LED光源的道路燈具的設計要點

引言

LED應用于照明領域，是目前我國乃至世界照明界的熱門話題，通過從業(yè)人員的不斷努力，目前照明用白光LED在通常的照明工作條件下的系統(tǒng)效率（包括驅動電路），已達到40lm/w，再加上照明用LED制造成本的大幅下降，所以照明用白光LED已具備應用到一些照明領域的商用條件。

但是，由于我國從計劃經(jīng)濟時代以來很多年的產業(yè)結構分布所造成的局面，使得目前制造照明LED的產業(yè)群體往往缺乏對照明電器基本知識和要求的了解，而傳統(tǒng)的照明燈具生產群體也往往缺乏對照明用LED特性的深入了解，在設計和應用中沒有充分地利用LED的特點，進行揚長避短的使用，所以造成了在照明LED應用到照明裝置中時，產生很多不合理的錯誤設計。本文就目前照明用LED應用于道路燈具中的一些主要問題，提出如下的見解。

照明用LED在道路燈具中使用的特長

a 普通道路照明燈具的現(xiàn)狀和缺陷

目前道路燈具中普遍采用的光源是高壓鈉燈或金屬齒化物燈，這兩種光源的最大特點是，發(fā)光的電弧管尺寸小，由尺寸很小的電弧管產生很大的光輸出，并且具有很高的光效，前者包括配套電器，可達110 lm/w，后者包括配套電器可達80 lm/w。但這類光源應用在道路燈具中時，只有40%左右的光是直接透過玻璃罩到達路面的，其他的光是通過燈具反射器再投射出燈具的，目前普遍采用此類光源的傳統(tǒng)燈具基本都存在兩個不足，一是燈具直接照射的方向上照度很高，在次干道上可達50 lx以上，這一區(qū)域屬于明顯的過度照明，而兩個燈具的光照交叉處的照度僅為燈下照度的40%～20%。二是此類燈具的反射器的效率一般僅為50%~60%，所以有60%左右的光輸出在燈具內，是在損失了40%~30%后再投射到路面上的。此類燈具的總體效率一般都在70%左右（只有國際著名品牌的此類道路燈具其效率可達到80%），并且上述的過度照明區(qū)域中過多的照度也屬于浪費。綜合分析上述傳統(tǒng)的道路燈具其綜合的有效照明效率（扣除過度照明部分）僅為50%。也因為上述原因，目前我國次干道的照明效果（路面照度和照度的均勻度）基本都達不到CJJ45-2006和CIE31以及CIE115標準的要求。

b 目前采用LED光源的道路燈具的配光現(xiàn)狀

目前LED在道路燈具中使用的最普遍形式主要有兩類，一類是采用傳統(tǒng)的道路燈具外殼，只是在燈具內，在一個幾乎是平板的安裝面（也是反光面）上，裝上了矩陣式的LED，這種設計方式是不可能得到良好的燈具配光的。另一類是把多個LED集成在一個圓形的區(qū)域內（區(qū)域直徑大約為30mm~40mm），使這一小區(qū)域的光輸出密度接近高強度氣體放電燈，再利用燈具反射器進行配光，但這種設計方式的燈具分布光度也不會優(yōu)于傳統(tǒng)的道路燈具，并且由于在一個很小的區(qū)域內集成了高密度的LED，使LED的散熱情況明顯不良，不僅影響到LED的發(fā)光效率，而且也往往影響到LED的使用壽命。

