浅议LED路灯目前的制作现状及发展方向

本文由 wanghengxin091 贡献 pdf 文档可能在 WAP 端浏览体验不佳 建议您优先选择 TXT 或下载源文件到本机查看 浅议 LED 路灯目前的制作现状及发展方向 2009 6 2 15 35 22 来源 中国半导体照明网 作者 徐连城 http www china 针对世界金融风暴的应对 中央发改委拿出 4 万亿连同地方财政的支持预计 将有 10 多万亿的资金投入到国家交通 扶持企业 完善基础建设上 最近国家 科技部在全国启动 十城万盏 LED 路灯半导体照明应用工程 在这股强劲东风 下 一贯得到政府支持的半 导体照明产业 将是一个大发展的契机 许多企业都 看好这个朝阳产业的发展空间 特别 是半导体户外照明的明显节能优势 近 2 年一哄而上的诸多企业 在还不甚了解半导体道 路照明制作的特点下 模拟 仿 造 沿着现今的常规照明路灯多种 蛇头 形状制作 一 时间 百家争鸣 百花齐 放 的产品纷纷推向市场 经过这两年上路实验情况的检验 大 部分的产品均存 在不同程度的问题 具体表现在 1 由于对 LED 光源工作条件的要求不 甚了解造成光衰减严重甚至于死灯 2 对道路照明要求感悟不足 科学性点光源光学配光 难点及对色温在道路照 明中的重要性忽略 易造成眩光 斑马效应和在空气污染严重 下 雨有雾天气的 环境中 造成灯亮地面不够亮的现象 3 对保证 LED 工作条件和对电源技 术性的认知程度不足 造成产品在电源 上的故障层出不穷 4 对当今 LED 路灯实用性道 路的应用概念不清 盲目的与大功率气体放电 灯 媲美 不计成本的制作超大功率 LED 路 灯 造成不切合实际的价格昂贵的路 灯产品难以推广 5 对道路照明要求模糊 实际使 用维护的欠考虑 造成直接使用业主的抵制 本人针对以上问题与大家一起讨论解决方案 对 LED 光源的工作环境这个问题的讨论 需具备了解 LED 的基本常识 发 光二极管 其核心是 PN 结 因此它具有一般 P N 结的 I N 特性 即正向导通 反 向截止 击穿特 性 此外 在一定条件下 它还具有发光特性 在正向电压下 电子由 N 区注入 P 区 空穴由 P 区注入 N 区 进入对方区域的少数载流子 少 子 一部分与多数载流子 多子 复合而发光 其现今大功率 LED 发光效率约 为 30 70 将是热能 需要将其散热处理 如图 1 所示 附图 1 表 2 是大功率白光 LED 的结温 TJ 在亮度衰减 70 时与寿命的关系 不同 LED 生产 厂家的寿命并不相同 仅做参考 在表 2 中可看出 TJ 50 时 寿命为 90000 小时 TJ 80 时 寿命降到 34000 小 时 TJ 115 时 其寿命只有 13300 小时了 TJ 在散热设计中要提出最 大允许结温值 TJmax 实际的结温值 TJ 应小于或等于要求的 TJmax 即 TJ TJmax 从以上的测试数据 图示经测试发光二极管可正常工作的环境温度其结温温 度应 85 高于此温度范围效 率将大大降低 甚至于烧毁 如表 2 所示 从图表中可以看出温度对其直接影响的重要性 特别值得一提的是 对散热 材料的热平衡速度要求重视度 造成光源的热得不到有效的处 理引起光衰减严 重 现在许多生产厂家大功率 LED 的热沉散热壳体应用基本采用不同的合 金铝 材料 其导热系数不一 一些材料的散热速率难以满足 LED 工作条件 不可忽 略的 铝基板及导热硅胶 硅脂材料的导热环节 使用材料的实际寿命质量 将直 接影响 LED 的 工作散热条件 如何减少中间环节 直接与热沉散热近距离接触 将热量快速达到平衡的有 效散热 是现今高质量的 LED 灯具产品开发需考虑的 方向 先从材料分析 金属的热传 导系数表 银 429 铜 401 金 317 铝 237 铁 80 锡 67 铅 34 8 银热传导系数比较好 但缺点就是价格太高 纯铜散热效果则次之 但已经 算是非常 优秀的了 不过铜也有缺点 造价高 重量重 不耐腐蚀等 所以现在 大多数散热片都是 采用轻盈坚固的铝材料制作的 其中铝合金的热传导能力最 好 好的风冷散热器一般采用 铝合金制作 至于铜 