淺談LED-路燈燈具在城市道路照明中

淺談LED路燈燈具在城市道路照明中的應用劉涌斌

三明市市政工程管理處(365000)摘要：建設部和發(fā)改委明確提出城市照明要向“高效、節(jié)能、環(huán)保、健康”的綠色照明方向發(fā)展，大功率LED路燈作為新興光源，成為新一代光源的發(fā)展趨勢已勢不可擋。但是在生產(chǎn)應用中還存在著諸多問題，制約著大功率LED路燈的發(fā)展。我市從2007年8月開始在205國道開始實驗大功率LED路燈以來，已安裝148盞大功率LED路燈。經(jīng)過2年多時間的實驗及分析，使我對大功率LED路燈有了一個新的認識，本文主要介紹我市實際應用實例。關鍵詞：道路照明LED燈具實驗案例經(jīng)驗總結LED是英文“LIGHTEMITTINGDIODE”的縮寫，也就是平時所說的發(fā)光二極管。理論上的使用壽命在10萬小時左右。但在生產(chǎn)過程中，大部分設計人員對驅動電源及散熱要求認識不足，導致選用不當或一味追求低成本，使LED芯片壽命極大縮短，壽命不足2000小時，甚至更低，導致LED的優(yōu)勢得不到很好的發(fā)揮，造成許多人對LED產(chǎn)品產(chǎn)生誤解，影響LED的產(chǎn)品的聲譽。

大功率LED路燈是指功率在30W以上的LED路燈。當前大功率LED路燈面臨的主要技術問題是：輸出功率和光通量、二次光學設計、散熱設計及電源系統(tǒng)設計。其中輸出功率和光通量的提高需要在大功率白光LED的外延技術、芯片工藝等基礎上進一步提升。而二次光學設計方面，LED的輻射形式有朗伯型、側射型、蝙蝠翼型和聚光型等幾種。而大功率LED路燈的產(chǎn)品質量主要需考慮光學性能、電性能、熱性能、輻射安全和壽命等幾方面的參數(shù)。特別是選擇合適、高效的LED專用電源，及設計合理的散熱系統(tǒng)，才能真正展露出LED光源高效能的特性。當然選擇好高質量的LED芯片是首要的前提條件！根據(jù)當今科技的發(fā)展，美國科銳、德國歐司朗及日本日亞的LED芯片是首選材料，現(xiàn)今絕大部分的生產(chǎn)廠家都是選用這三家的產(chǎn)品。

一、大功率LED路燈實驗案例：

我市在2007年7月開始在205國道（荊西至莘口）路段進行LED路燈實驗，使用的是我市一家光電企業(yè)的產(chǎn)品。該產(chǎn)品使用的電源驅動是恒流源驅動，型號為DGP70WS-320220VAC-80～200VDC，輸出電流為300MA。此次工程設計安裝LED路燈72盞，路寬11米，路燈桿高9米，間距40米，路面為混凝土路面。工程安裝完畢后進行了照度測試。為防止居民住宅照明和往來車輛的干擾，我們選擇在晚上23點過后進行測試，測試結果如下：經(jīng)計算路面平均照度約為E平均=7.5LX；路面照度均勻度約為U=0.28。由于在同一路段同時有安裝250W高壓鈉燈，故同時測量一套250W高壓鈉燈做為參照，結果如下：經(jīng)計算路面平均照度約為E平均=18.05LX；路面照度均勻度約為U=0.38。可以看出，該品牌的大功率LED路燈無論從平均照度還是從均勻度都達不到CJJ45-2006《城市道路照明設計標準》要求（快速路、主干路路面照度標準值20～30lx，均勻度標準值0.4，次干道路面照度標準值10～15lx，均勻度標準值0.35）。我們與生產(chǎn)廠家針對測試數(shù)據(jù)進行了探討，認為應該在LED芯片、散熱材料及驅動電源上下功夫，提高品質。

為了了解該品牌燈具的光衰，2008年5月20日晚23點,我們又在07年的同一路段的同一測試點進行了測試，測試結果如下：經(jīng)計算路面平均照度約為E平均=6.2LX；路面照度均勻度約為U=0.27。經(jīng)觀察，整體的LED路燈僅1套出現(xiàn)熄燈，占總數(shù)的1.4%，有6套燈具的光源室出現(xiàn)LED模組局部熄燈，占總數(shù)的8.3%，1套燈具在燈具安裝部位與電源室連接處出現(xiàn)斷裂，占總數(shù)的1.4%。該產(chǎn)品采用的是4塊恒流源驅動，光源室內(nèi)有7排的LED模組，每排有1W的LED芯片16～32粒。經(jīng)雙方共同探討后總結出以下結論：

