LED路灯的研发特色与创新一、LED路灯发展概况LED作为路灯应用主要有以下特点：发光效率高，灯具反射损失低，节省能源;配合数字控制亮度功能，更省电;低压，安全性高;配合软件可由远程遥控;事故、多雾、雨天等特殊情况能提供高亮、高显色性的照明;无多余配线，安装维护简便;不会造成光污染或浪费;长寿命，不需要经常进行更换，减少了交通中断的潜在性，降低了为此维修的费用。有人计算过，在铺设成本、耗电成本及寿命方面均大大优于高压钠灯。 但是，由于我国多年来产业结构所造成的局面，使目前生产LED照明的企业缺乏对传统照明灯具基本知识和要求的了解，而传统照明灯具的生产企业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，造成了在LED应用到照明装置中时，产生很多不合理的设计。目前LED路灯的开发和使用最普遍的形式有两类：一类是采用传统的路灯外壳，只在灯具内一个几乎是平板的反光面上，装上了矩阵式的LED，这种方式是不可能得到良好的灯具配光的;另一类是把多个LED集成在一个小圆形的区域内，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，这种设计方式的光度分布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的散热情况不良，影响到LED的发光效率和使用寿命。为了做得更好，台湾和国外的一些厂家已经在LED道路灯具设计中尽可能地利用LED的特性，尽量使LED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，要真正做到符合标准的照度和均匀度要求，灯具内应包含三次配光的功能才能较好地实现。LED支架(或基板)自带反射器的碗杯本身就具有良好的一次配光功能;而在灯具内，根据路面高度和宽度，重新在支架(或基板)上匹配科学的透镜就能实现良好的二次配光功能;另外，还要根据各灯的间距和路面的其他情况在灯头安装LED位置和利用灯具反光器作为辅助的三次配光手段，以保证道路更好均匀度、照度。二、LED 路灯发展趋势目前我国各级政府都大力推行节能减排，LED路灯已被国家提出了技术标准《道路照明灯具节能认证技术要求》。该标准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均匀度的前提下尽可能地降低照明功率密度，从而达到节能的目的。加拿大、美国等政府也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。因此，在以后LED路灯的设计研发中，可在采用基本设定每一个LED发光单元固定出光分布反射的前提下，把每一个LED发光单元用万向节固定在灯具上，或将LED单元分布在灯头的各个位置。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或LED单元安装位置，使每一个LED单元的照射方向都达到预定的效果。在确定每一个LED单元的功率、光束输出角度时，可根据光强和照度距离平方反比定律【E(lx)=I(cd)/D(㎡)】计算出各LED单元在基本选定光束输出角度时应该具备的功率，还可以通过调整各LED单元的功率以及各LED单元驱动电路输出，给每一个LED单元不同的功率，使其光输出达到预计值。这些调整手段都是采用LED为光源的路灯所必须具有的，只有充分利用这些特点，方能在满足道路路面的照度和均匀度的前提下降低照明功率的密度，达到节能的目的。在LED路灯的研发使用中，应充分发挥其具有定向光输出的功能，利用每一单个LED单元特定的光输出角度和不同的光强输出，以及每个单元安装方向的合理设计和灯具反射器或透镜的作用，来实现三次配光系统的科学组合，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。另外，采用LED作为光源的道路灯具，在研发设计和应用时还应在满足IP防护的前提下，保证散热的持续有效和可靠，LED驱动电路应具有高效率且完善的EMI和EMS的防护特性。同样，太阳能作为地球上真正取之不尽的清洁能源，将是21世纪最理想的绿色新能源。LED照明和太阳能发电的最大特点都是环保、节能、长寿命、安全。