LED路灯设计和实现-用于城市照明-图文(精).doc

第25卷第6期2006年12月天津工业大学学报J O URNAL O F T I ANJ I N P OLY TECHN I C UN I VERS I T Y Vol . 25No . 6Dece mber 2006LE D 路灯设计和实现3郭一翔, 牛萍娟, 毛博年(天津工业大学信息与通讯工程学院, 天津300160摘要:提出了LE D 路灯的一种设计方案, 分别从光源设计、驱动电路设计和散热设计3LE D 路灯设计中应遵循的原则和注意的问题. 该方案提高了LE D 路灯发光的稳定性, , 用寿命. 并通过制作LE D .关键词:LE D; 灯具; 光源中图分类号:T M923. 34文献标识码:A 203rea on L ED street l am pG 2xiang, N I U Ping 2juan, MAO Bo 2nian(and Communicati on Engineering, Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300160, China Abstract :A design p r oposal of LE D street lamp is intr oduced . The rules that should be conf or med t o and the matters thatshould be paid attenti on t o are exp lained thr ough three as pects such as phot os ource design, drive circuit design and radiating design . This p r oposal i m p r oves the stability and col or te mperature of the LE D street la mp, and p r ol ongs its service life . The correctness of the p r oposal is validated thr ough making an LE D street light phot o s ource .Key words :LE D; lamp; phot os ourceLED 是英文L ight Em itting D i ode 的缩写, 译为发光二极管, 属于固态光源. LED 的应用已有较悠久的历史, 以前主要应用在各种电子设备的指示灯、大屏幕显示器、信号灯和液晶屏幕背光源等领域. 近些年来, 随着GaP 、Ga N 系2V 族化合物半导体的结晶成长工艺技术及纳米技术的进步, LED 的光效和大功率集成技术都有了很大的提高, LE D 已经开始在照明领域里初步应用, 出现了LED 路灯、LED 矿灯、LED 应急灯、LED 车灯、LE D 景观灯等多种以大功率LED 为光源的照明灯具. 笔者的目标是设计一种路灯光源, 采用大功率LED 作为光源, 光源总的光通量达到400l m ; 发出的光显色性好, 并且属于暖色调光; 使用寿命达到20000h 以上.1光源设计传统照明光源主要有3大类:白炽灯、荧光灯和稀有气体放电灯. 与这些光源相比, LE D 光源光效比较高, 使用寿命长, 采用安全电压供电, 不含有毒重金属,显色指数高, 而且属于新型光源, 发展潜力巨大, 是未来传统光源理想的替代品. 表1为几种照明光源的性能比较.表1几种照明光源的性能指标Tab . 1Co m par ison of co mm on photosources 测试项目白炽灯荧光灯高压汞灯高压钠灯LED 发光效率/(l m W -116705010050寿命/kh28106202450显色指数9575452385成本/(kl m -10. 41. 55520驱动电路简单价格低中价格低复杂价格高复杂价格高中价格低安全性一般一般差差高可靠性差差一般一般高亮度可调性好差好好好方向性差差差差好环保性一般汞污染汞污染汞污染好注:白炽灯发光效率为30W 的数据.3收稿日期:2006-03-06基金项目:天津工业大学校级基金项目作者简介:郭一翔(1979 , 男, 河北省廊坊市人, 硕士研究生; 牛萍娟(1973 , 女, 河北省石家庄市人, 副教授, 导师. 通常的路灯一般采用两种光源, 荧光灯和高压钠灯. 高压钠灯发出的光色温低, 属于暖色调, 但显色性差; 荧光灯发出的光显色性好, 但色温高, 属于冷色调光. 这两种类型的光源均无法满足本设计方案中对光源发光的色温和显色性的要求. 而LE D 根据种类的不同可以发出不同色温的光, 所以选择不同种类的LE D 进行混光, 可以获得显色性好的暖色调光. 采用白色和琥珀色的1W 功率型LE D 按照表2所示比例进行混合, 作为路灯光源. 通过计算, 混合后的光源发出色温为3700K 的暖白光, 显色性大于85, 最低光通量为407l m , 达到了设计方案中对光源的要求.表2L D 2M i a l of D颜色/l m /l m 指数色温/K混合量/个混合色温/K白色267. 00401. 24580093700琥珀色140. 00402. 4230073700注:光衰指数指T j =802驱动方案设计 LE D 是一种半导体产品, 需用低压直流来驱动. 驱动一般采用两种方式:恒压驱动方式或恒流驱动方式. 恒压的驱动方式相对简单, 以前LED 光源多采用恒压方式. 图1是LED 的电压和电流的关系图, 电压和电流近似成指数关系; 图2是LED 的电流和它的相对光通量的关系, 电流和光通量近似成正比关系1.图1白色L E D 的伏安特性F i g . 1Forward curren t vs forward volt age for wh ite L E D可以推出, LE D 的电压和它的相对光通量也近似成指数关系. 如果采用恒压驱动方式, 驱动电压轻微的扰动都会造成相对光通量大幅度的改变; 而采用恒流方式驱动的LE D 受驱动电流的扰动的影响要小得多. 因此, 本方案选择恒流的驱动方式.图2(T j =25forwardwh ite能提供大功率LE D 恒流驱动的芯片很多, 台湾MACROBLOCK 公司生产的LE D 驱动芯片MB I 1802驱动能力强, 效率高, 并提供过温保护的功能. 因此, 选择此芯片作为本方案中LED 的驱动芯片, 驱动电路原理图如图3所示.图3光源的驱动电路原理图F i g . 