LED道路照明灯具设计(共4页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上 LED道路照明灯具设计LED路灯的特性：LED灯语传统的照明灯不同，它具有点亮源、功率大、窄光束输出等特点，因此对LED新型灯具的设计业提出了更高的要求。设LED路灯首先要考虑把有限的光通量充分地利用到有效的照射范围。路灯的要求是路面照明效果，超出路面的空地不是路灯照明的区域。因此，应有效地控制光线分布范围，使LED灯发出的光成为长条形光带沿着路面方向辅展，同时也要避免眩光的产生，在驾驶员观看灯具的方位角上，灯具在80和90方向上的发光强度分别不得超过30cd/1000lm和10cd/1000lm,且不管光源光通量的大小，其在90角上方的发光强度最大不得超过1000

2、cd。因此，如果对出光角不加严格控制就会产生强烈的眩光，某些大功率LED产品甚至会对人体造成一定的光辐射危害。路灯照明是系统工程，要设计出高性能的LED路灯，首先要弄清楚认识到了照明的标准及要求，常规照明登记的配光原来、球形面光的反射器和电光源的合理配光差别之处，以进行优劣互补，充分发挥LED电光源、光束角的可控性优点及冷光源长寿面的优势。LED路灯的发光源选用很重要，优点使用集成封装10W以上单只，组合制作路灯，存在光学配光难、易产生眩光、整体散热困难等缺憾。也有的采用3-5W的模块，发光效率低，也存在整体散热问题，与单只1W的LED光源相比，相同光通量下价格优势也不明显。综合考虑，选用大功

3、率1W的LED比较合理。从目前大功率LED的技术水平来看，1W LED的发光效率比较高，用于照明节能优势明显。LED的光色也是一个值得重视的要素，例如黄光和白光。黄光灯是现在主流的高压钠灯，经济节能，有优异的透雾性能，所以目前成为我国主要的路灯选择。黄光的不足是色彩还原能力差，例如人们有这样的感觉，在钠灯光下，任何被照物的颜色都是偏黄而失真的。白光灯的追求目标是自然阳光，白光有最好的色彩表现能力，而阳光又是一种偏暖的白光，如果能做到和日光相似的白光，同时又能兼顾到黄光灯经济节能的优点，则将是理想的夜间照明选择。白光灯的前期是金卤灯，尽管它拥有比黄光灯高几倍以上的色彩表现能力，但是因为透雾性能差

4、、有效寿命低等而没有得到大规模的应用。采用LED光源则可弥补这一缺陷，LED光源的色温选择3500K左右较为合适，在明视觉和舒适度上符合照明要求，在当今LED的光效发展及性价比上也是可行的，适合LED路灯的大面积使用。LED在光源结构和光学特性上有自身的特点，LED路灯应该按照这些特点设计灯具。采用传统灯具外壳而仅仅换个LED光源，用过渡传导方式散热则设计不出高性能的LED路灯。灯体外部造型要结合LED的散热设计，同时，所设计的灯体结构还要有利于大批量工业生产。而散热与面积有关，现有照明灯具的表面积远远满足不了焦耳热定律所要求的良好的自然空气对流环境。LED产品的工作温度要控制在65一下（国际

5、标准为80，当LED工作温度达到85时，光通量将下降一半，波长变长，即红移，超过90既有烧毁的危险）。因此应该注重LED的安装、科学合理的光学配光、灯体的密封等。散热是LED路灯设计要重点解决的问题，LED是冷光源，不像白炽灯、气体放电灯那样产生灼热的高温，当今LED发光效率的局限性是其本身也存在热能，耐温能力有限，所以必须将LED工作时产生的热量有效的散发到空气中，以保证LED工作在安全的温度下，这样LED光源才能真正体现出长寿面的优势。使用色温为6000K以上的白光灯作为路灯光源，目前对此仍有不同观点，特别是160W以上，在快速路上应用时。按照国家到了照明标准，快速路。主干路必须采用截光型

