LED路燈設計和實現(xiàn),用于城市照明

1、第25卷第6期2006年12月天津工業(yè)大學學報J O URNAL O F T I ANJ I N P OLY TECHN I C UN I VERS I T Y Vol .25No .6Dece mber 2006LE D 路燈設計和實現(xiàn)3郭一翔,牛萍娟,毛博年(天津工業(yè)大學信息與通訊工程學院,天津300160摘要:提出了LE D 路燈的一種設計方案,分別從光源設計、驅(qū)動電路設計和散熱設計3方面說明了LE D 路燈設計中應遵循的原則和注意的問題.該方案提高了LE D 路燈發(fā)光的穩(wěn)定性,改善了它的色溫,延長了它的使用壽命.并通過制作LE D 路燈光源驗證了該方案的正確性.關鍵詞:LE D;燈具;

2、光源中圖分類號:T M923.34文獻標識碼:A 文章編號:16712024X (20060620041203D esi gn and rea li za ti on of L ED street l am pG UO Yi 2xiang,N I U Ping 2juan,MAO Bo 2nian(School of I nfor mati on and Communicati on Engineering,Tianjin Polytechnic University,Tianjin 300160,China Abstract :A design p r oposal of LE D stre

3、et lamp is intr oduced .The rules that should be conf or med t o and the matters thatshould be paid attenti on t o are exp lained thr ough three as pects such as phot os ource design,drive circuit design and radiating design .This p r oposal i m p r oves the stability and col or te mperature of the

4、LE D street la mp,and p r ol ongs its service life .The correctness of the p r oposal is validated thr ough making an LE D street light phot o s ource .Key words :LE D;lamp;phot os ourceLED 是英文L ight Em itting D i ode 的縮寫,譯為發(fā)光二極管,屬于固態(tài)光源.LED 的應用已有較悠久的歷史,以前主要應用在各種電子設備的指示燈、大屏幕顯示器、信號燈和液晶屏幕背光源等領域.近些年來,隨著

5、GaP 、Ga N 系2V 族化合物半導體的結(jié)晶成長工藝技術及納米技術的進步,LED 的光效和大功率集成技術都有了很大的提高,LE D 已經(jīng)開始在照明領域里初步應用,出現(xiàn)了LED 路燈、LED 礦燈、LED 應急燈、LED 車燈、LE D 景觀燈等多種以大功率LED 為光源的照明燈具.筆者的目標是設計一種路燈光源,采用大功率LED 作為光源,光源總的光通量達到400l m ;發(fā)出的光顯色性好,并且屬于暖色調(diào)光;使用壽命達到20000h 以上.1光源設計傳統(tǒng)照明光源主要有3大類:白熾燈、熒光燈和稀有氣體放電燈.與這些光源相比,LE D 光源光效比較高,使用壽命長,采用安全電壓供電,不含有毒重金屬

6、,顯色指數(shù)高,而且屬于新型光源,發(fā)展?jié)摿薮?是未來傳統(tǒng)光源理想的替代品.表1為幾種照明光源的性能比較.表1幾種照明光源的性能指標Tab .1Co m par ison of co mm on photosources 測試項目白熾燈熒光燈高壓汞燈高壓鈉燈LED 發(fā)光效率/(l m W -116705010050壽命/kh 28106202450顯色指數(shù)9575452385成本/($(kl m -10.41.55520驅(qū)動電路簡單價格低中價格低復雜價格高復雜價格高中價格低安全性一般一般差差高可靠性差差一般一般高亮度可調(diào)性好差好好好方向性差差差差好環(huán)保性一般汞污染汞污染汞污染好注:白熾燈發(fā)光效率

7、為30W 的數(shù)據(jù).3收稿日期:2006-03-06基金項目:天津工業(yè)大學校級基金項目作者簡介:郭一翔(1979,男,河北省廊坊市人,碩士研究生;牛萍娟(1973,女,河北省石家莊市人,副教授,導師.通常的路燈一般采用兩種光源,熒光燈和高壓鈉燈.高壓鈉燈發(fā)出的光色溫低,屬于暖色調(diào),但顯色性差;熒光燈發(fā)出的光顯色性好,但色溫高,屬于冷色調(diào)光.這兩種類型的光源均無法滿足本設計方案中對光源發(fā)光的色溫和顯色性的要求.而LE D 根據(jù)種類的不同可以發(fā)出不同色溫的光,所以選擇不同種類的LE D 進行混光,可以獲得顯色性好的暖色調(diào)光.采用白色和琥珀色的1W 功率型LE D 按照表2所示比例進行混合,作為路燈光

