中性白光LED改進(jìn)街道照明

標(biāo)簽：LED 照明 光源

本文將介紹在街道照明應(yīng)用中使用中性白光LED取代冷白光LED的好處，包括街道上液體的能見度、皮膚和花朵的色調(diào)表現(xiàn)等。另外，本文也將探討溫度和光學(xué)設(shè)計(jì)的解決方法，例如強(qiáng)迫通風(fēng)方法、炫光和亮度大小等。由于LED技術(shù)具有體積小和多樣化等優(yōu)勢，因此可以輕松地實(shí)現(xiàn)嶄新的路燈設(shè)計(jì)。

基于預(yù)算緊張的考量，采用LED的照明可以通過更少的維護(hù)周期和省電的創(chuàng)新調(diào)光技術(shù)節(jié)省電費(fèi)。

近幾年來經(jīng)過技術(shù)的演進(jìn)，LED在光度輸出、發(fā)光效率和使用壽命上已經(jīng)有了明顯的改善，因此對于各種過去使用其他光源的廣大應(yīng)用越來越具吸引力，特別是路燈就是目前可以使用LED技術(shù)加以解決的應(yīng)用。

基于LED的路燈首先于幾年前在街道上出現(xiàn)，盡管它們主要被用于展示設(shè)計(jì)概念或是校園測試燈。黃色熒光粉在當(dāng)時(shí)是唯一可用且穩(wěn)定的、用以搭配藍(lán)光芯片產(chǎn)生白光輸出的熒光粉之一。大部分這些路燈都采用冷白光LED設(shè)計(jì)，色溫約在6000K甚至更高。不幸的是，大部分人并不喜歡這些路燈發(fā)出的冷白光線，部分甚至抱怨冷白光會帶來寒冷的感覺。另外，還有人覺得色彩在冷白光源的照射下顯得蒼白。

LED和熒光粉制造商聽到了對于第一代原型設(shè)置的反饋，并且開始面向街道照明應(yīng)用開發(fā)出使用較為自然、4000K色溫的新型中性白光高亮度輸出LED。舉例來說，安華高科技(Avago)的ASMT-JN32-NVV01就能以350mA電流提供100lm或700mA電流提供160lm的最低典型4000K相關(guān)色溫(CCT)光度輸出。

LM-80 LED壽命測試建議標(biāo)準(zhǔn)要求LED光源必須要有最少35,000小時(shí)的壽命，較新的大功率LED在高結(jié)溫下最少可以達(dá)到60,000小時(shí)(L70, B10)。以每天平均12個小時(shí)(一年大約4400小時(shí))的使用時(shí)間來看，使用最新LED技術(shù)的路燈可以輕易達(dá)到10年壽命而不需要更換光源。

由產(chǎn)品封裝的角度來看，現(xiàn)代LED封裝擁有6~9℃/W(K/W)的低熱阻。這有助于盡可能把熱量從結(jié)點(diǎn)傳遞到散熱片。另外，不同結(jié)溫下的光度輸出也非常穩(wěn)定，25oC到110oC結(jié)溫范圍內(nèi)的變化不到20%(見圖1)。

圖1：中性白光LED光度輸出和結(jié)溫的關(guān)系圖

另一個采用中性白光大功率LED的好處是它使用了先進(jìn)的熒光粉技術(shù)，可以帶來較好的光譜分布。與冷白光LED比較，中性白光LED發(fā)出的光線具有較多的黃色與紅色波長(見圖2)。這樣的光譜分布有助于分辨柏油路表面不同的液體。冷白光LED基本上會使街道上的油、水或櫻桃汁非常難以分辨——如果您在開車，可以辨別地面上的油漬會很有幫助!另一方面，中性白光源可以使棕色的油漬或紅色的櫻桃汁非常容易分辨。

圖2：中性白光和冷白光的光譜分布比較

另外，在中性白光LED光源下的皮膚色調(diào)比較自然。街道旁住家的彩色花圃和綠色草皮看起來也會更加討人喜歡和覺得溫暖。社區(qū)保安和個人安全也會因?yàn)楦髁恋穆窡舳靡蕴岣?。全球統(tǒng)計(jì)數(shù)字指出，在較好的街道照明下，竊盜和汽車偷竊案件會大幅度減少。

LED的使用非常簡單并且應(yīng)用廣泛，可以帶來許多嶄新和迷人的路燈設(shè)計(jì)，例如超薄設(shè)計(jì)和長條形或方形燈殼等。設(shè)計(jì)人員和工程師必須考慮所有設(shè)計(jì)面向(包括溫度、光學(xué)和電氣等)，以完成成功的商業(yè)路燈項(xiàng)目工程。

溫度設(shè)計(jì)

LED的光度輸出不管是在工作20分鐘或者5年后，都主要由照明模塊的溫度特性支配。一個經(jīng)驗(yàn)法則是，LED耗散掉1W的熱量大約需要1in2的金屬芯印刷電路板。因此，3W的光源就需要大約3in2或1935mm2的MC-PCB，以承受高達(dá)85oC的環(huán)境工作溫度。

如果在設(shè)計(jì)上無法為每個LED提供大面積的MC-PCB，那么也可以使用額外的散熱片來幫助散熱?；旧现饕袃煞N類型的被動式散熱片：一種是使用如鋁這類的擠壓成型金屬，另一種則是使用優(yōu)質(zhì)的金屬鰭片。通常使用金屬鰭片的散熱片熱阻最低但價(jià)格最高。如果設(shè)計(jì)對于成本較為敏感，并且空間比較不受限制，擠壓成型金屬散熱片是一個合適的選擇。