因此，太阳能发电和半导体照明相结合完成光电到电光的转换，是最佳的组合。两者的结合不需要逆变器将太阳能(PV)电池产生的直流电转化为交流电，因此大大提高了整个照明系统的效率。目前，产品发展趋势主要集中在LED太阳能路灯，国内已有多家企业开发出以1WLED为单元的50W～120W LED模组，一旦能够实现真正意义上的商品化生产，将会产生极大的经济效益和社会效益。三、研究的目的目前，LED照明离通用照明的要求还有一定的距离，还只能用于一些特殊的场合，还没真正普及到通用的照明领域，尚有诸多技术与成本问题急需解决。1、灯具系统的热量管理LED之所以被称为冷光源，是因为其是由电子直接转化为光子，不需要多次转化而有热的过程。但由于光子不能全效反射出和焦耳热的存在，LED在发光的同时也有热量伴随。尤其是大功率和多个LED应用的场合，热量积少成多的问题不容忽视，LED不同于传统照明光源，过高的温度会缩短甚至终止其寿命。LED还是温度敏感器件，当温度上升时，其效率会急剧下降，所以系统结构设计及散热技术开发也是LED应用需要面对的课题。强制空气冷却是不可取的，所以随着输入电功率的提高，散热片和其它增强自然对流冷却的方法就在 LED 灯和光源设计中发挥日益重要的作用。2、提高显色性作为照明，LED需要有接近太阳光一样的质量，所以白光LED是半导体照明技术的重要指标。目前白光LED大多采用蓝光LED管芯和发黄光的钇铝石榴石(YAG)荧光粉复合而成，由于其发光光谱中仅含蓝、黄这两个波谱，因此存在色温偏高、显色指数偏低的问题，未能完全符合普通照明要求。人眼对色差的敏感性大大高于对光强弱的敏感性，就照明而言，光源的显色性往往比发光效率更重要。可见，加入适量发红光的荧光粉并能保持较高发光效率是LED白光照明中的一个重要的课题。3、灯具系统的二次光学设计传统灯具长期以白炽灯、荧光灯光源为参照物来决定灯具的光学和形状，因此LED灯具系统应考虑摒弃传统灯具加上LED发光模块的组装方式，充分考虑其光学特性，为LED光源专门设计不同的灯具。光学系统设计的内容主要包括以下三个方面：1)、根据照明对象、光通量的需求，决定光学系统的形状、LED单元的数目和功率的大小。2)、将若干个LED单元组合设计成点光源、环形光源或面光源的“二次光源”，根据组合成的二次光源，计算照明光学系统。3)、构成照明光学系统设计的“二次光源”上的每个单元LED配光分布控制十分重要。由于LED单元发出的光束集中，更易于控制，且不需要高标准的反射器聚光，有利于减少灯具的深度。例如，利用平面镜光学系统，可以只用1～2个LED单元就可照亮很大的表面，而灯具深度很薄;再利用光导技术，LED直接装于光导管旁，可大大减少光源及其它组件占用的体积，制成超薄的灯具。4、电源、电路与灯具的集成电源、电路与灯具的集成，为LED 设计灯具需要注意一个灯具设计师很少关注的问题，那就是电源。大多数白炽灯直接由交流电线供电，荧光灯使用镇流器来完成电源的功能，因此不需要电源。但LED需要专门的电源与驱动电路与其配套，在灯具设计的时候应充分考虑电源与灯具系统集成。5、系统一致可靠性由于LED照明功率大，需由多个芯片组成，芯片参数离散性也是一个技术问题。除了通过预选、分类，尽量保证一致性以外，还必须设计合理的灯具结构(包括LED芯片的排列、基板材料)，防止偶尔产生的能量集中而导致部分LED烧毁。6、光效、价格问题想要提高LED的发光效率，上游企业最主要的方法是改进LED芯片的材料、结构和制造工艺。这部分工作需要扎实的理论基础和先进的设备，欲想较快突破这方面关键技术工作不易。即使当前芯片发光效率不低、性能良好，要使芯片封装成照明成品，而又能充分体现芯片的良好性能和光效。那也需要下游封装应用的企业从封装的辅料、设备、工艺等流程加以优化和改进，使效率提高。目前，好芯片和白光的技术掌握在少部分国家和地区手里，而国内研发的LED灯具工艺复杂落后，致使生产成本偏高，成为制约产品大面积推广的瓶颈。当前LED路灯也存在着发光效率还不够的问题，再加上地面对LED光的反射率低，节能优势还没有充分发挥出来。由于路面及周边物体对其反射率低的白光LED光谱特征，以及路面的亮度相对较低，这是它的一个弱点。因此，在提高散热效率、驱动控制系统优化、配光设计方面还有非常大的提升空间，还有大量的研发工作需要我们深入开展。