c 照明用LED的特長及應用

目前照明用LED的最大特點是具有定向發(fā)射光的功能，因為目前功率型LED幾乎都裝有反射器，并且這種反射器的效率都明顯高于燈具的反射器效率。另外，LED的光效檢測時已經(jīng)包括了自身反射器的效率。采用LED的道路燈具應盡可能地利用LED的定向發(fā)射光的特性，使道路燈具中的各個LED分別直接把光線射向被照路面的各個區(qū)域，再利用燈具反射器的輔助配光，來實現(xiàn)很合理的道路燈具的綜合配光。應該說，道路燈具要真正做到符合CJJ45-2006和CIE31以及CIE115標準的照度和照度均勻度要求，燈具內應包含三次配光的功能才能比較好地實現(xiàn)。，而帶反射器的并且具有合理的光束輸出角度的LED本身就具有良好的一次配光功能。在燈具內，能按照路燈具高度及路面寬度設計各個LED的安裝位置和發(fā)射光的方向就能實現(xiàn)良好的二次配光功能。在此類燈具中的反射器，只作為輔助的三次配光手段，來保證道路照度更好的均勻度。筆者在今年9月下旬參加了由上海市照明學會組織的對威海市次干道采用LED光源道路燈具的試驗道路段的驗收，這一試驗道路的燈具及布局就是采用上述原理設計的，從現(xiàn)場的實測結果來看，這一試驗路段正是充分利用了LED合適的定向發(fā)光功能，并采用了三次配光方式，不僅使次干道道路的照度和道路路面的照度均勻度達到了國家標準的要求，而且在燈具的主要照明方向上，也防止了此區(qū)域的局部的過度照明。由于充分利用了LED的特點，并用合理的配光方式充分地利用了LED的光輸出，從而彌補了LED本身光效不如HID光源的不足，使整個道路單位面積在達到標準要求的前提下，其能耗僅為采用高壓鈉燈道路燈具的原照明設計的能耗的70%左右，取得了明顯的節(jié)能效果。中國照明網(wǎng)技術論文•LED技術

目前各級政府都大力推行節(jié)能減排，在室內照明中，已經(jīng)強制執(zhí)行照明功率密度（LPD）的限值。我國的道路照明節(jié)能認證的技術標準《道路照明燈具節(jié)能認證技術要求》將在明年初完成，該技術要求提出了道路照明功率密度（LPD）的考核要求，其核心部分是在滿足道路路面的照度和照度均勻度的前提下盡可能地降低照明功率密度（單位：W/m2）,從而達到節(jié)能的目的。

上述采用LED的道路燈具的設計思路正是迎合了《道路照明燈具節(jié)能認證技術要求》考核要求。目前加拿大政府已經(jīng)按道路照明功率密度（LPD）的要求，推行其道路照明節(jié)能工作，估計在不遠的將來會有更多的國家按LPD的要求推行其道路照明節(jié)能工作。

在實際的道路照明燈具的設計中，可采用在基本設定每一個LED設射方向的前提下，把每一個LED用球形萬向節(jié)固定在燈具上，當燈具使用于不同的高度和照射寬度時，可通過調整球形萬向節(jié)使每一個LED的照射方向都達到滿意的結果。在確定每一個LED的功率、光束輸出角度時，可根據(jù)E（lx）=I(cd)/D(m)2 (光強和照度距離平方反比定律)，分別計算出各LED在基本選定光束輸出角度時應該具備的功率，并且可以通過調整各LED的功率以及LED驅動電路輸出給每一個LED不同的功率來使每一個LED的光輸出都達到預計值。這些調整手段都是采用LED光源的道路燈具所特有的，充分利用這些特點就能實現(xiàn)在滿足道路路面的照度和照度均勻度的前提下降低照明功率密度,達到節(jié)能的目的。

采用LED的燈具設計的其他問題及解決方案

a LED的散熱工況和IP防護

LED的工作工況和散熱不僅直接關系到LED實際工作時的發(fā)光效率，而且還關系到LED的使用壽命。又因為在戶外使用的道路燈具，應具有一定等級的防塵防水功能（IP），良好的IP防護往往會妨礙LED的散熱。解決這個相互矛盾但又都得解決的兩個問題是道路燈具設計時應關注的一個重要方面。在這一方面也是國內把LED應用于道路燈具中時出現(xiàn)不合格及不合理的情況最多的。國內目前使用中出現(xiàn)的不合格及不合理的情況基本有：

