基于TracePro的LED路灯设计

引言道路照明是城市照明的重要组成部分，传统的路灯常采用，高压钠灯360度发光，光损失大的缺点造成了能源的巨大浪费。当前，全球的环境在日益恶化，各国都在发展清洁能源。而随着国民经济的高速增长，我国能源供需矛盾日渐突出，电力供应开始存在着严重短缺的局面，节能是所急需解决的问题。因此，开发新型高效、节能、寿命长、显色指数高、环保的LED路灯对城市照明节能具有十分重要的意义。道路照明与人们生产生活密切相关，随着我国城市化进程的加快，LED路灯以定向发光、功率消耗低、驱动特性好、响应速度快、抗震能力高、使用寿命长、绿色环保等优势逐渐走入人们的视野、成为世界上最具有替代传统光源优势的新一代节能光源，因此，LED路灯将成为道路照明节能改造的最佳选择。LED路灯与常规路灯不同的是，LED光源采用低压直流供电、由GaN基功率型蓝光LED与黄色合成的高效白光，具有高效、安全、节能、环保、寿命长、响应速度快、显色指数高等独特优点，可广泛应用于道路。外罩可用制作，耐高温达135度，耐低温达-45.1、本身的特性--光的单向性，没有光的漫射，保证光照效率。2、LED路灯有独特的二次光学设计，将LED路灯的光照射到所需照明的区域，进一步提高了光照效率，以达到节能目的。3、LED的已达110-130lm/W，而且还有很大的发展空间，理论值达360lm/W。而高压钠灯的发光效率是随功率增加才有所增加，因此，总体光效LED路灯比高压钠灯强;(这个总体光效是理论上的，实际上250W以上高压钠灯的光效高于LED灯)。4、LED路灯的光显色性比高压钠灯高许多，高压钠灯显色指数只有23左右，而LED路灯显色指数达到75以上，从视觉心理角度考虑，达到同等亮度，LED路灯的光照度平均可以比高压钠灯降低20%以上，。5、光衰小，一年的光衰不到3%，使用10年仍达到道路要求，而高压钠灯光衰大，一年左右已经下降30%以上，因此，LED路灯在使用功率的设计上可以比高压钠灯低。6、LED路灯有自动控制节能装置，能实现于满足不同时段照明要求情况下最大可能的降低功率，节省电能。可实现电脑调光，分时间段控制，光线控制，温度控制，自动巡检等人性化功能。7、寿命长:能使用5万小时以上，提供三年的质量保证。不足之处就是电源的寿命得不到保证。8、光效高:采用≥100LM以上的芯片，相对于传统高压钠灯能节能75%以上。9、安装简便:无需加埋电缆无需整流器等，直接将安装于灯杆接上或者将光源嵌套原有灯壳。10、散热控制出色:夏天温度控制在45度以下，并采用被动散热方式，夏天的散热保障不足。11、质量可靠:电路电源全部采用高质量元器件，每颗LED都有单独过流保护，无需担心损坏。12、光色均匀:不加透镜，不以提高亮度而牺牲均匀光色，从而保证无光圈光色均匀。13、LED不含有害金属汞，在报废时不会对环境造成危害。综合上述原理的节能效果显著，代替高压钠灯可节电60%以上。维护成本低:相对于传统路灯，LED路灯维护成本极低，经过比较，不到6年即可收回全部投入成本。缺点1、单个LED功率低。为了获得大功率，需要多个并联使用。2、显色性低。在LED照射下显示的颜色没有白炽灯真实，这要从光谱分布上来分析，属于技术问题。3、光斑。由于白光LED本身制造工艺上缺陷加上与反射杯或透镜的配合误差，容易造成"黄圈"问题。4、LED照射均匀度问题。如果不进行二次光学设计，LED的照射是比较集中，所以一定要进行二次光学设计，使其光强分布图呈蝙蝠形。5、LED的光衰问题。相比小功率LED，大功率LED路灯的光衰就会要好很多。但是小功率LED热量散发很小。而大功率的LED是存在散热没有办法解决的问题，而且发热后亮度会明显降低，所以功率不能做大。市场销售的SparkLED路灯最大的是360W。1、照明用LED的最大特点是具有定向发射光的功能，因为功率型LED几乎都装有反射器，并且这种反射器的效率都明显高于灯具的反射器效率。另外，LED的光效检测时已经包括了自身反射器的效率。采用LED的道路灯具应尽可能地利用LED的定向发射光的特性，使道路灯具中的各个LED分别直接把光线射向被照路面的各个区域，再利用灯具反射器的辅助配光，来实现很合理的道路灯具的综合配光。