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采用LED光源的道路灯具应关注的焦点



引言 

  LED应用于照明领域,是目前我国乃至世界照明界的热门话题,通过从业人员的不断努力,目前照明用白光LED在通常的照明工作条件下的系统效率(包括驱动电路),已达到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已具备应用到一些照明领域的商用条件。但是,由于我国从计划经济时代以来很多年的产业结构分布所造成的局面,使得目前制造照明LED的产业群体往往缺乏对照明电器基本知识和要求的了解,而传统的照明灯具生产群体也往往缺乏对照明用LED特性的深入了解,在设计和应用中没有充分地利用LED的特点,进行扬长避短的使用,所以造成了在照明LED应用到照明装置中时,产生很多不合理的错误设计。本文就目前照明用LED应用于道路灯具中的一些主要问题,提出如下的见解。

一、照明用LED在道路灯具中使用的特长

1. 普通道路照明灯具的现状和缺陷 

  目前道路灯具中普遍采用的光源是高压钠灯或金属齿化物灯,这两种光源的最大特点是,发光的电弧管尺寸小,由尺寸很小的电弧管产生很大的光输出,并且具有很高的光效,前者包括配套电器,可达110 lm/W,后者包括配套电器可达80 lm/W。但这类光源应用在道路灯具中时,只有40%左右的光是直接透过玻璃罩到达路面的,其他的光是通过灯具反射器再投射出灯具的,目前普遍采用此类光源的传统灯具基本都存在两个不足,一是灯具直接照射的方向上照度很高,在次干道上可达50 lx以上,这一区域属于明显的过度照明,而两个灯具的光照交叉处的照度仅为灯下照度的40%~20%。二是此类灯具的反射器的效率一般仅为50%~60%,所以有60%左右的光输出在灯具内,是在损失了40%~30%后再投射到路面上的。此类灯具的总体效率一般都在70%左右(只有国际著名品牌的此类道路灯具其效率可达到80%),并且上述的过度照明区域中过多的照度也属于浪费。综合分析上述传统的道路灯具其综合的有效照明效率(扣除过度照明部分)仅为50%。也因为上述原因,目前我国次干道的照明效果(路面照度和照度的均匀度)基本都达不到CJJ45-2006和CIE31以及CIE115标准的要求。

2. 目前采用LED光源的道路灯具的配光现状 

  目前LED在道路灯具中使用的最普遍形式主要有两类,一类是采用传统的道路灯具外壳,只是在灯具内,在一个几乎是平板的安装面(也是反光面)上,装上了矩阵式的LED,这种设计方式是不可能得到良好的灯具配光的。另一类是把多个LED集成在一个圆形的区域内(区域直径大约为30mm~40mm),使这一小区域的光输出密度接近高强度气体放电灯,再利用灯具反射器进行配光,但这种设计方式的灯具分布光度也不会优于传统的道路灯具,并且由于在一个很小的区域内集成了高密度的LED,使LED的散热情况明显不良,不仅影响到LED的发光效率,而且也往往影响到LED的使用寿命。

3. 照明用LED的特长及应用 

  目前照明用LED的最大特点是具有定向发射光的功能,因为目前功率型LED几乎都装有反射器,并且这种反射器的效率都明显高于灯具的反射器效率。另外,LED的光效检测时已经包括了自身反射器的效率。采用LED的道路灯具应尽可能地利用LED的定向发射光的特性,使道路灯具中的各个LED分别直接把光线射向被照路面的各个区域,再利用灯具反射器的辅助配光,来实现很合理的道路灯具的综合配光。应该说,道路灯具要真正做到符合CJJ45-2006和CIE31以及CIE115标准的照度和照度均匀度要求,灯具内应包含三次配光的功能才能比较好地实现。而带反射器的并且具有合理的光束输出角度的LED本身就具有良好的一次配光功能。在灯具内,能按照路灯具高度及路面宽度设计各个LED的安装位置和发射光的方向就能实现良好的二次配光功能。在此类灯具中的反射器,只作为辅助的三次配光手段,来保证道路照度更好的均匀度。笔者在今年9月下旬参加了由上海市照明学会组织的对威海市次干道采用LED光源道路灯具的试验道路段的验收,这一试验道路的灯具及布局就是采用上述原理设计的,从现场的实测结果来看,这一试验路段正是充分利用了LED合适的定向发光功能,并采用了三次配光方式,不仅使次干道道路的照度和道路路面的照度均匀度达到了国家标准的要求,而且在灯具的主要照明方向上,也防止了此区域的局部的过度照明。由于充分利用了LED的特点,并用合理的配光方式充分地利用了LED的光输出,从而弥补了LED本身光效不如HID光源的不足,使整个道路单位面积在达到标准要求的前提下,其能耗仅为采用高压钠灯道路灯具的原照明设计的能耗的70%左右,取得了明显的节能效果。目前各级政府都大力推行节能减排,在室内照明中,已经强制执行照明功率密度(LPD)的限值。我国的道路照明节能认证的技术标准《道路照明灯具节能认证技术要求》将在2009年初完成,该技术要求提出了道路照明功率密度(LPD)的考核要求,其核心部分是在满足道路路面的照度和照度均匀度的前提下尽可能地降低照明功率密度(单位:W/m2),从而达到节能的目的。上述采用LED的道路灯具的设计思路正是迎合了《道路照明灯具节能认证技术要求》考核要求。目前加拿大政府已经按道路照明功率密度(LPD)的要求,推行其道路照明节能工作,估计在不远的将来会有更多的国家按LPD的要求推行其道路照明节能工作。 

