LED路灯灯具开发关注点.doc

LED 路灯灯具开发关注点张继晃( 厦门通士达照明有限公司，厦门 361100)摘 要: 道路照明是必要的公共设施，为道路使用者提供安全、舒适的可视环境和驾驶条件。道路照明 灯具通常使用的光源有高压钠灯、金属卤化物灯和高压汞灯等高强度气体放电灯。以 LED 为光源的 道路照明灯具和相关标准越来越受到关注。LED 道路照明灯具是集 LED 光源技术、LED 灯的控制装 置技术、LED 模块连接器技术和灯具设计技术于一身的产品。该文对 LED 应用于道路灯具中的相关 规范标准，及目前存在的问题现状进行分析，同时提出在 LED 路灯灯具开发过程中的一些关注点。 关键词: LED; 定向发光; 标准; 多次配光; 散热; IP 防护LED Street Lamps Development ConcernsZhang Jihuang( Xiamen Topstar Lighting Co ，Ltd ，Xiamen 361100)Abstract: Road lighting，as a public facility is necessary to provide a safe and comfortable visual environment and driving condition for roadway users The light sources what road lighting adopts are commonly high in- tensity discharge lamps，including high pressure sodium lamp，metal halide lamp and high pressure mer- cury lamp As road lighting with LED light source and related standards are attracting more and more atten- tion，LED road lighting is a product that combines LED light source technology，LED light control device technology，LED module connector technology and lighting design technology This article aims to do some a- nalysis for the relevant normative standards what LED should comply with as road lighting and the current problems，while propose some concerns in LED road lighting developmentKeywords: LED; directional illumination; standard; multiple light distribution; heat sink; IP protection0 引言能源居 21 世纪全球最关切议题之首，照明节能 更被列为第一要务。道路照明由政府掌控，因应节能 环保趋势，LED 路灯的商机正在不断升温中。从照明 观点看道路分为汽车专用、一般街道、商店街、人行道 四大类。一般所指的道路照明是指汽车专用道照明， 主要功能是保障夜间道路的行人及车辆驾驶人员能 安全通行，尤其应提供驾驶者看清道路形状、行进方 向及周边环境等，以正确辨视任何障碍物，预测行进 方向。道路照明对减少事故和犯罪起着非常重要的 作用。因道路照明的重要性，其设计考虑的重点包含照度充足、亮度均匀、光色宜人、低眩光、诱导行车、节能及维护便利等，故路灯应具备高效率、照明利用率好、 配光适当、寿命长、防水防尘等特性，以实现安全可 靠、节能、视觉适度、低光害及低维修率。