1、針對每個測試點較低的照度，應提高LED芯片的光通量；

2、針對路面照度均勻度小于0.4的情況，應增加路燈安裝的密度，并重新研究光源室的配光；

3、針對燈具連接處的斷裂問題，提出應增加4道加強筋，以加強燈具的機械強度。

4、由于該產(chǎn)品是采用鋁合金壓鑄，斷裂面出現(xiàn)的眾多細微氣泡，說明壓鑄時的壓力不足，應增加壓力；

5、由于鋁合金壓鑄燈體的外觀不如拉伸燈體的外觀美觀，故該產(chǎn)品在燈體上噴漆，影響了燈具的散熱，造成光衰過快。

到了2008年9月，我市又在列東街（5路～徐碧鐵橋）進行了第二次大功率LED路燈安裝，還是采用該公司的產(chǎn)品。這次共安裝76套156W大功率LED路燈。該路面為瀝青混凝土路面，道路寬17米，路燈間距30米，桿高12米，我們同樣在晚上23點過后進行測試，結果如下：經(jīng)計算路面平均照度約為E平均=17.34LX；路面照度均勻度約為U=0.56。從這次的測試數(shù)據(jù)可以看出，平均照度已接近標準值（20～30LX）,照度均勻度已達到標準值（0.4）。燈具的品質已有較大的提高！

二、經(jīng)驗總結：

可見提高大功率LED燈具的品質應從選用高質量的LED芯片，良好的散熱系統(tǒng)及穩(wěn)定的驅動電源做起。首先，我們先從LED電源說起。LED電源按驅動方式可以分為兩大類：1、恒流式驅動電路。使用該種電路很理想，缺點就是價格較高。2、穩(wěn)壓式電路。此電路不怕負載開路，卻嚴禁負載短路。采用何種方式驅動是提高LED燈具品質的關鍵因素之一。若要提高大功率LED燈具的品質應放棄恒壓驅動電源，采用恒流源驅動，此時不需要在輸出電路串聯(lián)限流電阻，并且外界電源電壓和環(huán)境溫度的變化，以及LED參數(shù)離散性不會影響LED芯片流過的電流，從而能保持電流恒定，充分發(fā)揮LED的各種優(yōu)良特性。它會自動檢測和控制流過的電流，通電瞬間的過高的電流及負載短路燒壞電源的情況都不可能發(fā)生，也會避免LED正向電壓的改變而引起電流變動，從而使LED的亮度穩(wěn)定，便于保證產(chǎn)品的一致性。我市實驗的大功率LED路燈就是采用4塊恒流源驅動，極少出現(xiàn)整套路燈熄燈的現(xiàn)象。

其次再說說LED燈具的散熱系統(tǒng)。理論上有：1、熱管、微毛細管系統(tǒng)；2、風冷（加風扇）；3、自然散熱方式。但目前常用的方式有2種：1、在芯片下部加銅或鋁質熱沉，采用半包封結構，加速散熱；2、增加二次散熱裝置，以降低器件的熱阻。對于大功率LED芯片，散熱良好、低熱阻及低應力的封裝結構是技術關鍵。因此必須采用低電阻率、高導熱性能的材料粘結芯片。高導熱系數(shù)的軟性硅膠導熱絕緣墊正好非常符合上述條件，因此被廣泛地應用在大功率LED燈具中。它利用本身所具備良好的導熱特性，最大程度滿足器件的工藝傳熱要求，提升器件使用功率及延長使用壽命。主要填充發(fā)熱功率器件與散熱器之間的間隙，是替代導熱硅脂導熱膏加云母片的二元散熱系統(tǒng)的理想產(chǎn)品，已通過SGS、ROHS標準及UL安規(guī)檢測。我市實驗的產(chǎn)品采用的是LED的散熱墊與鋁基板的敷銅層回流焊焊接，未使用高導熱系數(shù)的軟性硅膠導熱絕緣墊，造成管芯的結溫上升迅速，LED芯片光衰過快。

由于大功率LED芯片會在工作過程中產(chǎn)生大量的熱量,使管芯結溫迅速升高。LED功率越高,發(fā)熱效應越大，將導致發(fā)光器件性能的變化與電光轉換效率衰減,嚴重時甚至失效。實驗測試表明：LED自身溫度每上升5攝氏度，光通量就下降3％！由此可見散熱系統(tǒng)的重要性，它是提高LED燈具品質的另一個關鍵因素。所以應當在可能的情況下加大LED光源自身的散熱面積,竭盡所能地降低LED自身的工作溫度。針對路燈具有戶外夜間使用的特點，散熱面位于側上面有利于空氣自然對流散熱。我市實驗的產(chǎn)品就是在燈體的上部和側面采用散熱鰭片，但是未注意燈具的強度問題，造成安裝時及使用時燈具發(fā)生裂紋甚至折斷的現(xiàn)象。如果條件允許，最好能將電源部分與光源部分隔開，現(xiàn)在許多隧道燈就已采用該種方式。

最后，根據(jù)道路照明規(guī)范，依據(jù)經(jīng)驗及測試，LED燈具的二次光學設計采用朗伯型和蝙蝠翼型比較適用。會使得LED燈具的光照范圍、光度曲線更加符合道路照明的需求。因此，只有這樣生產(chǎn)出來的LED燈具才會是高品質的專業(yè)LED燈具。

雖然大功率LED燈具作為道路照明存在著明顯的優(yōu)點：節(jié)能、安全、環(huán)保、壽命長、體積小、響應時間短；安裝維護簡便；模塊安裝、無多余配線；技術進步空間大。LED燈具除了在單燈成本及最初安裝的造價比原有照明燈具高外，在鋪設成本、耗電成本及壽命方面均高于原有照明燈具。但它還有很大的劣勢，體現(xiàn)在：1、當前價格還太高，高質量的LED燈具每瓦的平均成本為25元左右