另一個LED散熱的方法是采用主動式的冷卻系統(tǒng)。傳統(tǒng)的主動式冷卻系統(tǒng)使用水或油等液體或采用強(qiáng)迫通風(fēng)的方法來散熱。強(qiáng)制風(fēng)冷通常采用風(fēng)扇，它可能是最適合LED冷卻的解決方案。

新的做法包括使用薄膜式冷卻器，據(jù)稱它可以達(dá)到與LED相近的使用壽命(達(dá)60,000小時(shí)以上)。

不論是采用主動式或被動式冷卻方式，都必須使用導(dǎo)熱界面材料(TIM)將電路板連接到散熱片上，甚至如MC-PCB或多層FR-4 PCB看起來貌似是直接貼在散熱片上。然而，表面極微小的不平整都將產(chǎn)生微小的氣隙，而使熱阻增加。因此必須使用散熱膠、油脂或?qū)崮z帶來支持散熱。

光學(xué)設(shè)計(jì)

歐洲的EN 13201標(biāo)準(zhǔn)為不同區(qū)域的街道照明定義了規(guī)范，包括公路、市區(qū)道路、交叉路口和人行道等?？山邮艿牧炼群途鶆蚨热Q于LED的使用情況。對于交通流量較大的街道和交叉路口，必須要有足夠的亮度和均勻度。就安全性而言，也必須避免對駕駛?cè)藛T產(chǎn)生炫光。

所有這些因素都可以簡單地通過第二級光學(xué)產(chǎn)品來進(jìn)行調(diào)整。第二級光學(xué)產(chǎn)品的制造商對于絕大部分常用的LED封裝都提供有現(xiàn)成的解決方案或具有定制能力。

某些街道區(qū)域(例如，人行橫道、環(huán)形交叉路口或危險(xiǎn)的交叉路口)在法律上都有特別的照明要求。過去，這些通常使用黃色的高壓鈉燈來提供;目前，這些燈具也可以使用單色黃光LED或是暖白光和黃光大功率LED的組合(例如安華高科技的ASMT-JA30-ARS01或ASMT-JY32-NTV01)來取代。

電氣設(shè)計(jì)

LED為使用電流操作的器件，驅(qū)動電路必須能夠以固定輸出電流來調(diào)整輸出電壓。例如，加到Avago ASMT-JN32-NVV01上的電流可以是300mA或700mA的直流電流或高達(dá)2400mA的脈沖電流，主要依使用的頻率和占空比決定(圖3)。

圖3：環(huán)境溫度下的最大脈沖電流。(a)：環(huán)境溫度為25oC時(shí)的最大脈沖電流。(b)：環(huán)境溫度為85oC時(shí)的最大脈沖電流

為了可以隨時(shí)間調(diào)整LED的亮度輸出或帶來智能街道照明功能，LED驅(qū)動電路必須能夠依輸入信號來調(diào)整電流。智能街道照明可以進(jìn)一步地節(jié)省電費(fèi)。例如，街道或人行道只在有人使用時(shí)才提供法律要求的照明量，其他時(shí)間則可以調(diào)暗。這樣做還可以降低夜晚的光害并帶給居民可以觀賞星空的更大空間。

雖然LED路燈的安裝成本目前還高于傳統(tǒng)路燈，但從另一個角度來看，節(jié)省電力成本是一個必須被計(jì)入的重要因素。發(fā)光品質(zhì)也是考慮的因素之一。雖然熒光燈或高強(qiáng)度放電(HID)燈具有良好的發(fā)光效率，但是發(fā)光品質(zhì)和中性白光LED相比還是有極大的差異。

相較于傳統(tǒng)街道照明，采用LED的街道照明可以節(jié)省的能源大約在每年25%到50%(依采用的技術(shù)和原先安裝的年限而定)。如果以每年節(jié)省15%能源的最壞情況來看，LED路燈的安裝費(fèi)用可以在7年內(nèi)攤銷。如果社區(qū)采用了能夠依據(jù)實(shí)際使用狀況自動調(diào)整的智能街道照明，則還可進(jìn)一步節(jié)省電費(fèi)，將電力消耗控制在最低。相較于熒光燈或HID燈，LED不需要任何預(yù)熱時(shí)間，因此可以立即提供全亮度照明輸出。

另外，由于LED的老化速度非常緩慢，并且可以很容易達(dá)到60,000小時(shí)工作壽命而又維持平均高于原始光度70%的輸出，因此可以把LED路燈視為無需花費(fèi)維護(hù)費(fèi)用。這將有助于降低社區(qū)的維護(hù)預(yù)算。

還有一點(diǎn)非常重要：歐盟已經(jīng)啟動了新的能源浪費(fèi)或有害燈管的逐步淘汰計(jì)劃。這也將影響到水銀蒸氣燈，雖然這類燈管由于可以產(chǎn)生如白晝般的光輸出，而自推出以來就普遍流行于住宅區(qū)的道路照明上。水銀燈計(jì)劃將在2015年完成淘汰。

本文小結(jié)

更換新型高能效光源將很快在歐洲和其他地區(qū)成為許多社區(qū)和當(dāng)局的熱門話題。目前，中性白光大功率LED已經(jīng)準(zhǔn)備就緒，可以很容易地應(yīng)用到住宅區(qū)街道照明當(dāng)中。