LED 被视为 21 世纪之光，LED 照明就像真空管 到晶体管，及 CRT 到 FPD，是革命性的突破，2007 年 以后 LED 发光效率不断提高，1 W 冷白光产品光效110 lm /W，日亚小晶率( 20 mA) 的实验室水准甚至达249 lm /W，大量投入带来惊人的成长速度，2008 年北 京奥运会也为世人宣示 LED 照明时代的来临。在取 代室内照明之前，目前最被看好的切入层面即是 LED 光源应用于路灯模组的设计。由于具有超过 50 000 h 的长效寿命，可大幅降低日后维修成本，减少 30% 收稿日期: 2011-07-13作者简介: 张继晃( 1975-) ，男，工程师，主要从事项目研发及管理工作。50% 耗电量。此外 LED 路灯的绝佳控制性可充分利 用，如调降初期照度、时控照度设定、自动调光等可对 道路节能效益再添一成。目前照明用白光 LED 在通 常照明工作条件下的系统效率已超过 40 lm /W，再加 上 LED 制造成本大幅下降，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。但是目前制 造照明 LED 的产业群体往往对照明电器基本知识和 要求不了解，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，在设计和运用中没有 充分地利用 LED 特点，进行扬长避短，产生很多不合 理的设计。道路 /街路灯的照明要求( 来自 CJJ45 2006 标 准) ，表 1 中 CJJ45 2006 标准上对道路照明的规定， 从道路照明要求看不同道路上应采用的光度指标，若 道路主要为机动车用的，路面应以亮度评价，如道路 以行人和非机动车为主要服务对象的应使用照度为 指标。由于行人关心的是对方来人的面孔和地面上 的情况，因此要确定垂直面的照度或路面上的照度( 水平照度) 。1 关于 LED 路灯道路照明要求严格，全球各国的道路照明设置规 范以及路灯性能标准相当完整明确; 标准一般包含照度以及均匀度( 最小照度 /平均照度) ，CIE115 提出参考规范，将道路分成四大类，路面基准分为 15，20，30，50 lx，均匀度为 0 4。基于环境与文化因素影响，各国规范仍有差距。道路照明灯具的安全、性能和能效特性是评价道路照明灯具品质的几个重要方面，其相关 的产品标准包括产品安全标准、产品性能标准和光度 测试 方 法 标 准。分段产品安全标 准: GB 7000 1 2007 灯 具 第 1 部 分: 一般要求与试验 ( idt IEC60598 1: 2002) 和 GB 7000 5 2005道路与街 路照明灯具安全要求( idt IEC60598 2 3: 2003) 分 段产品性能标准: GB /T24827 2009道路与街路照 明灯具性能要求，光度测试方法标准: GB /T 9468 2008灯具分布光度测量的一般要求，该标准规定的 测试方法与 CIE121 一致。分段使用 LED 光源的灯 具，除了符合上述两个标准以外，还应符合 GB 7247 1 2001 激光产品的安全第 1 部分: 设备分类、要求和 用户指南( idt IEC 60825 1: 1993) 。关于 LED 灯具 的检测，IECEE 已有 OSM /CTL 决议，其原则是对于 LED 灯具，首先要根据 IEC60825 1 判断其类型，如 果属于 1 类或 1M 类的激光安全型 LED，则不需要根 据 IEC60825 1 检验，反之则需要。灯具的光度性能 由 CIE( 国际照明委员会) 出版物规定，涉及 CIE 31 1978 道路照明装置的眩光和均匀度，CIE 33 1977 道 路照明装置的折旧和维护，CIE 34 1977 道路照明灯 具和装置数据: 光度测定、分类和性能，CIE 47 1977 潮湿环境的道路照明，CIE 66 1984 道路表面和材 料，CIE 140 2000 道路照明计算，CIE 180 2007 发 展中国家的道路运输照明。48* : 新的 CIE115 规定 SR 对小的路也是 0 5。在节能的前提下，日本对街道照明灯具定下参考 准则，其能源效率部分以 200 W 的照明灯具为界限， 低于 200 W 发光效率为 50 lm /W，其余高于 60 lm /W， 我国也将照明用功率密度( LPD，W /m2 ) 列入法规，此 政策将会加速高效率灯具的普及，也是 LED 路灯的 机会。