LED路灯大规模应用障碍分析

lsnzcm
发布于 2012-04-24 #户外照明及亮化直接看回复推送文章

本帖最后由 lsnzcm 于 2012-4-25 09:22 编辑

LED路灯大规模应用障碍分析廖仕念2012.4.24发光级LED面世时间已久，然照明级LED的应用也不过是近几年才悄然起步，有关LED应用于照明方面的资料网络上已经非常多，在此就不别叙述。道路照明的LED路灯使用在节能减排的同时还能减少意确保道路照明能为各种车辆的驾驶员及行人创造良好的视环境，保障交通安全，提高交通运输效率，方便人民生活，降低犯罪。下面就结合自己的经验，谈谈LED路灯目前为何还不能大规模应用于市场方面的一点看法。业内人士所关心的LED路灯技术问题，包括外延片及芯片技术、配光设计、散热设计、电源驱动设计、可维护性设计、防风承重冰雪等多方面因素的结构设计，从而使整个系统均衡协调，提高光效、提高寿命、提高稳定性可靠性。①外延片及芯片技术主要包括芯片结构电流扩展、出光效率等，旨在如何解决LED散热、如何降低LED热阻、提升LED光效，增加LED可靠性及平衡质量与成本等问题。总体来讲严格按照IES LM80测试后LED才能能够满足能源之星流明维持要求，并减少能源之星的认证时间。国际上包括台湾、日本、韩国、美国等，他们LED的研发速度非常惊人，本月12日CREE宣布他们的白光功率型LED光效再度刷新行业最高纪录，达到254 lm/W。据美国能源部的预测，白光LED封装的流明成本将从2009年的25美元/klm,下降到2015年的2美元/KLM，平均每年的成本下降在30%以上，相信每1美元/KLM的LED很快就能实现。②有了合适的光源接下来就是灯具配光。LED独特的出光指向性，改便了传统荧光灯、钠灯等360度的现象，那么我们真正在照明方面能利用的大多处于50%内的光线也就是90度内的光强。路灯灯具配光就是将90度包括90度到180度的光线集中到有效利用区（公路车道）内。为了满足路面亮度和照度要求，路灯的光强输出曲线沿着道路方向必须是“蝙蝠翼”型的，只有这种长方形的配光才能达到路面亮度纵向均匀度及路面照度均匀度的要求。因此LED照明技术对一次光学设计，二次光学设计，对光学材料提出了很高的要求，对透光率，照射角，配光特性的精确设计是LED光学涉及的主要方面。注“蝙蝠翼配光指的是路灯光源在极点型配光曲线90—270度方向中的配光图形，蝙蝠翼配光指的是光源在45度方向的光强比较强，且国标要求45度方向的光强是90度方向光强的3倍，因此形成蝙蝠翼配光曲线。”

③散热设计。LED属于电子发光器件其理论寿命的确是约十万小时，但前提是热量的散发必须充分，PN结的结温必需控制在正常工作温度下。依据阿雷纽斯法则温度每降低10度寿命会延长2倍，还有美国贝尔实验室结论温度每升高10度LED光衰增加50%。当输入一定功率时，LED根据电流注入效率、发光量子效率、出光效率等，大概最终仅有30-40％的输入电能转化为光能，剩余部分将以非辐射形式转化热能，可以这么说散热问题就是LED的软肋。散热不良将会造成LED的PN结热量难以及时散发，芯片热量的积累，温升，将造成光衰，色偏，寿命缩短，甚至失效。LED路灯使用的特殊性，在纵方向车辆经过带动空气流动，在设计时就必须保证空气在Y方向上畅通，X方向设计上靠自然对流和Y方向空气流动与散热片产生的切角带动散热。通过icepak做散热模拟，为保证灯具寿命，路灯产品建议选择1W大功率而不选择集成光源来制作灯具，这是由热烟囱效应决定的，热量面积越集中烟囱越高，热量面积越平烟囱越低散热效果越好。

