LED路灯的灯具及散热设计优化

2023-06-15 历史故事版权反馈

【摘要】：目前LED路灯主要采用热管散热和自然散热两种方式。此外，不管由于何种原因造成LED路灯失效，其修理也较复杂，需要熟练的专业技术人员。LED路灯应用于户外较恶劣的环境中，所以LED可能因突发情况而温度飙升，对LED路灯系统造成严重损坏。而LED路灯的光源由许多个LED组成，通过设计每个LED的投射方向，使受照路面获得均匀的照度。为满足上述要求，对LED路灯的配光形状应有严格的要求。

照明的能效是光源和灯具两方面的结果，其结构包括控制系统、电源、其他电子结构、光学因素等。LED路灯主要是为了照亮路面，因而属于局部照明。LED路灯与LED车灯、LED电筒等产品的光照要求不同，LED路灯光束要求有一定的范围，不同特性的LED管配用不同曲光度的透镜，互换性不好。

为解决这个问题，光源室采用内置导光多角度平面合理组合的方法，适用于不同LED管（不同LED管，发射角不同，只要选择不同的导光面安装LED模块即可改变出光角度）。另外，其出光是规则的长方形照射面，照射面更宽，而且亮度增大，故路面照射均匀。LED路灯主要参数见表5-5。

表5-5 LED路灯的主要参数

（续）

1.LED路灯的散热设计

LED的效率受散热和光学设计的影响很大，因此LED灯具的设计较重要。要保证必要的光输出和LED的使用寿命，应特别关注LED的散热管理，尤其要求将灯具的外壳作为一个散热器，或者至少作为一个热传递设计的环节。目前LED路灯主要采用热管散热和自然散热两种方式。

（1）热管散热

热管技术广泛用于微处理器的散热，效率高，但需配带热管和运动介质，还需要配合灯具结构进行弯、压加工，制作和安装复杂，比较适合集成LED模组光源中使用，如50W、100W甚至更大功率的集成LED。由于在热管中加有运动介质，所以一旦介质泄漏即造成整个热管系统失效，而导致LED结温急剧上升。此外，不管由于何种原因造成LED路灯失效，其修理也较复杂，需要熟练的专业技术人员。

热管散热主要将LED芯片焊接在黄铜上，经过铝合金（散热器）进行自然散热。现在也有相关的企业设计生产，主要由LED透镜、散热器、集成光源、电源盒组成。灯体结构方面，采用铝合金整体压铸，在保证散热面积的前提下，减少接触面，降低热阻，增强导热性能，使芯片发出的热量能迅速传递到各散热面上；结合空气对流原理，设计辐射状散热结构，通过热空气上升、灯具下方冷空气补充，形成对流，使导出的热量能迅速逐级散发，提高散热效率。

（2）自然散热

自然散热是目前LED路灯比较常见的散热方式，具有制作简单、性能可靠、成本低廉的特点，但效率较低。

LED路灯应用于户外较恶劣的环境中，所以LED可能因突发情况而温度飙升，对LED路灯系统造成严重损坏。因此需要LED驱动方案，可探测LED的温度；如发现LED温度过高，则能够做出自动反馈，降低LED的电流，以免对LED造成损坏。

此外，充分降低各节点之间的热阻，以及高效驱动电路的设计和合理安装也是非常重要的。总之，大功率LED路灯的散热是一个系统工程，需要经过设计、试验和检测三个步骤，才能做到真正的科学与合理。

目前，LED热阻大约在8℃/W左右，随着电光转换效率的不断提高，LED热阻也将会继续下降，从而大大降低了采用自然散热路灯的设计难度。由于LED综合性能的不断提高及精心科学的设计，自然散热方式真正体现出了制造方便、价格低廉、性能可靠的优势，也必将是未来LED路灯散热的主流方式。