台湾积极推动 LED 灯具法规制定，于 2008 年 12 月 4 日正式公布 CNS15233发光二极管道路照明灯 具标准。强调节能耐用、安全、配光性能等三大项， 规定三级能效等级，最低灯具发光效率为 45 lm /W， 其次需通过 50 下连续测试 360 h。安全上着重避 免雷击伤害，以及抗风强度。配光上主要对光强度分 布情况加以规范，产品必须确保路面照度均匀度，以 确保路人安全。规范内容主要包含基本性能( 功率因 数、输入功率、电流谐波失真及电压变动) ，安全性( 绝 缘耐压、IP、风压) ，电磁干扰，光学特性( 光色允许色 偏范围、配光) ，发光效率，耐用可靠性( 温度循环及开 关进行 8 000 次) ，耐久性等，此外，基于视觉适度考量 不允许任一 LED 不亮或闪烁失效。标准最苛刻之处 是需要进行老化测试 1 000 h 后，再进行 3 000 h 测试 中，光通量不得小于原光通量的 92% ，且发光效率符 合维持原标准 90% 。DOE 关于 SSL 产品能源之星认证中对道路灯具 的要求，DOE 在 2007 年 8 月公布了第一批 SSL 产品 能源之星认证要求( 共 7 个产品，3 个室外和 4 个室 内) 后，在 2008 年 8 月又公布了包含道路 /街路照明 灯技术要求的补充产品的要求( 共 10 个产品，5 个室 外和 5 个室内) 。关于道路 /街路照明灯技术要求如下( 包含与第一批产品通用的技术要求) :( 1) 色度和色变化的要求，颜色的规定见表 2， SSL 产品达到能源之星要求的色度坐标的要求，在 DOE 的 SSL 规 范 中 对 道 路 /街路灯具的色温没有 限制。表 2 色度、色变化和颜色的规定规定灯具的 8 种色温，它的色坐标必须落在下面注定的范围内，见 图 1 规定的 8 个四边形规定的 CCT 名称2 700CCT 数值范围( K)2 725 1453 0003 045 175相关色温( CCT) 的范围和要求3 5003 465 2454 0003 980 2754 5004 503 2435 0005 028 2835 7005 665 3556 5006 530 510色空间的均匀度 不同方向上的色度变化在 0 004 以内( 1976uv图) 色保持 全寿命内的色度变化在 0 007 以内( 1976uv图)显色指数 室内灯最小的 Ra 是 75图 1 色温位置在色品图中的表示图 2 LED 光衰和结温关系曲线( 2) 寿命( 光衰) 要求规定 25 000 h 和 35 000 h 两档。检测方法是将 SSL 灯具点燃 6 000 h 后测光衰， 试验时的灯不需老炼，每 1 000 h 测量一次，到 6 000 h 的光衰小于初始的 94 1% ，寿命大于 35 000 h，光衰 为初始的 91 8% ，寿命为 25 000 h。( 3) 电气要求，表 3 为 SSL 灯具的电气要求。49表 3 SSL 灯具的电气要求技术要求内容 相应的数据功率因数 对住宅用0 7，对商业用0 9最低工作温度 驱动器的最低工作温度为 20 或更低 安装后，不超过驱动制造商推荐的驱动器 /驱动器座的温度，正常工作时灯具内的驱 动器和基座的温度EMC注意: UL 给出的是安全而不是长寿命，此两者规定的热要求是不同的认证产品的内容 还包括线、吊装件、近天花的情况、集成电路和非集成电路的封装件等，以及 UL1598 ( 灯具标准) 除外的产品。1 住宅内产品应符合 FCC 的消费品需要( FCC47CFR 部分 15，消费品发射限制)2 商业内产品应符合 FCC 的非消费品要求( FCC47CFR 部分 15，非消费品发射限制)噪音 在 A 声级以内驱动器要符合 IEEE C62 41 1991，A 级工作瞬变保护线性瞬变由 7 段 100 kHz 的环波在 2 5 kV 水平下构成 采用两种输入模式: 共模或差模说明: 对住宅用的 SSL 电器的功率因数定为 0 7 完全是因为价格的问题。( 4) 能效要求: 灯具的能效50 lm /W。