8、源.通過計算,混合后的光源發(fā)出色溫為3700K 的暖白光,顯色性大于85,最低光通量為407l m ,達到了設計方案中對光源的要求.表2L E D 混合方案Tab .2M i x propos a l of L E D顏色總通量/l m 單通量/l m 光衰指數(shù)色溫/K 混合量/個混合色溫/K 白色267.0040 1.24580093700琥珀色140.00402.4230073700注:光衰指數(shù)指T j =802驅(qū)動方案設計 LE D 是一種半導體產(chǎn)品,需用低壓直流來驅(qū)動.驅(qū)動一般采用兩種方式:恒壓驅(qū)動方式或恒流驅(qū)動方式.恒壓的驅(qū)動方式相對簡單,以前LED 光源多采用恒壓方式.圖1是LED

9、 的電壓和電流的關系圖,電壓和電流近似成指數(shù)關系;圖2是LED 的電流和它的相對光通量的關系,電流和光通量近似成正比關系1.圖1白色L E D 的伏安特性F i g .1Forward curren t vs forward volt age for wh ite L E D可以推出,LE D 的電壓和它的相對光通量也近似成指數(shù)關系.如果采用恒壓驅(qū)動方式,驅(qū)動電壓輕微的擾動都會造成相對光通量大幅度的改變;而采用恒流方式驅(qū)動的LE D 受驅(qū)動電流的擾動的影響要小得多.因此,本方案選擇恒流的驅(qū)動方式.圖2相對光通量與正向電流的關系(T j =25F i g .2Rel a ti ve lu m i

10、 n ous flux vs forwardcurren t for wh ite能提供大功率LE D 恒流驅(qū)動的芯片很多,臺灣MACROBLOCK 公司生產(chǎn)的LE D 驅(qū)動芯片MB I 1802驅(qū)動能力強,效率高,并提供過溫保護的功能.因此,選擇此芯片作為本方案中LED 的驅(qū)動芯片,驅(qū)動電路原理圖如圖3所示.圖3光源的驅(qū)動電路原理圖F i g .3Sche ma ti c d i a gram of dr i ve c i rcu itof photosources3散熱設計LED 發(fā)光芯片受溫度影響大,圖4顯示了LE D 發(fā)光芯片的結(jié)合點溫度和LED 的出光量間的關系,兩者成反比1;LE

11、D 發(fā)光產(chǎn)生的熱量主要由安裝在LE D 上的散熱片傳導出去,LED 結(jié)合點溫度和散熱片的溫度是線性關系.圖5顯示了LED 點亮后散熱片溫度和LED 光衰程度的關系2,可以看出,散熱片溫度越高,LED 光衰越大.因此,散熱設計對LED 光源的性能起著至關重要的作用,良好的散熱設計可以大幅度地延長LED 的使用壽命.24天津工業(yè)大學學報第25卷圖4相對光輸出與結(jié)合點溫度F i g .4Rel a ti ve li ght output vs juncti on te m pera turefor wh ite and am ber圖5恒流350mA 、散熱片不同溫度時L E D的相對光輸出F i

12、g .5Rel a ti ve li ght output of a L E D a t 350mA andvar i ous slug te m pera tures光源采用了16顆1.09W 的LE D ,所以光源總的耗散功率約為17.44W ,這16顆LED 以25mm 的間距均勻分布在總面積為100c m 2的金屬印刷電路板(MCPCB 上.設計LE D 結(jié)合點溫度T JH 的上限為80,環(huán)境最高溫度T HJ 設為35.結(jié)合點溫度和環(huán)境溫度的關系如下:T JH =T HJ +P G ×R JH -HJ (1式中,P G 為光源的功率;R JH -HJ 為結(jié)合點和環(huán)境之間的電阻