（1）對LED采用了散熱器，但LED連線的接線端子及散熱器的設計無法達到IP45及以上等級，無法滿GB7000.5/IEC6598-2-3 標準的要求。

（2）采用普通的道路燈具外殼,在燈具出光面內用矩陣式LED,這種設計雖說能滿足IP試驗，但是由于燈具內的不通風會造成在工作時，燈具內腔的溫度會升高到50℃~80℃，在如此高的工況下，LED的發(fā)光效率是不可能高的，同時LED的使用壽命也將大打折扣。

（3）在燈具內采用了儀表風扇對LED及散熱器進行散熱，其進風口設計在燈具的下方，以避免雨水的進入，出風口設計在下射LED光源的四周。這樣也能有效避免雨水的進入，另外散熱器和LED（光源腔）不處于同一空腔內，這種設計如做的好，按燈具的IP試驗要求，能順利通過。（有一企業(yè)采用了上述設計思路，其產品的還通過了VDE的IP65試驗）這一方案，不僅解決了LED的散熱問題，而且同時滿足了IP等級的要求。但是這種看似良好的設計，實際上存在明顯的不合理情況。因為在我國絕大多數(shù)道路燈具的使用場合，空中的飛塵量是較大的，有時會達到很大（例如起沙塵暴），這類燈具在一般條件下使用一段時間后（約三個月至半年），其內部散熱器的縫隙內就會塞滿灰塵，使散熱器效果大打折扣，最后還會使LED因工作溫度過高而使用壽命明顯縮短。這一方案的不足是在于不能持久良好地使用。

要兼顧道路燈具中LED的散熱及IP防護，較合理的設計指導思想是（1）在關鍵的散熱位置，采用導熱板。導熱板是在金屬板的內部，均布有供冷媒流動的細導管，并在細導管內充有冷媒，當導熱板的某一部位受熱時，細導管內的冷媒會快速流動而使熱量迅速地傳導。好的導熱板的熱傳導系數(shù)可以達到同厚度銅材板的8~12倍，雖說價格較高，但如在關鍵部位使用，對LED的散熱將起到事半功倍的作用。（2）把燈具的外殼設計成散熱器狀。目前大部分的道路燈具外殼是鋁材的，直接利用燈具外殼外面作為散熱器既可以保證IP防護等級的要求，也可以得到很大的散熱面積，另外，燈具外殼組成的散熱器在有落塵時，可以通過自然的風雨而沖洗，從而可保證散熱器工作的持續(xù)有效性。

b LED驅動電路的效率和輸出特性

LED對驅動電路的要求是能保證恒流輸出的特性，因為LED正向工作時結電壓相對變化區(qū)域很小，所以保證了LED驅動電流的恒定也就基本保證了LED輸出功率的恒定。對于我國電源電壓供應不穩(wěn)定的現(xiàn)狀，道路燈具LED的驅動電路具有恒流輸出特性是十分必要的，可保證光輸出恒定并且防止LED的超功率運行。

要想使LED驅動電路呈現(xiàn)恒流特性，從驅動電路的輸出端向內看，其輸出內阻抗一定是高的。工作時，負載電流也同樣通過這一輸出內阻抗，如果驅動電路由降壓、整流濾波后加直流恒流源電路或通用的開關電源加電阻電路組成，在其上必定也消耗很大的有功功率，所以此兩類驅動電路在基本滿足恒流輸出的前提下，效率是不可能高的。正確的設計方案是采用有源電子開關電路或采用高頻電流來驅動LED，采用上述兩種方案可以使驅動電路在保持良好的恒流輸出特性的前提下，仍具有很高的轉換效率（有關LED驅動電路提高效率的介紹請參閱《中國照明電器》2007年第6期）。

c野外照明燈具中電子驅動電路的防雷電感應

目前我國的道路燈具，基本都采用HID光源加配觸發(fā)器和電感鎮(zhèn)流器的模式，這一模式雖說存在能效較低及頻閃的問題，但其可靠性是很高的。而采用電子驅動電路的LED燈具，在野外照明場合使用時，威脅其可靠性的一個重要方面是雷電感應問題。