( 5) 配光要求最小光输出: 2 300 lm( 初始) ; 环带 流明密度: 0 90为 100% ，光通量为 80 90，最大 占 10% 光通量; 光束均匀性要求最大光强在 55 65 等。( 6) 其他内容为待机功耗要求不工作时不耗电， 但与探测有否人员活动的监测设备合用的例外; 保证 从购买日起三年内免费修理替换光源或驱动器，对住 宅用灯具的保证日期从运输之日起算; 灯具制造要附 上灯具热管理的说明证书文件和试验过程; 装置要 求 LED 光源的平均流明衰减到起始值的 70% 的时间 最小是 35 000 h; 附着在建筑上功率大于 13 W 的 SSL设备必须附有光控设备，能自动启闭，24 h 内可人工或自动控制等。1 2 LED 路灯现状( 1) LED 路灯与传统道路照明灯具比较，目前普 遍采用的道路灯具光源是高压钠灯或金属卤化物灯，其最大特点是发光电弧管尺寸小，有很大光输出，具有很 高 的 光 效，系 统 效 率 ( 包 括 配 套 电 器 ) 可 达80 110 lm /W，但这类光源运用在道路灯具中只有40% 左右的光直接透过玻璃罩到达路面，其他光通过 灯具反射器再射出灯具。传统路灯存在明显不足，一 是灯具直接照射的方向上照度很高，明显过度照明， 次干 道 上 可 达 50 lx 以 上; 二是反射器的效率为 50% 60% ，60% 左右的光输出在灯 具 内，损 失 了30% 40% 后再投射到路面。此类灯具的总体效率 在 60 70% ( 极少部分国际品牌灯具效率可达 80% ) 。综合有效照明效率仅为 50% ，目前次干道的50照明效果( 照度及均匀度) 基本达不到 CJJ45 2006和 CIE31，CIE115 标准要求。LED 作为路灯光源，它 与传统路灯光源比较有许多优点，寿命长，抗震性能 好，白光 LED 光色比高压钠灯好，能实现较完美的调 光功能( LED 进行频繁开关对其没有太大影响，可以 通过改变电流方法来调光，亦可采用脉冲宽度调节方 法来调光，通过调节电压占空比和工作频率能有效调 节 LED 发光强度) ，灯具光学系统内 LED 光源光通量 损失最小，LED 光源不含有害金属汞等。( 2) LED 光源的道路灯具配光现状，目前 LED 在 路灯使用最普遍的形式主要有两类: 一类采用传统的 道路灯具外壳，只是在灯具内装在平板安装面上矩阵 式 LED; 另一类把多个 LED 集成在一个圆柱体上，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不会优于传统 道路 灯 具，并且在一个很小区域内集成高 密 度 的 LED，使 LED 散热情况不良，不仅影响到 LED 的发光 效率，而且影响到 LED 的使用寿命。利用传统路灯灯 头改制的 LED 路灯，采用了铝型材做散热器，将整个 光源和驱动电路装入铝合金灯壳中，虽然解决了灯具 的防护等级问题，但是整个光源是在密闭的灯壳中， 灯具工作中所产生的热量无法散发到空气中，导致 LED 模块和驱动电路在极恶劣的环境中工 作，工作 温度急剧升高，LED 随着温度的升高而出现死灯和光 衰，驱动器也因温度高而烧毁，大大降低了灯具的可 靠性和使用寿命( 见图 2) 。故此方案是不成熟的。 要做好 LED 路灯，简单地用传统灯头装入 LED 光源 是行不通的，见图 3。图 3 传统路灯改造成 LED 路灯目前，LED 路灯还不能用于主干路。主干路是连 接城市各主要分区的干路，采取机动车与非机动车分 隔形式。机动车在主干路上的行驶速度比次干路快， 照明水平比次干路高。主干路的照度要求达到 30 lx， 照度均匀度为 0 4，平均亮度要求达到 2 0 cd /m2 ，亮 度总均匀度为 0 4，亮度纵向均匀度 0 7，阈值增量10。达到节能水平的路灯，应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，当 车道数6 条时，照明功率密度1 05 W /m2 ，车道数 6 条时，照明功率密度1 25 W /m2 。主干路上大 多使用 250 W 或 400 W 高压钠灯路灯，250 W 或 400W 高压钠灯的光源光通量达到 28 000 lm( 250 W ) 和48 000 lm( 400 W) 。