LED灯具的寿命可长达10万小时，按照每天使用10个小时来计算，理论上有25年免维修的保障;LED光源本身光效提升空间大(大约每经过18个月性能就翻番，而价格会下降一半，这就是著名的Haitz定律，也被称为LED行业的摩尔定律); LED光源系统易维护，总体运行成本低。调光时低到零输出，可以组合出成千上万种光色，而发光面积可以很小，能制作成1平方毫米，经过二次光学设计，照明灯具也可达到理想的光强分布。以上诸多优点，为开发研究LED照明技术与灯具应用带来许多希望，也使得LED路灯的市场前景被广泛看好。近一两年来，国内外均已出现大量LED路灯的应用案例。虽然开展新型LED灯具研发当前还存在一系列问题需要解决，但是包括国星公司在内的前沿企业却审时度势、积极行动。从改变LED光源封装技术中的基板支架、单体功率、二次光学系统设计、内部线路设计、散热结构、自动固晶和焊线工艺、自动点荧光粉工艺以及交直流驱动系统出发，潜心研究，开发和完善了大功率新型LED封装技术和应用灯具。在应用研究中，主要倾向于LED路灯的研究。研究的目的为社会提供一种低成本、结构紧凑美观、工艺简单易掌握、散热结构合理、能有效提高LED的功率、增加光照度、光效可达80～120LM、配光合理、能满足多种场合的照明需要、可代替传统光源的大功率LED封装技术和应用灯具产品，以及形成LED路灯示范工程，使大功率LED照明真正成为21世纪的绿色光源，走进千家万户，代替所有的传统光源。四、本项目具体研究开发内容1、新型LED封装技术的研究内容包括：(1)基板支架材料的选择和制造研究(2)二次光学系统的设计研究LED光源为满足不同灯具对光通量的要求，需很多LED芯片组成特殊形状的图案排列固定在基板支架上，为了提高光源的出光率、达到较好的配光性能，要专门设计基板支架的反光杯的初次出光和聚光透镜可合理搭配的二次光学系统，此配光设计不但可以对LED的发光角度进行修正和改变，而且还减少了光损失，提高了光效率和均匀性。这样才能使LED在任何环境下应用。(3)生产工艺的优化和改进研究为了保证产品品质的稳定性，公司采购了最先进、性能优越的自动点荧光粉设备(日本)、自动固晶设备(台湾)、自动焊线设备(美国)，并进行优化和工艺改进，还针对特款产品设计定制了夹具，以确保高性能、低成本生产。(4)荧光粉的配比和涂敷工艺研究(5)单体大功率LED光源散热结构系统的改进研究2、 LED路灯的研究(1) LED路灯的散热工况和IP防护的研究LED路灯工作的散热不仅关系到路灯实际工作时的发光效率，而且还关系到路灯的使用寿命。由于路灯的工作环境是户外，还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必须解决的问题是路灯具设计时亟需关注的，这也是国内把LED应用于道路灯具中时出现不合格的重要原因之一。LED路灯目前在国内使用中出现的不合格情况主要有：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或以上等级，无法满足GB7000.5/IEC6598-2-3 标准的要求。2)采用普通的路灯灯具外壳，光源用矩阵式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℃，在如此工作状态下，LED的光效是不可能高的，使用寿命也将大打折扣。3)在灯具内采用了风扇对LED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，这种设计如做得好，是能顺利通过试验、检测的，有企业采用了这种设计思路，其产品的还通过了VDE的IP65试验。该方案不仅解决了LED的散热问题，同时还满足了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，这类灯具在一般条件下使用一段时间后，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。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：A、在关键的散热位置，采用高导热材料，好的导热材料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。