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(yīng)用劉涌斌

三明市市政工程管理處(365000)摘要：建設(shè)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(shì)已勢(shì)不可擋。但是在生產(chǎn)應(yīng)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(shí)驗(yàn)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(shí)間的實(shí)驗(yàn)及分析，使我對(duì)大功率LED路燈有了一個(gè)新的認(rèn)識(shí)，本文主要介紹我市實(shí)際應(yīng)用實(shí)例。關(guān)鍵詞：道路照明LED燈具實(shí)驗(yàn)案例經(jīng)驗(yàn)總結(jié)LED是英文“LIGHTEMITTINGDIODE”的縮寫，也就是平時(shí)所說的發(fā)光二極管。理論上的使用壽命在10萬小時(shí)左右。但在生產(chǎn)過程中，大部分設(shè)計(jì)人員對(duì)驅(qū)動(dòng)電源及散熱要求認(rèn)識(shí)不足，導(dǎo)致選用不當(dāng)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(shí)，甚至更低，導(dǎo)致LED的優(yōu)勢(shì)得不到很好的發(fā)揮，造成許多人對(duì)LED產(chǎn)品產(chǎn)生誤解，影響LED的產(chǎn)品的聲譽(yù)。

大功率LED路燈是指功率在30W以上的LED路燈。當(dāng)前大功率LED路燈面臨的主要技術(shù)問題是：輸出功率和光通量、二次光學(xué)設(shè)計(jì)、散熱設(shè)計(jì)及電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)。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(shù)、芯片工藝等基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升。而二次光學(xué)設(shè)計(jì)方面，LED的輻射形式有朗伯型、側(cè)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(zhì)量主要需考慮光學(xué)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(shè)計(jì)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(dāng)然選擇好高質(zhì)量的LED芯片是首要的前提條件！根據(jù)當(dāng)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(shí)驗(yàn)案例：

我市在2007年7月開始在205國道（荊西至莘口）路段進(jìn)行LED路燈實(shí)驗(yàn)，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(qū)動(dòng)是恒流源驅(qū)動(dòng)，型號(hào)為DGP70WS-320220VAC-80～200VDC，輸出電流為300MA。此次工程設(shè)計(jì)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(jìn)行了照度測(cè)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(diǎn)過后進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如下：經(jīng)計(jì)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(shí)有安裝250W高壓鈉燈，故同時(shí)測(cè)量一套250W高壓鈉燈做為參照，結(jié)果如下：經(jīng)計(jì)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?？梢钥闯?，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(dá)不到CJJ45-2006《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》要求（快速路、主干路路面照度標(biāo)準(zhǔn)值20～30lx，均勻度標(biāo)準(zhǔn)值0.4，次干道路面照度標(biāo)準(zhǔn)值10～15lx，均勻度標(biāo)準(zhǔn)值0.35）。我們與生產(chǎn)廠家針對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了探討，認(rèn)為應(yīng)該在LED芯片、散熱材料及驅(qū)動(dòng)電源上下功夫，提高品質(zhì)。

為了了解該品牌燈具的光衰，2008年5月20日晚23點(diǎn),我們又在07年的同一路段的同一測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如下：經(jīng)計(jì)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(qū)動(dòng)，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(jié)出以下結(jié)論：

1、針對(duì)每個(gè)測(cè)試點(diǎn)較低的照度，應(yīng)提高LED芯片的光通量；

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

3、針對(duì)燈具連接處的斷裂問題，提出應(yīng)增加4道加強(qiáng)筋，以加強(qiáng)燈具的機(jī)械強(qiáng)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(xì)微氣泡，說明壓鑄時(shí)的壓力不足，應(yīng)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(jìn)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(diǎn)過后進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如下：經(jīng)計(jì)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(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，平均照度已接近標(biāo)準(zhǔn)值（20～30LX）,照度均勻度已達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值（0.4）。燈具的品質(zhì)已有較大的提高！