6、或半截光型灯具。截光型灯具。 灯具的最大发光强度方向与灯具向下垂直轴夹角在 0-65之间， 90角和80角方向上的发光强度最大允许值分别为10cd/1000lm，和30cd/1000lm的灯具。不管光源光通量的大小，其在90角方向上的发光强度最大值不得超过1000cd。半截光型灯具。 灯具的最大发光强度方向与灯具向下垂直夹角在 0-75 之间， 90角和80角方向上的发光强度最大允许值分别为50cd/1000lm，和100cd/1000lm的灯具。不管光源光通量的大小，其在90角方向上的发光强度最大值不得超过1000cd。因快速路道路长、路幅宽、车流量大、车速快、对视觉灵敏度要求高，所以在照度

7、、色温、道路上的亮度均匀度、眩光等指标要求高。2.灯具结构组成结构。LED路灯由铝合金压铸灯体、LED模块、钢化玻璃透光罩、AC/DC恒流驱动器。电气室盖板五部分组成。功能结构。由散热灯体、光源室、灯器室三部分组成。3.LED路灯散热设计LED的管芯和涂覆的荧光粉都是在几百摄氏度的高温条件下生产出来的，本身有一定的耐温能力，但是LED的外壳和管芯之间存在热阻，使LED在使用时外壳和管芯间出现温差，管芯的温度会高于外壳温度。由于LED 生产技术的进步，大功率LED内部的热阻越来越低，目前1W的LED的热阻普遍在15/W以下，即给1W的LED加1W的电功率，管芯比管壳的温度只高15。按照目前LED

8、管芯材料的耐温水平，管芯温度不超过150就能长期安全工作，则可知外壳温度135时就可以安全使用。由于外壳封装材料的限制，实际使用中的管壳温度最好不超过70，则管芯温度只有85，LED的透明封装材料也不会快速老化，可长期稳定工作。因此，没有必要将LED灯工作时的温度降得很低，但必须减小LED外壳和灯体外壳之间的热阻，以比较小的体积和比较低的成本生产稳定工作的LED灯。要有效地散热、减小灯的体积和生产成本，灯体必须有合理的散热结构。怎样合理把LED产生的热量传导到外壳上，有效增加外壳和空气的接触面，并且有利于空气在外壳表面上的流动，就是灯体热结构设计要解决的问题。根据光通量（lm）与辐射通量（W）

9、的当量关系，1W的辐射通量在最理想的情况下（黑体辐射）可能产生的光通量为638lm，从长远看LED灯具的散热问题将是一个长期存在的问题。目前LED路灯的散热方式主要有自然对流散热、加装风扇强制散热、热管和回路热管散热等。加装风扇强制散热方式系统复杂、可靠性低；热管和回路热管散热方式成本高。路灯为户外夜间使用，散热面位于侧上面，灯体受限制，因此应采用空气自然对流散热方式。在LED路灯散热设计中可能存在的问题有：散热翘片面积随意设定，使散热翘片不知方式不合理，灯具散热翘片的不知没有考虑到灯具的使用方式，影响翘片散热效果的发挥。强调热传导环节，忽视对流散热环节。尽管众多的厂家考虑了各种各样的措施，如

10、热管、回路热管、加导热硅脂等，却没有认识到热量最终还是要依靠灯具的外表面扩散。忽视传热的均衡性，如果翘片的温度分布严重不均匀，将会导致其中一部分翘片（温度较低的部分）没有发挥作用或作用有限。现在LED 路灯散热技术一般多使用导热板方式，导热办是一片5mm厚的铜板，实际上是均温板，可把热源均温掉。也有的通过加装散热片来散热，但是质量太大。在设计路灯系统是应注意质量的选择，因为路灯较高，有9m，若太重危险较大，尤其是遇到台风、地震时极可能发生意外。未来LED广泛进入路灯领域后，可能形成模块化散热，会更好地改善LED路灯散热难的状况。要确保大功率LED的安全使用，保证光源及电源的散热条件，其灯具的尺