这种大功率路灯的灯具效率一 般在 75% 85% 之间，因此，灯具的光通量输出最低 也有 21 000 lm。以一盏 250 W 高压钠灯路灯为例，灯 具效率为 83 5% ，配光曲线如图 4( a) 所示，其最大光 强通过 c 角 10， 角 70 0。c 为 0，180，10的配光 曲线的形状良好。这款路灯可用在四至六车道的主 干路。目前，光通量小是 LED 路灯不能应用在主干路 上的主要原因。不同光通量档次的灯具应应用在不 同级别的道路上，否则达不到节能效果。图 4 LED 配光分布情况( 3) LED 光源道路灯具驱动现状，LED 对驱动电路的要求是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 LED 驱动电流 的恒定也就基本保证了 LED 输出功率的恒定。由于 我国电源电压供应不稳定的现状，道路照明 LED 的驱 动电路具有恒流输出特性非常必要，保证光输出同时 避免 LED 超功率运行。目前很大一部分一类驱动电 路由降压、整流滤波后加直流恒流源电路组成; 另外 一类采用通用开关电源加电阻电路组成，如此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特性的前提下，效率并不高。另外很大一部分 不具备防雷击功能。( 4) LED 光源道路灯具散热与 IP 防护现状，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，而且还关系到使用寿命，而良好的 IP 防 护也会妨碍 LED 的散热。目前 LED 路灯很大一部分 是在对传统灯具进行局部改造，灯具的热量都集中在 灯具光学腔内，一方面违背了 LED 光源的特性，配光51达不到要求，同时伴随另一致命缺点散热效果不好， 严重影响光衰及寿命。因为采用传统灯具局部改造 即使 IP 防护良好但影响 LED 散热，而且某些灯具达 不到 IP65 等级直接造成光源及电源短路失效。2 LED 路灯设计关注点及解决途径2 1 LED 配光设计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 的最大特点 是具有定向发射光的功能，功率型 LED 装有发射器， 其效率明显高于灯具反射器效率( 一次配光) ，LED 道 路灯具应尽可能地利用 LED 的定向发射光特性，使各 个 LED 分别直接把光射向被照路面( 二次配光) ，再 利用灯具反射器的辅助配光( 三次配光) ，来实现合理 的道路灯具综合配光，以满足 CJJ45 2006 和 CIE31， CIE115 标准照度和均匀度要求。因 LED 光源的半空 间发光的特点，LED 光源在灯具内使用，光源光通量 的损失比高压钠灯或金属卤化物灯少。就目前来讲， LED 光源的光效达不到高压钠灯或金属卤化物灯的 水平，即相同功率的光源，光通量没有高强度气体放 电灯高。但是，由于 LED 光源的半空间发光的特点， 使得 LED 灯具的光通量输出可以接近于高强度气体 放电灯灯具水平。当路灯将光线照射到路面上，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，见图 4 ( a) 。如果没有灯 具，光源的上半空间光线全部浪费。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，以及光线反射时受到光源自身 的遮挡转换成热能，或反射器对光线二次反射的再吸 收，使得光源的一部分光线损失了。灯具效率是反映 光源光线损失程度的参数。从小功率高压钠灯路灯( 70 W 150 W ) 光度性能状况来看，灯具效率一般处 于 65% 75% 的水平。以 100 W 高压钠灯为例，光 源的光通量达到 8 000 lm ，路灯的光通输出为5 200 lm 6 000 lm 。