目前市场上也出现了纯铜的 散热器 铜的导热性能比起铝要快的多 但铜的散热没有铝快 铜可以快速的把 热量带走 但无法在短时间内把本身的热量散去 另外铜的可氧化性是铜本身最 大的弊病 当铜一旦出现氧化状态 从导热和散热方面都会 大大的下降 从对比上看 最好的散热材料也并不是铝材 铜和铝的对比中形成了一种新 型的工艺 铜铝结合 所谓的铜铝结合就是把铜和铝用一定的工艺完美的结合 到一块 让铜快速的把热量传给铝 再由大面积的铝把热量散去 这不但增充了 铝的导热不及铜 还弥补了铜的散热不如铝 有机的结合从而达到急速传热快速 散热的效果 多篇文章中都 阐述了散热是靠面积而不是看体积的大小 许多企业都了解了 个中道理 壳体采用多层 翅片散热 但对热沉散热壳体的翅片忽略了防尘和积尘 日积月累将会影响壳体的散热效 果 应从在自然条件下规避积尘的最小化 不同 方向的风和雨的自然冲刷可易性和清除灰 尘的粘敷性 保证热沉壳体的散热效果 不受恶劣环境的影响 散热通道的畅通 做到真正 的长寿命 大家共同来探讨一个设计方式 散热是靠面积的道理显而易见 是否可以将 散 热面做成柱状或多面形锥体 分析见附图 2 在增加散热面保证散热效果的基础上 解决了不同方向的风和雨的自然冲刷 可易性和 清除灰尘的粘敷性的问题 保证了热沉壳体的散热效果不受恶劣环境的 影响 以现在的 金属加工技术来看 机械加工是不可能做出理想化的绝对的平整表 面 即便是镜面 也有 很多细小的坑凹 只是肉眼不太容易发现 除了表面上存 在坑凹外 还会有很多细小杂质 如灰尘什么的 当散热器表面和芯片表面接触 时 存在的很多沟壑或空隙中都是空气 空 气的导热能力很差 因此必须用其它 物质来降低热阻 否则散热器的性能会大打折扣 甚 至无法发挥作用 作为解决办法 导热介质就应运而生了 它的作用就是填充两个接触表 面之 间大大小小的空隙 增大发热源与散热片的接触面积 导热硅脂是我们最常见的 导热 介质 导热硅脂是用来填充铝基板与散热片之间的空隙的材料的一种 这种材料又 称之 为热界面材料 其作用是用来向散热片传导铝基板散发出来的热量 使铝基 板温度保持在 一个可以稳定工作的水平 防止铝基板因为散热不良而损毁 并延 长使用寿命 作为一种 化学物质 导热硅脂有着一些反映自身特性的相关性能参数 了解 这些参数的含义 大致 上可以判断一款导热硅脂产品的性能高低 导热系数 Thermal Conductivity 导热系数 的单位为 W m K 或 W m 表示截面积为 1 平方米的柱体沿 轴向 1 米距离的温差 为 1 开尔文 K 273 15 时的热传导功率 数值越大 表明该材料的热传递速度越快 导热性能越好 目前主流导热硅脂的导热系数均大于 1W m K 优秀的可达到 6W m K 以上 是空气的 200 倍以上 但是和铜铝这些金属材料相比 导热硅脂的导热系数只有 它们的 1 100 左右 换而言之 在整个散热系统中 硅脂层其实是散热瓶颈之所 在 对于一个散热系统而言 不仅是散热器的事 导热介质也是很重要的组成部 分 散热系统的总热阻 散热器热阻 导热介质热阻 导热硅脂作为我们最常用的导热介质 其重要性不言而喻了 要降低其热阻 一方面取决于产品本身的性能 另一方面取决于 对产品的使用 因此我们要尽 量选用那些导热性能好热阻低的导热硅脂 并在使用上多加 注意 在保证硅脂完 全填充热源和散热器表面空隙前提下 涂抹方式硅脂层尽可能地薄 值得大家注意的是普通导热硅脂在高温环境中使用一段时间后会出现 干 化 或 硬化 现象 将会大大影响散热效果 因此在铝基板与热沉之间的导热环 节需重视 有关人士正 研究在热沉材料上进行特殊的陶瓷化处理直接安装线路 经过这 样的优化后将会根本解决 散热的导热环节 从国内现有参与制作 LED 路灯的企业厂家来看 大部分是没有制作过路 灯 对 路灯制作的技术具体要求较模糊 互相参照模仿 以常规传统 蛇头 形状制作具 多 当今 LED 路灯矩形状的重量与风阻影响着路灯的改造安装 在光学配光和 维护要求上 与其常规气体放电灯灯具相比难度较大 特别是直接的使用方业主反 应强烈 给应用推广 带来了困难 我从国家电光源检测中心得到的相关信息 