11、寸会做的较大，增加了设计难度，成本也会提高。现今的LED色温和光通量存在局限性，在大功率的安全制作及性价比方面不够完善，难以得到推广。要设计高性能的LED路灯，首先要好灯具的散热设计，然而散热和灯具的安全防护又存在矛盾，在设计中应两者都兼顾。若用铝合金型材组合路灯，将一块AA6063型305mm500mm的平板散热器型材和不锈钢外框组合，将LED粘贴在铝基板上制作成模板，在模板的地步涂抹导热膏用螺钉固定于铝合金型材散热器平板上。此种结构路灯的热传导和散热效果均佳，能将LED所产生的热量迅速传导到散热器，在通过裸露在空气中的散热鳍片散发到空气中，由流动的空气带走热量，但是由于整个灯具由多个部分连

12、接组合而成，产品一致性差，在防渗水安全上仅靠防水胶是极不可靠的，所以在防护等级上达不到（GB700.1-2002灯具一般安全要求与试验，GB700.5-2005道路与街路灯照明灯具安全要求）的要求。更主要的缺点是所有的LED均安装在一个平板上，无法对灯具进行配光，故仍有待进一步完善。 利用传统路灯头改制的LED 路灯，采用铝型材做散热器，将整个光源和驱动电路装入铝合金灯壳中，虽然解决了灯具的保护等级问题，但是整个光源密闭在灯壳中，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，而使LED随着温度的升高而出现光衰甚至损坏，驱动器也因温度超高

13、而损坏，降低了LED灯具的可靠性和使用寿命。LED路灯散热与防护是一个行业的难题，应在材料选择、结构设计上进行系统的优化设计，才能解决LED的路灯散热与产品的防护这一矛盾。散热材料的选择。目前LED路灯散热器所采用的材料大多为金属材料，主要考虑以下方面：导热性能好。相对其他固定材料，金属具有更好的热传导能力。 易于加工。延展性好，高温相对稳定，可采用各种加工工艺。 易获取，价格也相对较低。热传导系数越高越好，但同时还需要兼顾到材料的机械性能与价格。金、银热传导系数较高，但质地柔软、密度过大、价格过于而得不到广泛采用。铁则由于热传导率过低，无法满足高热密度场合的性能需要，不适合用于制作高性能散热

14、片。铜的热传导系数也很高，但因为硬度不足、密度较大、成本稍高、加工难度大等，而在散热片中使用较少。铝由于热传导系数较高、密度小、价格低儿收到青睐；由于纯铝硬度较小，在各种应用领域中通常会掺加各种配方材料制成铝合金，可获得许多纯铝所不具备的特性，因此成为散热片加工材料的理想选择。根据不同的需要，通过调整配方材料的成分与比例，可以获得各种不同的特性的铝合金材料，适合于不同的成形、加工方式，应用于不同的领域。采用一体化铝合金压铸散热外壳。根据道路照明灯具的功能需要及灯具的防护安全等级的规定，将整个灯具分成三部分来设计：整体、散热、外壳。光源室、电器是，选择AA1070铝合金压铸一次性成型。散热片的散

15、热效果主要取决于散热片与发热五天接触部分的吸热底和散热片的设计。性能优秀的散热器，应满足三个要求：吸热快、热阻小、去热快。 吸热快、即吸热底与LED模块间热阻小，可以迅速吸收其产生的热量。为了达到这种效果，就要求吸热底与LED模块结合尽量紧密，令金属材料与LED模块直接接触，最好能够不留任何空隙。散热器的整体热阻由与LED模块的接触面开始逐层累计而来，吸热底内部的热传导阻抗是其中不可忽视的一部分。为了将吸收的热量有效地传导到尽量多的鳍片上，还需要吸收底有较好的横向热传导能力，在设计灯具时吸热底要有足够的厚度，同时考虑LED模块的安装孔位进行加筋，以加强灯具的整体性和机械强度。 热阻小。为了提升