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，见图 4( b) ，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 50 lm /W，以 100 W LED 路 灯为例，灯具光通量输出可以达到 4 000 5 000 lm。52相信通过不断地加强设计力量，路灯的配光会更加优 化，最后达到完美。各级政府都在大力推行节能减排，在室内照明 中，已经强制执行照明功率密度( LPD) 的限值，我国 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照度与均匀度的 前提下尽可能降低照明功率密度( 单位: W /m2 ) ，从而 达到节能目的。以上设计思路正好迎合考核要求。2 2 LED 路灯的散热LED 是嵌入照明器具中使用的，由于 LED 芯片 的发热量大，在做成大功率灯具时遇到了困难。各公司目前正在努力解决的课题之一就是“散热”。虽说 发光效率越来越高，但 LED 芯片的发热量仍然很大。 如果未采取散热措施，LED 芯片的温度就会过高，导 致芯片本身及封装树脂性能的恶化，从而最终引起发 光效率的降低和寿命的缩短。LED 最重要的性能就 是“长寿命”，为了不影响这一指标，就需要设法将芯 片上产生的热量散出去。改善 LED 的发热问题是攻 克大功率照明灯具的关键。目前较为实用的方案是 把灯具铝材外壳设计成散热器状，内表面平整完后安 装光源铝基板，铝基板与内表面之间采用导热硅胶连 接，以确保传导散热效果，外表面做成鳍状散热结构， 即使外壳落尘也可以通过自然风雨冲刷，保证散热工 作的持续。另外，关键散热位置可采用导热板，导热 板是在金属板的内部，均布有供冷媒流动的细导管， 当导热板某一部位受热时，细导管内的冷媒会快速流 动使热量迅速地传导，好的导热板热传导系数是同厚 度铜材板的 8 12 倍。另外，散热鳍片对于小型的发热器件是简单有效的散热单元，但是对于路灯这样大功率的发热设备， 如果只是将散热鳍片简单地放大显然是不科学的。 根据最基本的热学原理，大面积的散热鳍片存在严重 的热岛效应，为了获得需要的散热效果，在随着功率 加大而同比加大散热器尺寸的同时，需要额外增加散 热器尺寸，从而大大增加散热器的尺寸和重量，导致 灯具重量很大。散热材料的选择，为了做好 LED 路灯，首先我们 对散热材料进行选择，目前散热器所采用的基本为金 属材料，这主要出于三方面的考虑: 导热性能好、易于 加工、易获取。表 4 为散热片常用材料与常见金属材 料的热传导系数，表 4 中列出的 5 种不同铝合金中: AA6061 与 AA6063 具有不错的热传导能力与加工性， 适合于挤压成形工艺，在散热片加工中被广为采用。 ADC12 适合于压铸成形，但热传导系数较低，因此散热片加工中通常采用 AA1070 铝合金代替，可惜加工 机械性能方面不及 ADC12。AA1050 则具有较好的延 展性，适合于冲压工艺，多用于制造细薄的鳍片。表 4 常见金属材料的热传导系数 金属材料 热传导系数 金 317 W /mK银 429 W /mK铜 401 W /mK 铝 237 W /mK 铁 48 W /mKAA6061 型铝合金 155 W /mK AA6063 型铝合金 201 W /mK ADC12 型铝合金 96 W /mK AA1070 型铝合金 226 W /mK AA1050 型铝合金 209 W /mK2 3 LED 路灯的驱动要确保 LED 的长寿命特性，LED 路灯的驱动显 得非常关键，同时其转换效率显得很重要。采用有源 电子开关电路或高频电流来驱动 LED 可以使驱动电 路保持良好的恒流输出特性，同时具有很高的转换效 率。但是电子驱动电路的 LED 灯具，在户外使用时， 对其可靠性威胁最大的是雷电感应问题。共模干扰 对地可达数百伏到数千伏，很容易击穿驱动电路的 EMC 接地电容或较小对地的电气间隙，造成驱动电路 损坏; 同时产生的差模干扰电压，也可达数百至 3 000 多伏，这一电压可击穿驱动电路的电源整流二极管和 印制线路板上不同极性电极间的电气间隙，损坏驱动 电路。驱动电路应具备压敏电阻、传导干扰( EMI) 保 护，同时 LED 驱动电路各点对地的电气间隙保持在 7 mm 以上，绝缘强度应强化达