二、經(jīng)驗(yàn)總結(jié)：

可見提高大功率LED燈具的品質(zhì)應(yīng)從選用高質(zhì)量的LED芯片，良好的散熱系統(tǒng)及穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)電源做起。首先，我們先從LED電源說起。LED電源按驅(qū)動(dòng)方式可以分為兩大類：1、恒流式驅(qū)動(dòng)電路。使用該種電路很理想，缺點(diǎn)就是價(jià)格較高。2、穩(wěn)壓式電路。此電路不怕負(fù)載開路，卻嚴(yán)禁負(fù)載短路。采用何種方式驅(qū)動(dòng)是提高LED燈具品質(zhì)的關(guān)鍵因素之一。若要提高大功率LED燈具的品質(zhì)應(yīng)放棄恒壓驅(qū)動(dòng)電源，采用恒流源驅(qū)動(dòng)，此時(shí)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(huì)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(huì)自動(dòng)檢測(cè)和控制流過的電流，通電瞬間的過高的電流及負(fù)載短路燒壞電源的情況都不可能發(fā)生，也會(huì)避免LED正向電壓的改變而引起電流變動(dòng)，從而使LED的亮度穩(wěn)定，便于保證產(chǎn)品的一致性。我市實(shí)驗(yàn)的大功率LED路燈就是采用4塊恒流源驅(qū)動(dòng)，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(xì)管系統(tǒng)；2、風(fēng)冷（加風(fēng)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(zhì)熱沉，采用半包封結(jié)構(gòu)，加速散熱；2、增加二次散熱裝置，以降低器件的熱阻。對(duì)于大功率LED芯片，散熱良好、低熱阻及低應(yīng)力的封裝結(jié)構(gòu)是技術(shù)關(guān)鍵。因此必須采用低電阻率、高導(dǎo)熱性能的材料粘結(jié)芯片。高導(dǎo)熱系數(shù)的軟性硅膠導(dǎo)熱絕緣墊正好非常符合上述條件，因此被廣泛地應(yīng)用在大功率LED燈具中。它利用本身所具備良好的導(dǎo)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(zhǎng)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(dǎo)熱硅脂導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)及UL安規(guī)檢測(cè)。我市實(shí)驗(yàn)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(dǎo)熱系數(shù)的軟性硅膠導(dǎo)熱絕緣墊，造成管芯的結(jié)溫上升迅速，LED芯片光衰過快。

由于大功率LED芯片會(huì)在工作過程中產(chǎn)生大量的熱量,使管芯結(jié)溫迅速升高。LED功率越高,發(fā)熱效應(yīng)越大，將導(dǎo)致發(fā)光器件性能的變化與電光轉(zhuǎn)換效率衰減,嚴(yán)重時(shí)甚至失效。實(shí)驗(yàn)測(cè)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(zhì)的另一個(gè)關(guān)鍵因素。所以應(yīng)當(dāng)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(duì)路燈具有戶外夜間使用的特點(diǎn)，散熱面位于側(cè)上面有利于空氣自然對(duì)流散熱。我市實(shí)驗(yàn)的產(chǎn)品就是在燈體的上部和側(cè)面采用散熱鰭片，但是未注意燈具的強(qiáng)度問題，造成安裝時(shí)及使用時(shí)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(yàn)及測(cè)試，LED燈具的二次光學(xué)設(shè)計(jì)采用朗伯型和蝙蝠翼型比較適用。會(huì)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(huì)是高品質(zhì)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(diǎn)：節(jié)能、安全、環(huán)保、壽命長(zhǎng)、體積小、響應(yīng)時(shí)間短；安裝維護(hù)簡(jiǎn)便；模塊安裝、無多余配線；技術(shù)進(jìn)步空間大。LED燈具除了在單燈成本及最初安裝的造價(jià)比原有照明燈具高外，在鋪設(shè)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(shì)，體現(xiàn)在：1、當(dāng)前價(jià)格還太高，高質(zhì)量的LED燈具每瓦的平均成本為25元左右