④电源驱动设计。做灯具和电源的企业朋友都知道，LED在保证良好热设计的前提下，LED灯具可有10万小时左右的寿命，那么目前真正困扰我们也就是决定LED灯具寿命的关键部件就是驱动，目前路灯主打电源有深圳茂硕、杭州英飞特、台湾明纬等企业。一般来讲评价LED路灯电源好坏的一个可靠性指标MTBF即平均无故障时间，英文全称是“Mean Time Between Failure”。是衡量一个产品（尤其是电器产品）的可靠性指标。单位为“小时”。它反映了产品的时间质量，是体现产品在规定时间内保持功能的一种能力。具体来说，是指相邻两次故障之间的平均工作时间，也称为平均故障间隔。它仅适用于可维修产品。同时也规定产品在总的使用阶段累计工作时间与故障次数的比值为MTBF。电源对路灯来说其重要性不言而喻。影响电源寿命的因素很多，如负载大小、振动和周边的环境温度等。其中，环境温度很重要，所以选择合适的散热装置对改善灯具寿命至关重要。电源MTBF在很大程度上是由其内部的电解电容器MTBF值所决定的，随着温度的上升，电容器的寿命急剧缩短，所以电源供应器的工作温度如能得到降低，其寿命就会更长一些，温度对寿命的影响见“③散热设计”。总体来讲电源模块的功率器件最理想的是将其与外壳导通。判别一只电源好坏可以参考如下：关键部件模块化设计（方便维护）；电源要稳定（相同功率的电源，变压器大的要好一点）；电源要提供过流和过压保护功能；要有LED温度检测和高温保护功能，当LED等的温度过高时要自动降低电流，把温度控制在LED灯的安全范围以内；电源要提供软启动功能，也就是通电瞬间流过LED的电流要由零逐渐增大到额定值。在功能性方面在着重关注路灯电源的电池EMC、雷击浪涌、静电、干扰等因素。⑤结构设计。与结构相关的设计包括散热设计、光学设计、可维护性设计、防护性设计等。a最为关键的是整个灯具设计要“化整为零”，做到每一个照明模块完全独立同时考虑蚊虫、冰雪、尘埃等对灯具影响；b向客人或路灯所推销我们的LED路灯时，一般会碰到与结构相关的问题，比如一灯具较重担心安全问题、二电源如果有损坏更换不方便、三光源部分损坏维护不方便。这几个问题最关键的是LED路灯不像传统路灯那样整流器与灯头接口全世界都是统一的标准，那么我们最少要保证自己公司的LED路灯产品为标准件而不是单纯去追求产品外形而将公司LED路灯产品线拉得很长很长。设计时可以参考以下几点建议方案一、光源部分与驱动部分严格独立分开；二、光源部分可以以一定比例做成独立模块，比方说可以是28W、30W之类功率的模块，依据客户对道路不同可以加装不同数量模块；三、驱动部分按28W或30W的光源模块为基础设计相应的电源模块。按以上方式生产灯具可以减少公司相应的库存压力，平常只需要生产光源模块、驱动模块，在接到订单时只需要按订单要求组装相应的光源模块和电源模块而不是按普通的生产程序进行，这样可以缩短出货周期，提高成品LED路灯良率。所有的设计都按免工具维护方式进行，同时兼顾电源自身带散热片与光源模块形成产品整体造型。设计参考：光源模块：3个圆孔为安装；最上端圆孔位置增加过线槽并用子母扣固定

灯具免维护设计可以参照“拳击手”路灯设计思想

⑥以上讲了光源、散热、驱动、机械这几方面的问题，归纳起来主要是如何降低产品生产成本、节约维护成本、灯具满足UL、CCC、节能认证、能源之星及各种试验室认证等，当然也包括知识产权方面。做为一盏合格的LED路灯就必须全盘考虑，才能称得上合格。目前LED路灯在机械及光源、驱动更换方面的解决方案都没有办法与传统路灯相比，是造成了LED路灯无法大规格推广的最大障碍；同时在黄光方面任然光通量较低，还没有办法在道路照明方面得到较理想应用，大多路灯所都不愿意接受穿透力较弱的白光灯具而带来交通事故发生。当然LED路灯也有很多优点，比如节能；通过线路限流可以很好地实现照明控制；运用网络IP协议可以很好地实现数字化路灯监控，达到精确点控制、统一管理、节能、保证照度均匀、降低维护成本等。说明：以上内容所述信息为知识产权，相关技术已经申报了发明专利及实用新型专利。如有应用请联系本人或者需要修改后方可使用，谢谢！