应该说，道路灯具要真正做到符合CJJ45-2006和CIE31以及CIE115标准的照度和照度均匀度要求，灯具内应包含三次配光的功能才能比较好地实现。，而带反射器的并且具有合理的光束输出角度的LED本身就具有良好的一次配光功能。在灯具内，能按照路灯具高度及路面宽度设计各个LED的安装位置和发射光的方向就能实现良好的二次配光功能。在此类灯具中的反射器，只作为辅助的三次配光手段，来保证道路照度更好的均匀度。在实际的道路照明灯具的设计中，可采用在基本设定每一个LED设射方向的前提下，把每一个LED用球形万向节固定在灯具上，当灯具使用于不同的高度和照射宽度时，可通过调整球形万向节使每一个LED的照射方向都达到满意的结果。在确定每一个LED的功率、光束输出角度时，可根据E(lx)=I(cd)/D(m)2(光强和照度距离平方反比定律)，分别计算出各LED在基本选定光束输出角度时应该具备的功率，并且可以通过调整各LED的功率以及LED驱动电路输出给每一个LED不同的功率来使每一个LED的光输出都达到预计值。这些调整手段都是采用LED光源的道路灯具所特有的，充分利用这些特点就能实现于满足道路路面的照度和照度均匀度的前提下降低照明功率密度,达到节能的目的。2、LED路灯的电源系统也与传统光源不同，LED所特需的恒流驱动电源，是保证其正常工作的一大基石，简单开关电源的方案常会带来LED器件的损伤。如何使紧密压缩在一起的一组LED安全、也是考察LED路灯的一个指标。LED对驱动电路的要求是能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，所以保证了LED驱动电流的恒定也就基本保证了LED输出功率的恒定。对于我国电源电压供应不稳定的现状，道路灯具LED的驱动电路具有恒流输出特性是十分必要，可保证光输出恒定并且防止LED的超功率运行。要想使LED驱动电路呈现恒流特性，从驱动电路的输出端向内看，其输出内阻抗一定是高的。工作时，负载电流也同样通过这一输出内阻抗，如果驱动电路由降压、整流滤波后加直流恒流源电路或通用的开关电源加电阻电路组成，在其上必定也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的前提下，效率是不可能高的。正确的设计方案是采用有源电子开关电路或采用高频电流来驱动LED，采用上述两种方案可以使驱动电路在保持良好的恒流输出特性的前提下，仍具有很高的转换效率我国的道路灯具，基本都采用HID光源加配触发器和电感镇流器的模式，这一模式虽说存在能效较低及频闪的问题。而采用电子驱动电路的LED灯具，在野外照明场合使用时，威胁其可塑性的一个重要方面是雷电感应问题。众所周知，空中的闪电发射的是一广谱的无线电波，而架空的道路灯具供电线路，是良好的接受无线。两根电源线接收的同一闪电发出的无线电波，对驱动电路来讲是属于共模干扰信号，这种共模干扰对地可达数佰伏到数千伏，很容易击穿驱动电路内的EMC接地电容或较小的对地(对外壳)的电气间隙，造成驱动电路的损坏。另外由于我国的供电线路是三相四线制中性线接地的极性电源，所以在两根架空供电线的各段，在感应到闪电的无线电波的瞬间，由于两根供电线对地的瞬时阻抗不同而使两根供电线间产生一个差模的干扰电压，这一瞬时差模干扰电压也可达到数百伏至3000多伏，这一电压往往会击穿驱动电路的电源整流二极管和印制线路板上的不同极性电极间的电气间隙，LED控制器同样会使驱动电路损坏。要解决这一问题，必须在LED的驱动电路中的输入端，并接快速响应的压敏电阻，以保证差模干扰的泄放。由于闪电的感应干扰是重复多次的，当干扰电压高时，压敏电阻瞬时导通泄放的电流可能很大，所以采用的压敏电阻不仅应具有快速的响应能力，还应具备瞬时导通数十安培的泄放能力而不损坏。除了采用压敏电阻外，LED的驱动电路的输入端还应结合传导干扰(EMI)的防护，设计有复合的LC网络，使这些LC网络不仅能阻碍内部的EMI对电网的泄露，而且能对闪电的干扰信号起到明显的抑制作用。还有，LED驱动电路各点对地的电气间隙应保持在7mm以上，EMI防护的接地电容以及驱动电路的对地绝缘强度，应达到强化绝缘(4V+2750V)的要求，这样能使LED的驱动电路具有良好的抗差模和共模雷电感应的能力。

