大功率白光LED路燈照明系統(tǒng)模擬設(shè)計

　摘要： 以大功率白光發(fā)光二極管（LED）為光源， 利用光學(xué)軟件Trace Pro 模擬設(shè)計出滿足特定功率和照度要求的路燈照明系統(tǒng)， 并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其可行性。該模擬系統(tǒng)對實(shí)際開發(fā)具有指導(dǎo)意義。

　　1 引言

　　路燈是城市戶外照明中重要的一支， 目前， 路燈光源一般都采用高壓鈉燈或金鹵燈， 功率都為幾百瓦或以上， 耗電程度較大， 壽命不長， 維修工作量較大。發(fā)光二極管（LED） 是一種半導(dǎo)體發(fā)光固體器件， 它具有工作電壓低、體積小、可靠性高、壽命長、轉(zhuǎn)換效率高和環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)， 作為一種“綠色光源”， 其在路燈照明系統(tǒng)上的運(yùn)用將一改傳統(tǒng)路燈的各種缺點(diǎn)， 是未來照明領(lǐng)域發(fā)展的趨勢。如今，將白光LED 運(yùn)用在如路燈照明系統(tǒng)等戶外照明上的實(shí)例較少， 因此， 研制開發(fā)一種節(jié)能型大功率LED路燈系統(tǒng)極具市場價值。為避免實(shí)際開發(fā)的盲目性，降低開發(fā)成本， 進(jìn)行模型模擬設(shè)計很有必要， 能為接下來大功率LED 路燈的實(shí)際開發(fā)提供指導(dǎo)性的理論基礎(chǔ)。

　　2 設(shè)計要求及思路

　　結(jié)合實(shí)際情況， 對大功率LED 路燈系統(tǒng)的設(shè)計提出以下設(shè)計要求： 如圖1 所示， 系統(tǒng)總功率低于150 W， 路燈安裝高度h=8 m， 垂直路面（O 點(diǎn)處附近區(qū)域） 最高照度達(dá)15 lx 以上， 距路燈安裝處的路面橫向距離s=15 m 處（P 點(diǎn)處小區(qū)域） 照度達(dá)3 lx以上， 距路燈安裝處的路面縱向距離r=10 m 處（Q 點(diǎn)處小區(qū)域） 照度達(dá)3 lx 以上。

圖1 路燈結(jié)構(gòu)圖

　　把LED 作為光源應(yīng)用于照明領(lǐng)域， 一般將多個LED 以一定的形狀陣列排布， 對每個LED 到達(dá)目標(biāo)平面的光線疊加可以得到目標(biāo)平面的光照度分布。

　　所需陣列LED 數(shù)量決定于整個系統(tǒng)的總功率限制、目標(biāo)面的光照度要求及照明光學(xué)系統(tǒng)的空間光強(qiáng)分布要求。考慮到成本和節(jié)能， 在達(dá)到照明要求的前提下希望盡量減少LED 的數(shù)量， 這就涉及到LED 陣列的合理排布， 包括選取LED 間隔尺寸及確定LED的出光角度。

　　3 系統(tǒng)模擬設(shè)計

　　3.1 單顆LED 建模

　　選擇1 W 大功率貼片LED 為光源， 按1∶1 比例構(gòu)建其模擬模型。模型由LED 發(fā)光芯片、外環(huán)氧樹脂封裝、底座三部分組成。LED 發(fā)光芯片的一面設(shè)為光強(qiáng)有角度分布的發(fā)光面， 總光通量設(shè)為55 lm， 外環(huán)氧樹脂折射率為1.55。實(shí)驗(yàn)證明， LED 發(fā)光芯片的位置放置決定著模型的出射光線的角分布特征。經(jīng)多次調(diào)整， 基本達(dá)到了樣品LED 的角分布參數(shù)， 最終模型如圖2 所示。

圖2 單顆LED 模擬模型（左） 及其光線模擬圖（右）

　　3.2 光照均勻度模擬

　　LED 間的間距選擇在很大程度上影響路面光照度的均勻性及照明系統(tǒng)的照明效果。合理選擇LED間距可避免設(shè)計的盲目性， 模型如圖3 所示。

　　以兩個LED 組合為例， 模擬不同間距下的光照度分布得出： 隨著LED 間距的增大， 參考平面中心的照度緩慢下降， 間距d 為90 mm 時， 照度分布曲線變平坦（如圖4 所示）， 兩LED 之間區(qū)域的光照度均勻性較好。在對多LED 進(jìn)行陣列分布設(shè)計時， 出于光照度均勻性的考慮， 盡量要做到LED 間的間距不超過90 mm。

圖3 兩個LED 模擬模型