13、.根據(jù)公式(1,要使LE D 結(jié)合點溫度小于80,R JH -HJ 的最大值為2.58/W ,單個LED 光源的結(jié)構(gòu)如圖6所示3,所以,從LE D 結(jié)合點到環(huán)境之間的熱阻R JH -HJ 為:R JH -HJ =R JH -JS +R JS -MCPCB +R MCPCB -HJ(2式中,R JH -JS 為結(jié)合點與金屬片之間的電阻;R JS -MCPCB 為金屬片與MCPCB 之間的電阻;R MCPCB -HJ 為MCPCB 與環(huán)境之間的電阻.R JH -JS =15/W ,N =16個,推出:R JH -JS =R JH -JS /N =0.9375/WLE D 和MCPCB 之間用導熱樹

14、脂相連,導熱樹脂熱阻計算公式為4R JS -MCPCB =L /(k ×A (3 圖6L E D 截面圖F i g .6E m itter cut 2away式中,樹脂厚度L =0.1mm ,樹脂導熱系數(shù)k =0.9W /m ,LE D 和樹脂有效接觸總面積為A =0.00027m 2.根據(jù)公式(3推出:R JS -MCPCB =0.41/W 根據(jù)公式(2,R MCPCB -HJ 環(huán)境最大取值是1.23/W.圖7顯示的是散熱片的裸露表面積和其熱阻的關系2,可以推出,散熱片的裸露表面積至少要達到1125c m 2才可以滿足LED 光源的散熱要求 .圖7高密度發(fā)光體降溫裝置總陣列熱阻抗與

15、裸露表面積的關系F i g .7H i gh den sity e m itter hea t si n k tot a l arrayther ma l resist ance(board to am b i en tvs surface area exposed4試驗結(jié)果依據(jù)上述設計方案,筆者制作了一個LED 路燈光源的模型,加裝表面積為1200c m 2的鰭型散熱片,水平放置在環(huán)境溫度為19.4的開放空間中.模型的外觀如圖8.對于17.5W 的光源測試線果如表3.圖8L E D 路燈光源的模型F i g .8M odel of L E D street l am p photosourc

16、e(下轉(zhuǎn)第47頁34第6期郭一翔,等:LE D 路燈設計和實現(xiàn)jecti on rate 和錯誤接受率F AR (false accep tance rate .錯誤拒絕率是指正確的生物特征擁有者被拒絕;錯誤接受率是指冒充者識別為真正的生物特征擁有者.實驗結(jié)果的受試者工作特征曲線(receiver operating char 2acteristic,ROC 如圖8所示,其中隨著閾值增加而下降的曲線為F AR,而隨著閾值增加而上升的曲線為 FRR.F i g .8R OC 曲線F i g .8R OC curve由圖8可以看到,當閾值取為66時,F AR 和FRR的取值相等(2.50/0.實驗

17、結(jié)果表明,本文提出的掌紋算法識別率為97.50/0參考文獻:1P ANK ANTI S,BOLLE R M ,JA I N A K .B i ometrics:the fu 2ture of indentificati on J .I EEE Computer,2000,33(2:46-49.2ZHANG D.Aut omated B i ometrics -Technol ogies and Sys 2te m sM .US A:Klu wer Acade m ic Publishers,2000:102.3Edit orial Board of Pattern Recogniti on .

18、T wo novel character 2istics in pal m p rint veri pcati on:datu m point invariance and line feature matchingJ .Pattern Recogniti on,1999,32:691-702.4WU Xianqian,Z HANG David,WANG Kuanquan,et al .Pal m p rint classificati on using p rinci pal lines J .PatternRecogniti on,2004,37:1987-1998.5沈庭芳,方子文.數(shù)字

19、圖像處理與模式識別M .北京:北京理工大學出版社,1998:100.6Y OU Jane,L IW enxin,ZHANG David .H ierarchical pal m 2p rint identificati on via multi p le feature extracti onJ .Pattern Recogniti on,2003,35:847-859.(上接第43頁表3測試結(jié)果F i g .3Results of test測試項目測試數(shù)據(jù)測試設備光通量/l m 460.4遠方P MS 250系統(tǒng)散熱片溫度/42.6溫度計顯色指數(shù)84遠方P MS 250系統(tǒng)色溫/K3545遠方P MS 250系統(tǒng)根據(jù)表3的數(shù)據(jù)可以看出,LE D 路燈光源模型的光通量、顯色指數(shù)、色溫等各項性能指標完全達到或超過了設計方案的要求,說明本設計方案是成功的.5結(jié)束語LED 作為新型的固態(tài)光源,發(fā)展的潛力還