眾所周知，空中的閃電發(fā)射的是一廣譜的無線電波，而架空的道路燈具供電線路，是良好的接受無線。兩根電源線接收的同一閃電發(fā)出的無線電波，對驅動電路來講是屬于共模干擾信號，這種共模干擾對地可達數(shù)佰伏到數(shù)千伏，很容易擊穿驅動電路內的EMC接地電容或較小的對地（對外殼）的電氣間隙，造成驅動電路的損壞。

另外由于我國的供電線路是三相四線制中性線接地的極性電源，所以在兩根架空供電線的各段，在感應到閃電的無線電波的瞬間，由于兩根供電線對地的瞬時阻抗不同而使兩根供電線間產生一個差模的干擾電壓，這一瞬時差模干擾電壓也可達到數(shù)百伏至3000多伏，這一電壓往往會擊穿驅動電路的電源整流二極管和印制線路板上的不同極性電極間的電氣間隙，同樣會使驅動電路損壞。

要解決這一問題，必須在LED的驅動電路中的輸入端，并接快速響應的壓敏電阻，以保證差模干擾的泄放。由于閃電的感應干擾是重復多次的，當干擾電壓高時，壓敏電阻瞬時導通泄放的電流可能很大，所以采用的壓敏電阻不僅應具有快速的響應能力，還應具備瞬時導通數(shù)十安培的泄放能力而不損壞。除了采用壓敏電阻外，LED的驅動電路的輸入端還應結合傳導干擾（EMI）的防護，設計有復合的LC網(wǎng)絡，使這些LC網(wǎng)絡不僅能阻礙內部的EMI對電網(wǎng)的泄露，而且能對閃電的干擾信號起到明顯的抑制作用。

還有，LED驅動電路各點對地的電氣間隙應保持在7mm以上，EMI防護的接地電容以及驅動電路的對地絕緣強度，應達到強化絕緣（4V+2750V）的要求，這樣能使LED的驅動電路具有良好的抗差模和共模雷電感應的能力。

結論語

LED作為一種新穎的固體光源，具有生產過程及產品幾乎無污染，不怕震動,可實現(xiàn)0~100%的連續(xù)調光，可在特低電壓下工作，可連續(xù)工作于開關、閃斷的工作狀態(tài)以及其輸出光具有定向性等諸多的獨特優(yōu)勢,近年來在其光效和光色上的明顯進步已使它能進入商業(yè)化應用，但是在設計使用時一定要充分關注LED的特點，進行揚長避短的應用，才能取得預期的良好效果。

目前的LED應用在道路燈具中，應充分發(fā)揮其具有定向光輸出的功能，利用每一單個LED特定光束輸出角度和不同的光強輸出以及安裝方向的合理設計和燈具反射器的作用，實現(xiàn)三次配光，最大限度地利用LED的直射光和定向性來保持LED發(fā)射光的充分利用，保持道路照明的均勻性，以此來防止局部區(qū)域的過度照明，彌補自身發(fā)光效率的不足，使系統(tǒng)效率得到可觀的提高，在次干道上可取得在照度滿足標準要求的前提下，其單位面積的照明能耗比采用高壓鈉燈的燈具節(jié)能約30%的成績。但LED就現(xiàn)在的能效水平以及輸出光強水平，作為商業(yè)應用在主干道路作為主照明，尚有不少差距。

另外，采用LED作為光源的道路燈具，在設計時應在滿足IP防護的前提下，保證散熱的可靠和持續(xù)有效，LED驅動電路應具有高效率且完善的EMI和EMS的防護特性。具備這些特點的LED道路燈具不僅照明功率密度（LPD）指標好，而且具有輸出光無頻閃的優(yōu)點，這對于運動物的照明是十分有益的。