2.LED灯具结构的设计

（1）LED灯具的组成

LED路灯按其部件组成可以分为：铝合金压铸灯体、LED模组、钢化玻璃透光罩、AC/DC恒流驱动器和电气室盖板5部分组成，如图5-6所示。

图5-6 灯具的组成

如若按其功能结构，可以分为散热灯体、光源室、电器室等3部分，如图5-7所示。

图5-7 灯具功能结构

（2）LED路灯的配光形状

LED路灯和使用传统光源路灯的光学设计方式是不同的，传统光源路灯是通过使用反射器将一个光源的光通量平均分配到受照路面上。而LED路灯的光源由许多个LED组成，通过设计每个LED的投射方向，使受照路面获得均匀的照度。

LED路灯普遍应用在次干道和支路上，次干道的照度要求达到15lx，照度均匀度为0.4，平均亮度要求达到1.0cd/m²，亮度总均匀度为0.4，亮度纵向均匀度为0.5，阈值增量≤10。LED路灯在照明质量达到以上要求的同时，照明功率密度应小于国家标准的规定值，当车道数不少于4条时，照明功率密度小于或等于0.70；车道数小于4条时，照明功率密度小于或等于0.85。

为满足上述要求，对LED路灯的配光形状应有严格的要求。在道路的纵向，光束应投射到较远的地方，使得灯具的间距增大。在路灯的下方，光强应是最小的，随着仰角γ增大，光强I′增大。当I′和γ满足一定的函数关系时，路面能得到均匀的照度。此函数关系如下：

I₀＝I′cos³γ （5-6）

式（5-6）中参数的含义如图5-8所示。

由于光学设计的复杂性，配光形状难以完全符合此函数关系，可以通过减小γ角的投射范围和灯间距来得到均匀的照度。在道路纵向，最大光强的投射方向与马路中线应成一定的角度c，角度c的大小决定于道路的宽度，如图5-9所示。

图5-8 路灯下光强分布图

图5-9 路灯下光强道路纵向分布角

图5-10 角度范围决定于道路的宽度（c＝90°）和人行道的位置（c＝270°）

在垂直于道路的方向上，路灯的配光曲线形状也可以按这个函数关系设计，γ角的范围决定于道路的宽度（c＝90°）和人行道的位置（c＝270°），如图5-10所示。

LED光源具有半空间发光的特点，在灯具内使用时，LED光源光通量的损失比高压钠灯和金属卤物灯小。就目前来讲，LED光源的光效达不到高压钠灯或金属卤物灯的水平，即相同功率的LED光源的光通量没有高强度气体放电灯高。但是，由于LED光源半空间发光的特点，LED灯具的光通量输出可以接近于高强度气体放电灯的水平。当LED路灯将光线照射到路面上时，光线的投射方向只存在半个空间。高强度气体放电灯的发光空间占据了整个空间。如果没有灯具，光源的上半空间光线将全部被浪费。使用灯具反射器可以将上半空间的光线反射到下半空间内，但反射器对光线的吸收作用、光线反射时受到光源自身的遮挡而转换成热能以及反射器对光线二次反射的再吸收会损失光源的一部分光。

灯具效率是反映光源光线损失程度的参数。从小功率高压钠灯（70～150W）的光度性能状况来看，灯具效率一般处于65%～75%的水平。以100W高压钠灯为例，光源的光通量达到8000lm，路灯的光通量输出为5200～6000lm。LED光源在这方面是具有优势的，LED的发光只存在于半个空间，在不用灯具的情况下也能将光线100%投射到路面。对灯具需要设计的是在较小的角度范围内改变光线的投射方向，在这个过程中光的损失是微小的。

目前，LED路灯的光效达到了40～50lm/W。以100W的LED路灯为例，灯具的光通量输出可以达到4000～5000lm。

LED作为路灯主要有以下优点或特点：发光效率高，灯具反射损失少，节省能源70%；配合数字控制亮度功能，更省电；不需高压，安全性高；配合软件可由远程自动遥控亮度；可在事故、多雾、雨天等特殊情况下提供超高亮度及显色性高的照明光源；安装、维护简便；模块安装，无多余配线；不会造成光污染或浪费；寿命长，意味着不需要经常进行更换，从而减少了交通中断的潜在性，降低了为此支付的维修费用。有人计算过，采用LED路灯除了单灯成本及最初安装的造价比高压钠灯高外，在铺设成本、耗电成本及寿命方面均大大优于高压钠灯。

LED路灯的灯具及散热设计优化

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