第1章课题整体框架 11.1课题任务 11.2课题要求 11.3研究意义 1第2章TracePro软件简介 22.1仿真软件简介 22.1.1TracePro简介 2第3章设计方案 43.1功能实现及原理介绍 43.1.1功能实现描述 43.2LED选型 43.2.1LED选型 43.3建模及属性参数设置 43.3.1单颗LED及参数设定 43.3.2路面建模 43.3.3LED阵列排布 43.3.4线路板建模 43.3.5线路板总成阵列 4第4章光学模拟及修改 134.1光学模拟 134.2模拟及结果查看 134.3原因查找及修改方案制定 134.4不同方案光学模拟及结构 134.5最终方案确认 134.6实现展示 25第5章总结 28参考文献 29致谢 30附录 311.1课题任务LED作为新一代光源，其已经大量普及，特别是在LED路灯市场，其节能，环保，寿命长，体积小等优点，加上政府重点工程采购及支持，LED路灯已加快更新替代白炽灯光源的路灯以及节能灯光源路灯。本论文将用TracePro软件设计出满足《CJJ45-2015城市道路照明设计标准》分类中机动车道路支路所使用的一款LED路灯。1.2课题要求本次课题要求用TracePro软件设计LED灯具模型，并进行光学仿真。仿真结果必须符合路灯国家标准《CJJ45-2015城市道路照明设计标准》中机动车支路所使用的的LED路灯，照度平均在8lx—10lx，均匀度大于等于0.3,以及满足国家标准《GB24827-2009道路与街路照明灯具性能要求》中短投射III类。如下图所示1.3研究意义随着技术的不断成熟，LED路灯的节能效果日益凸显，尤其是LED的智能控制特性不仅强化了LED路灯产品的优势，更大大提升了道路照明系统节能的空间。因此，在当前节能减排的大背景下，各地政府广泛推广LED路灯产品。受益于政府重点工程采购、LED路灯建设继续大规模推广等利好因素，LED路灯照明系列指数近期整体呈现持续上扬态势，大大地刺激了LED路灯照明市场在LED路灯中，反射镜类路灯因结构简单，所以在路灯市场有很大的优势。LED路灯灯中关键部件为反射镜，在其中占的成本比较高，因此对反射镜的结构进行设计与优化具有重要的意义。随着电脑的普及和光学设计软件功能的逐步完善，使很多设计变成了可能，这也有效的推动了反射镜设计技术的进一步发展。本文借助光学设计软件Tracepro，采用矩阵分布，通过模拟仿真，将反射镜结构进行了设计优化，从而达到出光面照度均匀。2.1仿真软件简介TracePro是美国LambdaResearchCo．所开发的一套光学仿真软件，是一套普遍用于照明系统、光学分析、辐射度分析及光度分析的光学仿真软件。与其它的光学设计软件相比，TracePro既具有真实立体模型的建模方法，又兼具强大的光学分析功能。尤为可贵的是，它是第一套以符合工业标准的ACIS(立体模型绘图软件)技术为核心的光学软件。设计一个照明系统，首要任务是建立一个实体模型，TracePro跟3D实体模型的兼容性非常的高，可以将AutoCAD、MechanicalDesktop、CADKEY等机械制图软件设计的模型直接导入，也可从非ACIS内核的光学设计程序（OSLO、ZEMAX、CodeV等）导入光学镜头。除此之外，你也可以自己创建一立体模型，TracePro自带的建模功能，可以建立块，柱，锥，球面和薄板，也允许你建立在光机一体机中常见的光学元件，如菲涅耳透镜（Fresnellens），反射体（reflector），灯管（tube）等。一些非规则的复杂模型，可通过布尔运算建立，布尔运算包含：相交，相减，联合。通过Sweep（填充延伸）和Revolve（旋转）命令对可以模型进行修改。不仅如此，TracePro还具有强大的物件(Object)编辑功能，移动、选装、缩放、剪切、复制、粘贴、插入等操作都非常方便直观，操作风格与Windows基本相同。作为光学仿真软件，实际物体与仿真结果中的光线的分布与光强一致或基本相同，才有实际意义。TracePro用“普适光线追迹”技术来追迹光线，这种技术允许你引入光线到一个模型，而在物件和表面相交处并没有引起额外的损失。在每个交点，个体光线遵从吸收、反射、折射、衍射和散射定律。符合实际的光路走向，使所设计的模型都能正确的分析出来。TracePro同时还具有强大的光学分析功能。分析菜单提供多种方法来显示光线追迹数据。DisplayingRays（显示光线）和RaySorting（选择光线），让你观察数据是否是你期待的结果。IrradianceMaps（光照分析图）、RayTables（入射光线表格）和PolarizationMaps（光偏正分析图）提供每一个表面的模拟结果。CandelaPlots（光强分布图）显示模型中光线数据的角度分配。VolumeFluxViewer（光通量）能够观察模型内部的流量分布。ReportsMenu（报告菜单）帮助你完成分析光线数据和模型的多种报告形式。Tools(工具)菜单包括附加的功能来帮助你完成光线追迹结果。TracePro主要功能1、光强分布