16、吸热能力，希望散热片与LED模块紧密结合，不留任何空隙，压铸出来的表面是无法实现这个要求的。吸热底与LED模块之间必然存在一定的空隙，如果空隙中是高热阻的空气，就无法得到良好的导热效果，因此，应采用具有较低热阻及较佳适应性的材料填充其中的空隙，可采用导热衬衬垫。导热膏的热阻始终高于加工散热片的金属材料，使用导热衬垫并不是最佳的方法，要想从根本上提高散热片吸热底的吸热能力，就必须提高其底面平整度。平整度是通过表面最大落差高度来衡量的，通常散热片的底部稍经处理即可达到0.1mm以下，采用铣床或多道拉丝处理可达到0.03mm，散热片的吸热底约平整热阻越小，但增加了制造成本。 去热快。由于将LED模块

17、的吸热底和散热鳍片压铸成一体，即能够将从LED模块吸收的热量迅速地传导到鳍片部分，整个灯体和散热鳍片上部是裸露于空中的，而且鳍片的方向是平行于道路，需要散发的热气与气流方向一致，不会因气流而形成涡流而造成热气的滞留，进行由流动的气流顺利带走而散发，以最快的速度将热量散发。由于在设计上整个灯体的上部无任何开口，整体的加工为铝合金一次性压铸成型，在整体的上部不存在渗水和防尘问题，仅对灯体向下方向的光源室和电器室进行防护即可，这样使得防护问题更简单，只需采用硅橡胶条进行防水防尘，就能达到IP65的防护等级。上述的一体化LED路灯灯体，具有吸热快、热阻小、散热顺畅、防护等级高、机械强度好的优点，能将L

18、ED模块结温控制在60以下。又因为在户外使用的道路灯具，应具有一定等级的防尘防水功能（IP），而良好的IP防护往往会妨碍LED的散热。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，而且还有关系到LED的使用寿命。国内目前出现的不合理情况有：对LED采用了散热器，但LED连线的接线端子及散热器的合计无法达到IP45及以上要求等级，无法满足GB7000.5-2005/IEC 6598-2-3标准要求。采用普通的道路灯具外壳，在灯具出光面内用矩阵式LED，这种设计虽说能满足IP试验，但是由于灯具内不通风会造成在工作时灯具内腔的温度升高到5080，在如此高温的工况下，会影响LED的发

19、光效率和使用寿命。在灯具内采用了仪表风扇对LED及散热器进行散热，其进风口设计在灯具的下方，以避免雨水的进入，出风口设计在下射LED光源的四周，这样也能有效避免雨水的进入，另外散热器和LED（光源腔）不处于同一空腔内，这种设计如做得好，按灯具的IP试验要求，是能顺利通过试验的。这一方案不仅解决了LED的散热问题，而且满足了IP等级的要求。但是这种设计实际上存在很明显的不合理情况。因为在我国绝大多数道路灯具的使用场合，空中飞尘量是较大的，有时会达到很大（例如沙尘暴），这类灯具在一般条件下使用一段时间后（约三个月至半年），其内部散热器的缝隙内就会塞满灰尘，使散热器的散热性能下降，最后还会使LED因工作温度过高而使用寿命明显缩短。LED路灯灯具的设计要兼顾LED的散热及IP防护，较合理的设计指导思想是：在关键的散热位置，采用导热板。导热板在金属板的内部，均布有供冷媒介流动的细导管，并在细导管内充有冷媒介，当导热板的某一部位受热时，细导管内的冷媒介会快速流动而使热量迅速的传导。较好的导热板的热传导系数可以达到同厚度铜材板的812倍，但成本会较高。目前大部分的道路灯具外壳是铝材的，直接利用灯具外壳外面作为散热器既可以保证IP防护等级的要求，也可以得到很大的散热面积。另外，灯具外壳组成的散热器在有落尘时，可以通过自然的风雨冲洗，从而保证散热器工作的持续有效性。专心-专注-专业