B、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)联合开发先进的交直流驱动结合太阳能应用的控制系统研究我们和南京化工职业技术学院、常州工学院联合开发生产了LED路灯、灯泡用的交直驱动和结合太阳能应用的控制系统。本驱动系统不但转化效率高达85%-95%，还保证了LED光源工作的稳定性和安全性，而且能直接放在LED灯具里，使安装使用变得简单化。(3)LED路灯驱动电路的效率和输出特性的研究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。(4)户外照明灯具中电子驱动电路的防雷电感应研究目前我国采用电子驱动电路的LED灯具，在户外使用时，威胁其可靠性的一个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，架空的路灯供电线路可良好的接受无线电波。两根电源线共同接收闪电的无线电波，对驱动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。(5)优化和完善其应用产品各种辅件的散热体性能和光学系统研究通过对现有路灯、工矿灯、投射灯等灯头、灯泡散热体的测试、分析、对比，提出更科学的设计，改进了其散热性能，更保证了LED光源的优势(高光效、长寿命)的发挥。以及和LED光源组合应用时的三次光学修正系统。增加了其更佳配光性能，符合各种灯具的光照分布要求。(6)LED光源和应用产品的光、电性能和其他综合性能的研究研究LED光源和应用产品的光通量、光效率、色温、显色性、配光曲线、均匀度、光照度、光衰减等;研究LED和应用产品的正向电压、电流、漏电、额定功率、驱动的转化效率等，还研究LED和应用产品的防护性能、寿命、安全性能、老化、抗冲击、冷热、盐雾、芯片的结温、散热体的温度、系统的热阻等。五、项目的特色和创新之处：1、项目的LED封装技术特色(1) 该技术能单体封装出5W～120WLED，且光效可达80～120LM。(2)该技术封装出的LED可直接单独使用，不须附加二次散热。(3)LED牢固小巧、防护等级高、安装方便、散热性能优越。(4)LED显色性高，光斑柔和、均匀度好，无眩光。2、项目LED路灯特色(1)外观轻薄。有效降低风阻与重量，减轻灯杆的负荷，增强安全系数。(2)无不良眩光。消除普通大功率LED路灯的不良眩光所引起的刺眼、视觉疲劳与视线干扰，提高驾驶的安全性。(3)没有光污染。光分布专为道路照明设计，除照亮道路本身，对周围环境没有光污染。(4)无高压，不吸灰尘。消除了普通大功率LED路灯因高压吸收灰尘导致灯罩发黑引起的亮度降低。(5)采用高级镀膜透镜,不会老化发黄。消除了普通大功率LED路灯因高温烘烤长时间使用灯罩老化发黄引起的亮度降低和寿命的缩短。(6)显色指数高，显色性好。对颜色的呈现更真实，更鲜艳，辨识性佳。(7)低热低电压下工作，安全可靠。LED结温控制在理想的温度下(TJ<60℃，环境温度Ta=25℃时)。(8)与太阳能结合，充分发挥大功率LED路灯低压工作与节能环保的优点。根据当地太阳能资源状况，还可将市电与太阳能供电相结合，为客户实现最佳性价比和高可靠性。3、LED封装的创新(1)基板支架、导热拄、散热体紧结合，保证了芯片工作时产生的热量迅速散失出去，使5W～120W的LED单体封装成为现实。(2)把二次光学系统和散热体、支架有机的结合，可根据使用环境的不同而方便调整配光分布、增加光效，单独使用。(3)荧光粉、激发粉以及硅胶配比使用和特殊工艺的涂敷，不但能提高光效而且可增加出光的均匀度和显色性。(4)能全部用自动化机器批量生产此LED，提高了品质和降低了成本，有利于量化生产和推广。4、LED路灯的创新(1)革命性的配光设计世界首创路灯专用光学系统(椭圆光斑透镜)。(2)独特的透镜与灯罩一体化设计。(3)首创散热器与灯壳一体化设计。(4)独特创新的单元模块化一体设计，可任意组合成不同功率及亮度需求的产品。每个模块是一个独立的光源且可互换，局部故障不影响整个灯具的正常工作，方便拆卸及维护，节约维护成本，使维护工作变得非常轻松。 |
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