  在实际的道路照明灯具的设计中,可采用在基本设定每一个LED设射方向的前提下,把每一个LED用球形万向节固定在灯具上,当灯具使用于不同的高度和照射宽度时,可通过调整球形万向节使每一个LED的照射方向都达到满意的结果。在确定每一个LED的功率、光束输出角度时,可根据E(lx)=I(cd)/D(m)2 (光强和照度距离平方反比定律),分别计算出各LED在基本选定光束输出角度时应该具备的功率,并且可以通过调整各LED的功率以及LED驱动电路输出给每一个LED不同的功率来使每一个LED的光输出都达到预计值。这些调整手段都是采用LED光源的道路灯具所特有的,充分利用这些特点就能实现在满足道路路面的照度和照度均匀度的前提下降低照明功率密度,达到节能的目的。

 

二、采用LED的灯具设计的其他问题及解决方案

 

1. LED的散热工况和IP防护 

  LED的工作工况和散热不仅直接关系到LED实际工作时的发光效率,而且还关系到LED的使用寿命。又因为在户外使用的道路灯具,应具有一定等级的防尘防水功能(IP),良好的IP防护往往会妨碍LED的散热。解决这个相互矛盾但又都得解决的两个问题是道路灯具设计时应关注的一个重要方面。在这一方面也是国内把LED应用于道路灯具中时出现不合格及不合理的情况最多的。国内目前使用中出现的不合格及不合理的情况基本有:

 

  (1)对LED采用了散热器,但LED连线的接线端子及散热器的设计无法达到IP45及以上等级,无法满足GB7000.5/IEC6598-2-3 标准的要求。

  (2)采用普通的道路灯具外壳,在灯具出光面内用矩阵式LED,这种设计虽说能满足IP试验,但是由于灯具内的不通风会造成在工作时,灯具内腔的温度会升高到50℃~80℃,在如此高的工况下,LED的发光效率是不可能高的,同时LED的使用寿命也将大打折扣。 

  (3)在灯具内采用了仪表风扇对LED及散热器进行散热,其进风口设计在灯具的下方,以避免雨水的进入,出风口设计在下射LED光源的四周。这样也能有效避免雨水的进入,另外散热器和LED(光源腔)不处于同一空腔内,这种设计如做的好,按灯具的IP试验要求,能顺利通过。(有一企业采用了上述设计思路,其产品通过了VDE的IP65试验)这一方案,不仅解决了LED的散热问题,而且同时满足了IP等级的要求。但是这种看似良好的设计,实际上存在明显的不合理情况。因为在我国绝大多数道路灯具的使用场合,空中的飞尘量是较大的,有时会达到很大(例如起沙尘暴),这类灯具在一般条件下使用一段时间后(约三个月至半年),其内部散热器的缝隙内就会塞满灰尘,使散热器效果大打折扣,最后还会使LED因工作温度过高而使用寿命明显缩短。这一方案的不足是在于不能持久良好地使用。要兼顾道路灯具中LED的散热及IP防护,较合理的设计指导思想是:

  (1)在关键的散热位置,采用导热板。导热板是在金属板的内部,均布有供冷媒流动的细导管,并在细导管内充有冷媒,当导热板的某一部位受热时,细导管内的冷媒会快速流动而使热量迅速地传导。好的导热板的热传导系数可以达到同厚度铜材板的8~12倍,虽说价格较高,但如在关键部位使用,对LED的散热将起到事半功倍的作用。

  (2)把灯具的外壳设计成散热器状。目前大部分的道路灯具外壳是铝材的,直接利用灯具外壳外面作为散热器既可以保证IP防护等级的要求,也可以得到很大的散热面积。另外,灯具外壳组成的散热器在有落尘时,可以通过自然的风雨而冲洗,从而可保证散热器工作的持续有效性。

 