2、系统光效、亮度、照度分布

3、光照实景渲染

4、荧光粉荧光效应

5、在照明和成像系统中光的分布情况

6、系统每个元件及物面上流明的入射、吸收及照度分布情况

7、对照明精确的建模和性能分析

8、界面简洁直观，易于操作，友好的设计便于分析师和工程师的运用

9、能与CADSolidworksAutoCadProEngineer等格式3D模块接TracePro应用范围TracePro具有广泛的应用领域能模拟所有的类型的显示系统、照明系统，从背光到前光、光管、光纤以及LCD投影系统，目前广泛应用于汽车照明系统（前头等、尾灯、内部及仪表照明）、望远镜、照相机、红外线成像系统、导光管、投影显示系统、背光源系统等。TracePro可以同时或个别考虑反射、折射、吸收、双向散射(BSDF)、体散射(bulkscatter)、渐变折射(gradientindex)、光学薄膜(thinfilmstack)、荧光粉(Fluorescence)及偏振膜(polarization)等光学材料行为。搭配MonteCarlo的统计采样计算方法，其光线追迹的结果十分可靠，能够准确地预测光学行为。TracePro是一套与工业设计软件可以快速而轻易接轨的光学分析软件，能显著提升企业对产品研发创新的能力；而其准确可靠的分析能力，使其在全球与台湾的市场占有率都非常的杰出，并被各项产业广泛地使用。3设计方案3.1功能实现及原理介绍3.1.1实现功能描述此LED路灯采用LED直接照射发方式来实现，通过阵列几块不同角度线路板上的LED直接照射来实现，每块线路板上阵列排布多颗LED。此LED路灯包含灯罩、多个线路板、灯壳、底座组成成。LED均匀布置在线路板上，每个线路板之间有角度。如图下所示。3.2LED选型及排布3.2.1LED选型LED英文为（lightemittingdiode），LED灯珠就是发光二极管的英文缩写简称LED，这是一个通俗的称呼。LED分类：分为插件式和贴片式插件式LED贴片式LED随着LED产业的反发展，以及自动化的应用，贴片式LED的焊接和自动化程度要优于插件式LED，并且贴片LED直接通过SMT设备高速自动化焊接质量及效率要高于插件式LED，采用自动化SMT贴片焊接，使得制造工艺简化，大大节约人力、节约成本。故此LED路灯采用贴片LED.根据国家标准《CJJ45-2015城市道路照明设计标准》中4.1.3的要求，当采用发光二极管（LED）灯光源时，应符合，光源的显色指数不宜小于60，并且光源的相关色温不宜高于5000K，优先选择中或者低色温光源。所以最终选择CREE公司的XBDAWT-00-0000-00000LBE7为本次路灯设计用LED，具体参数如下：1、规格尺寸2、配光曲线3、光通量及色温3.3建模及属性参数设置3.3.1LED建模及参数设置本次路灯设计用LED选择CREE公司的XBDAWT-00-0000-00000LBE7,LED模型根据规格书来设置第一步●从“插入”下拉菜单中，选择“几何物件”命令。●选择“方块”模型，输入宽度X=2.45，Y=2.45，Z=0.76，中心位置（0,0，-0.38）点击“插入”创建第一个方块。第二步●从“插入”下拉菜单中，选择“几何物件”命令。●选择“球体”模型，输入半径1.09，中心位置（0,0，0）点击“插入”创建球体。第三步●从“插入”下拉菜单中，选择“几何物件”命令。●选择“方块”模型，输入宽度X=3，Y=3，Z=3，中心位置（0,0，-1.5）点击“插入”创建第二个方块。