3Sche ma ti c d i a gram of dr i ve c i rcu itof photosources3散热设计LED 发光芯片受温度影响大, 图4显示了LE D 发光芯片的结合点温度和LED 的出光量间的关系, 两者成反比1; LE D 发光产生的热量主要由安装在LE D 上的散热片传导出去, LED 结合点温度和散热片的温度是线性关系. 图5显示了LED 点亮后散热片温度和LED 光衰程度的关系2, 可以看出, 散热片温度越高, LED 光衰越大. 因此, 散热设计对LED 光源的性能起着至关重要的作用, 良好的散热设计可以大幅度地延长LED 的使用寿命.24天津工业大学学报第25卷 图4相对光输出与结合点温度F i g . 4Rel a ti ve li ght output vs juncti on te m pera turefor wh ite and am ber图5恒流350mA 、散热片不同温度时L E D的相对光输出F i g . 5Rel a ti ve li ght output of a L E D a t 350mA andvar i ous slug te m pera tures光源采用了16颗1. 09W 的LE D , 所以光源总的耗散功率约为17. 44W , 这16颗LED 以25mm 的间距均匀分布在总面积为100c m 2的金属印刷电路板(MCPCB 上. 设计LE D 结合点温度T JH 的上限为80, 环境最高温度T HJ 设为35. 结合点温度和环境温度的关系如下:T JH =T HJ +P G R JH -HJ (1 式中, P G 为光源的功率; R JH -HJ 为结合点和环境之间的电阻. 根据公式(1 , 要使LE D 结合点温度小于80, R JH -HJ 的最大值为2. 58/W, 单个LED 光源的结构如图6所示3, 所以, 从LE D 结合点到环境之间的热阻R JH -HJ 为:R JH -HJ =R JH -JS +R JS -MCPCB +R MCPCB -HJ(2 式中, R JH -JS 为结合点与金属片之间的电阻; R JS -MCPCB 为金属片与MCPCB 之间的电阻; R MCPCB -HJ 为MCPCB 与环境之间的电阻. R JH -JS =15/W, N =16个, 推出:R JH -JS =R JH -JS /N =0. 9375/WLE D 和MCPCB 之间用导热树脂相连, 导热树脂热阻计算公式为4R JS -MCPCB =L /(k A (3 图6L E D 截面图F i g . 6E m itter , L , k =0. 9W A =0. 000272JS -MCPCB =0. 41/W(2 , R MCPCB -HJ 环境最大取值是1. 23/W. 图7显示的是散热片的裸露表面积和其热阻的关系2, 可以推出, 散热片的裸露表面积至少要达到1125c m 2才可以满足LED 光源的散热要求 .图7高密度发光体降温装置总阵列热阻抗与裸露表面积的关系F i g . 7H i gh den sity e m itter hea t si n k tot a l arrayther ma l resist ance(board to am b i en t vs surface area exposed4试验结果依据上述设计方案, 笔者制作了一个LED 路灯光源的模型, 加装表面积为1200c m 2的鳍型散热片, 水平放置在环境温度为19. 4的开放空间中. 模型的外观如图8. 对于17. 5W 的光源测试线果如表3.图8L E D 路灯光源的模型F i g . 8M odel of L E D street l am p photosource(下转第47页34第6期郭一翔, 等:LE D 路灯设计和实现 jecti on rate 和错误接受率F AR (false accep tance rate .错误拒绝率是指正确的生物特征拥有者被拒绝; 错误接受率是指冒充者识别为真正的生物特征拥有者. 实验结果的受试者工作特征曲线(receiver operating char 2acteristic, ROC 如图8所示, 其中随着阈值增加而下降的曲线为F AR, 而随着阈值增加而上升的曲线为 FRR.F i g . 8R OC 曲线F i g . 8R OC curve由图8可以看到, 当阈值取为66时, F AR 和FRR的取值相等(2. 50/0 . 实验结果表明, 本文提出的掌纹算法识别率为97. 50/0参考文献:1P ANK ANTI S, BOLLE R M , JA I N A K . B i ometrics:the fu 2ture of indentificati on J .I EEE Computer, 2000, 33(2 :46-49.2ZHANG D. Aut omated B i ometrics -Technol ogies and Sys 2te m sM.US A:Klu wer 2000:102. 3Edit Board . T wo novel character 2m p point invariance and J Pattern Recogniti on, 1999, 32:6914WU Xianqian, Z HANG David, WANG Kuanquan, et al .Pal m p rint classificati on using p rinci pal lines J .PatternRecogniti on, 2004, 37:1987-1998.5沈庭芳, 方子文. 数字图像处理与模式识别M.北京:北京理工大学出版社, 1998:100.6Y OU Jane, L IW enxin, ZHANG David . H ierarchical pal m 2p rint identificati on via multi p le feature extracti onJ .Pattern Recogniti on, 2003, 35:847-859.(上接第43页表3测试结果F i g . 3Results of test测试项目测试数据测试设备光通量/l m 460. 4远方P MS 250系统散热片温度/42. 6温度计显色指数84远方P MS 250系统色温/K3545远方P MS 250系统根据表3的数据可以看出, LE D 路灯光源模型的光通量、显色指数、色温等各项性能指标完全达到或超过了设计方案的要求, 说明本设计方案是成功的.5结束语LED 作为新型的固态光源, 发展的潜力还十分巨大. 随着其性能的不断提高, 在不远的将来, 应用领域会逐步拓展到公共照明