣嘴里充氣（注意調(diào)壓閥壓力調(diào)至0.15 MPa左右），氣體聚集在燈具密閉腔里，形成一定氣壓。最后，將充好氣的隧道燈完全泡入水中，無(wú)氣泡冒出為合格。有氣泡則不合格，根據(jù)氣泡冒出的位置，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題所在，常見(jiàn)的不良問(wèn)題有螺釘未緊固、漏裝防水膠圈、散熱器平面度超差、燈板螺絲孔鉆穿等，產(chǎn)品在入庫(kù)前及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決問(wèn)題，保證產(chǎn)品達(dá)100%的合格率，能有效地降低售后維護(hù)成本（如圖6所示）。

4 總結(jié)

此次設(shè)計(jì)的產(chǎn)品為一款小功率隧道燈，采用6063鋁型材作為散熱主體，散熱性能好，開發(fā)成本低。整體燈具體積小，重量輕，包裝、存儲(chǔ)、運(yùn)輸方便，安裝維護(hù)便捷高效，利用極簡(jiǎn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足了隧道里特殊環(huán)境下的較高要求。并且，通過(guò)獨(dú)特的氣密性檢測(cè)方法，保證產(chǎn)品合格率達(dá)100%，有效地降低售后成本。此設(shè)計(jì)方案為L(zhǎng)ED隧道燈新產(chǎn)品及其他LED燈具在防水防塵及安裝運(yùn)輸?shù)确矫嫣峁┝怂悸贰?/p>

參 考 文 獻(xiàn)

[1]石夢(mèng).新基建對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的作用探討[J].中國(guó)集體經(jīng)濟(jì)，2021（3）：19-20.

[2]張震.淺談高速公路隧道照明[J].信息周刊，2020（10）：

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[3]肖少寧，王毅，陳磊，等.淺析LED燈具在隧道照明系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].公路交通科技，2018（3）：243-245.

[4]劉德強(qiáng)，鄭威，黃耀偉，等.淺析隧道照明時(shí)設(shè)計(jì)及LED隧道燈配光設(shè)計(jì)[J].照明工程學(xué)報(bào)，2009（S1）：53-58.

[5]馮巧波，朱瑞，唐國(guó)安，等.熱沉對(duì)LED燈具散熱性能的影響[J].照明工程學(xué)報(bào)，2014（3）：80-83，97.