第四步●求差集，选择要预留的球体，按住Ctrl键，选择第二个方块，最后点击差集，求差第五步●求交集，选择求差集后的球体，按住Ctrl键，选择第一个个方块，最后点击交并集，求和LED光源参数设定，●从“定义”下拉菜单中，选择“表面光源设定”命令，并选择LED发光面,由于此LED是通过芯片发光，发出的光线经过LED上的球面折射，使LED发出的光线成180°，此处将球面作为发光面来定义表面光源参数。根据LED选型得知LED的光通量，选择Q3，光通量选择133m。在表面光源中，发射形式选择“光通量”，单位选择“光度学”，场角分布选择“Lambertian发光型场”总光线数设置10000条，光通量设置133lm，波长为0.5461，点击“应用”，完成LED表面光源参数设置。3.3.2路面建模国家标准《GB24827-2009道路与街路照明灯具性能要求》中短投射III类，横向距高比1.75~2.75，取1.875；纵向距高比1~2.25取1.625；路灯高度按照10m，并且预留5m宽的人行道。得知，路面的尺寸如下，●从“插入”下拉菜单中，选择“几何物件”命令。●选择“方块”模型，输入宽度X=30000，Y=18000，Z=1，中心位置（0,5000，8000）点击“插入”创建路面。3.3.4LED阵列排布参考相关论文文献可知，LED是一种非相干光源，几个LED对平面上某一区域的光照度为单个的叠加。如果要让两个同一平面的LED光照度均匀性较好，要满足d=0.21×z，其中d为两个LED之间的最大距离，z为LED与接受面的距离。由于路灯照射到地面上的距离比较远，以及考虑到LED散热等问题，所以设置LED的间距为15mm，共布置在5块线路板上，每块线路板上布置10颗LED，即LED总数量设置为50颗，●选择LED，点击右键“移动”移动距离，移动方向为Y向，移动距离为15mm，点击复制，依次创建10颗LED的阵列排布3.3.5线路板建模及参数设置●选择“方块”模型，输入宽度X=12，Y=160，Z=1.6，中心位置（0,67.5，-1.6）点击“插入”创建线路板●线路板属性设置，为了提高LED散热效果，并增加LED光利用率，线路板采用铝基板，上面涂刷白色油漆。通过“点选物面”命令，选择线路板表面，点击右键，选择“属性”命令，在应用特性“表面”中，目录选择“Default”，名称选择“flatwhitepaint”。将表面设置成白色喷漆面。点击应用，完成线路板属性设置。3.3.6线路板总成阵列●按住Ctrl选择刚才设置好的线路板,以及选择后的10颗LED，点击右键“移动”移动距离，移动方向为X向，分布向+X向阵列两块线路板总成，向-X向整理两块线路板总成，移动距离为40mm，点击复制，依次创建5块线路板总成的阵列排布。4光学模拟及修改4.1光学模拟●点击“光线追迹”命令，等待完成。4.2模拟及结果查看●选择路面为接受面，并点击“辐照度分析图”命令，查看照度分布。通过分析得知，LED路灯的照射到地面上，平均照度为7Lx＜8Lx，均匀度为0.06＜0.3，均匀度和平均照度都不满足国家标准。4.3原因分析及修改方案制定通过初步分析得知，LED都在同一平面上，LED发出的光线，基本上集中在LED正向照射区域，离LED越近，照度越高，反之，离LED越远的区域，其照度就越低，那么，有什么方法可以改善以上情况。由结果可以看出，导致光线聚焦的原因是LED在同一平面上，那么只要LED不在同一平面上，以上结果就可以得到改善。通过4种不同角度