2. LED驱动电路的效率和输出特性 

  LED对驱动电路的要求是能保证恒流输出的特性,因为LED正向工作时结电压相对变化区域很小,所以保证了LED驱动电流的恒定也就基本保证了LED输出功率的恒定。对于我国电源电压供应不稳定的现状,道路灯具LED的驱动电路具有恒流输出特性是十分必要的,可保证光输出恒定并且防止LED的超功率运行。要想使LED驱动电路呈现恒流特性,从驱动电路的输出端向内看,其输出内阻抗一定是高的。工作时,负载电流也同样通过这一输出内阻抗,如果驱动电路由降压、整流滤波后加直流恒流源电路或通用的开关电源加电阻电路组成,在其上必定也消耗很大的有功功率,所以此两类驱动电路在基本满足恒流输出的前提下,效率是不可能高的。正确的设计方案是采用有源电子开关电路或采用高频电流来驱动LED,采用上述两种方案可以使驱动电路在保持良好的恒流输出特性的前提下,仍具有很高的转换效率(有关LED驱动电路提高效率的介绍请参阅(《中国照明电器》2007年第9期)。 )。

3. 野外照明灯具中电子驱动电路的防雷电感应 

  目前我国的道路灯具,基本都采用HID光源加配触发器和电感镇流器的模式,这一模式虽说存在能效较低及频闪的问题,但其可靠性是很高的。而采用电子驱动电路的LED灯具,在野外照明场合使用时,威胁其可靠性的一个重要方面是雷电感应问题。众所周知,空中的闪电发射的是一广谱的无线电波,而架空的道路灯具供电线路,是良好的接受天线。两根电源线接收的同一闪电发出的无线电波,对驱动电路来讲是属于共模干扰信号,这种共模干扰对地可达数百伏到数千伏,很容易击穿驱动电路内的EMC接地电容或较小的对地(对外壳)的电气间隙,造成驱动电路的损坏。另外由于我国的供电线路是三相四线制中性线接地的极性电源,所以在两根架空供电线的各段,在感应到闪电的无线电波的瞬间,由于两根供电线对地的瞬时阻抗不同而使两根供电线间产生一个差模的干扰电压,这一瞬时差模干扰电压也可达到数百伏至3000多伏,这一电压往往会击穿驱动电路的电源整流二极管和印制线路板上的不同极性电极间的电气间隙,同样会使驱动电路损坏。要解决这一问题,必须在LED的驱动电路中的输入端,并接快速响应的压敏电阻,以保证差模干扰的泄放。由于闪电的感应干扰是重复多次的,当干扰电压高时,压敏电阻瞬时导通泄放的电流可能很大,所以采用的压敏电阻不仅应具有快速的响应能力,还应具备瞬时导通数十安培的泄放能力而不损坏。除了采用压敏电阻外,LED的驱动电路的输入端还应结合传导干扰(EMI)的防护,设计有复合的LC网络,使这些LC网络不仅能阻碍内部的EMI对电网的泄露,而且能对闪电的干扰信号起到明显的抑制作用。还有,LED驱动电路各点对地的电气间隙应保持在7mm以上,EMI防护的接地电容以及驱动电路的对地绝缘强度,应达到强化绝缘(4V+2750V)的要求,这样能使LED的驱动电路具有良好的抗差模和共模雷电感应的能力。

结论

  LED作为一种新颖的固体光源,具有生产过程及产品几乎无污染,不怕震动,可实现0~100%的连续调光,可在特低电压下工作,可连续工作于开关、闪断的工作状态以及其输出光具有定向性等诸多的独特优势,近年来在其光效和光色上的明显进步已使它能进入商业化应用,但是在设计使用时一定要充分关注LED的特点,进行扬长避短的应用,才能取得预期的良好效果。目前的LED应用在道路灯具中,应充分发挥其具有定向光输出的功能,利用每一单个LED特定光束输出角度和不同的光强输出以及安装方向的合理设计和灯具反射器的作用,实现三次配光,最大限度地利用LED的直射光和定向性来保持LED发射光的充分利用,保持道路照明的均匀性,以此来防止局部区域的过度照明,弥补自身发光效率的不足,使系统效率得到可观的提高,在次干道上可取得在照度满足标准要求的前提下,其单位面积的照明能耗比采用高压钠灯的灯具节能约30%的成绩。但LED就现在的能效水平以及输出光强水平,作为商业应用在主干道路作为主照明,尚有不少差距。另外,采用LED作为光源的道路灯具,在设计时应在满足IP防护的前提下,保证散热的可靠和持续有效,LED驱动电路应具有高效率且完善的EMI和EMS的防护特性。具备这些特点的LED道路灯具不仅照明功率密度(LPD)指标好,而且具有输出光无频闪的优点,这对于运动物的照明是十分有益的。

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