在诸多厂家送检产品中就在 IP 防护这一项目上 绝大多数存在问题 而且意识不到问题的所在 认为我们的产 品在水里 都浸泡过也没有问题 怎么到检测中心就出问题 相信也有些产品在使 用一段时间暴露出 光源腔体存有水气 我看到许多厂家在检测中心排队送检的产 品 感到心痛 很多弯路是 可以避免的 在灯体密封结构上 在密封圈的材料选 用上 飞利浦的灯具在这方面就做了专 门的研究 在路灯造型结构设计上 不要跟着传统路灯的模样走 路灯的功能是要达到 道 路照明的要求 可以发挥 LED 光源的任意组合强项 可制作成 变形金刚 的 特点 能真正做到 白天观景 夜晚观灯 的城市景观效果 道路照明要求的是 一 定的照度和路面均匀度与平均照度 常规照明灯具反射器的缺憾在路面平均照 度上难以达 到标准要求 在灯具出光效率的有效利用上 传统路灯的效率标准应 70 为合格 但实 际上有一部分溢散光不能准确地控制在照射面上并且无法利 用 造成光污染 有效利用率 约 50 而 LED 路灯的光学配光可以准确控制光 线方向 有效利用率达 60 以上 从当 今大功率 LED 路灯点光源及光效的特点来看 要满足道路照明的要求 必须要把有效的 光强利用到有效的照明范围 道路照明的灯杆间距基本在 30 40m 要保证道路的平均照度 要求 其点光源 LED 灯具配光要使得路面没 有斑马效应 需进行相应的二次光学系统配套 设计 以某款灯为例 见附图 高质量的大功率 LED 路灯用模块化配套的二次光 学系统 可以有效控制路灯照明的平均照度 10 米高时为 34 米 12 米近似矩形光 斑 光斑形状 与均匀度均能满足道路照明要求 见附图 3 二次光学配光 从以上两点可以看出 只要 LED 路灯二次光学设计合理 投向目标照射面 的有效光通 量和传统路灯基本接近 目前 LED 路灯的配光技术已经有了很大的发展 有些厂家已经开 发出良好 的二次配光系统 而不再是单纯依靠光源排列来配光 但综合看 配光还不能做 到完全合理 有些在道路内侧的配光较亮 均匀度也能满足要求 但人行道侧环 境光的亮 度明显不足 SR 值明显不符合要求 还是厂家设计人员对道路照明标 准的要求理解不够 LED 路灯的色温问题 目前大功率 LED 路灯基本上是采用 5000K 左右所在色温的白光 作为道路 照明光源 视觉感过分阴冷 同时远视时观察能力会下降 在这方面路灯使用单 位最有发言权 3000K 左右的黄光或暖白光是比较适合道路照明的 因此日光色 的 LED 路 灯不适合做路灯使用 当今 LED 路灯在产品规格方面缺少统一的技术标准 目前还没有统 一的 LED 路灯生产技术标准 每个厂家按自己的标准生产自己的产品 彼此间是很 难通用 的 另外 LED 路灯生产厂家的灯具自成体系 光源电器组装和灯具捆绑 在一起 各自不同 的工作特性难以维护 维护时必须使用原厂产品 而高压钠灯 由于技术标准的统一 灯具 光源 电器方面通用性较强 不同厂家之间的产品 可以互用 从维护角度考虑 这是非常重要 而维护对于路灯管理单位来说 则 又是重 中之重 只有这样才可以及时对故障路灯进行维护 保证完好的亮灯率 上 级部门对路 灯管理考核中最重要的一项内容 同时大大降低维护成本 可以说 在 LED 路灯目前的发 展状况下 一旦出现故障时 只能整个灯具进行更换 除 了高额成本外 而维护的时间也 要大大廷长 这对使用单位来说的非常不利的 对灯具的维护 常规照明灯具要简易的多 可在现场直接更换光源电器 成本 也较低 而当今许多生产厂家的 LED 路灯 可能厂家认 为是免维护的 所以现 场的维护就无法进行了 维修方面真正的负担还是交给了生产厂家 殊不知 造 成产品难以推广的瓶颈还是来之于直接使用单位 针对当今 LED 路灯应用推 广其中的两大难题 1 维护困难 2 大功率 LED 电源的瓶颈 根据这两大难点我个人建议 从安全 维护方便更换 规避大功率电源的质 量风险 模块化组合式设计一定是发展的方 向 做成标准模块化 诸如 30w 40w 50w 连同适合本功率电源一体化 不但解决了 大功率电源的风险 而且遇到故障 换用方便 单组模块又可以一款灯多用途 可改装为 LED