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LED路灯优势、实现方案和推广前景

晨怡热管 冯旭升 2009-9-9 22:32:52
半导体材料制作的发光二极管--LED,近年来技术上取得了重大突破,白光发光管的发光效率已经达到了荧光灯的水平,08年将达到钠灯的水平。半导体光源节能、长寿命、安全、环保、耐闪烁、色彩多样、调控方便等诸多优点,必将取代传统光源引发照明产业的又一次革命。
 
      由于光效和成本方面的原因,半导体光源目前还不能在大面积白光泛光照明方面和传统高效光源竞争,但是在小功率照明、局部照明、安全照明、闪烁照明、彩色照明等方面具有传统光源难于比拟的优势。
路灯主要是为了照亮路面,属于局部照明。半导体光源之所以适合用于局部照明,是由于LED是个点光源,发光角度便于控制。在生产时也可以制作成各种发光角度的产品,也可以利用反光镜灯方法对光路做进一步的调理。利用特定发广角的光源做局部照明可以使光源发出的光得到更有效的利用,和不便控制发光角度的光源相比,可以用比较小的功率达到满足要求的局部照明效果,因而实现节能。为此,许多企业进行了有益的探索,使半导体路灯逐渐实用化。但是,从近几届照明方面的展会上看,许多企业展出的LED路灯根本没有考虑和利用LED的特点,做出来的路灯仅仅是点亮了而已,根本谈不上照明效果和节能效果。为此本文以90瓦的半导体路灯为例介绍半导体路灯的结构特点和实现方案,以供相关企业研制产品时参考。
 
做好半导体路灯的基本思路:
      做LED路灯首先要考虑照射范围。路灯要求的是路面照明效果,照空中和路边的空地不是路灯的任务。因此,要用多种角度组合的发光管或者用反光镜的方法有效的控制光线的分布范围,使发光管发出的光成为一个长条形光带沿路面方向铺展,实践证明,这样制作的半导体路灯90瓦左右的功率就能超过250瓦纳灯对路面的照明效果,节能效果显著。
      要做好半导体路灯首先要合理的选用发光管。一般来说,做半导体路灯既可以选用小功率发光管,也可以选用大功率发光管。但是,实践证明,小功率发光管虽然有发光器件成本低的优势,但是,其光衰却比大功率发光管快,并且用的管数太多,装配麻烦,综合考虑,选用大功率发光管比较合理。从目前大功率发光管的技术水平来看,1瓦管光效比较高,用于照明节能优势明显。和1瓦的发光管相比,3瓦的发光管光效低于1瓦管,同等光通量下价格优势也不明显,目前选用1瓦管做路灯光源更为合理。
       半导体光源结构上和光学特性上有自身的特点,因此,半导体路灯应该按照这些特点设计灯具,用传统灯具外壳换个半导体灯的灯芯是做不出好半导体灯的。半导体路灯结构设计上要解决好的问题是灯体外部造型,发光管的安装、照射范围的调整、发光管的散热、灯体的密封。同时,所设计的灯体结构还要有利于大批量工业生产。
      用1瓦的发光管做灯发光管的安装比较简单,如果选用的驱动器是隔离结构的,发光管的底座和管芯也是绝缘的,只要把发光管固定在散热器上就可以了。但是,如果使用的是不隔离结构的驱动器,发光管和散热器之间的绝缘处理就比较严格,要能达到一定的安全标准。绝缘和导热常常是矛盾的,良好的绝缘结构往往对散热不利。因此,建议选用隔离型驱动器驱动发光管。
      照射范围的调整是做好半导体灯的重要环节。为了有效的利用光线,应该发挥发光管照射方向便于调控的优势,使发光管发出的光形成一条光带铺在路面上,而不要在无效方向上散射。要做到这一点,结构上最简单的办法是用多种角度的发光管组合,或者用反光镜、透镜的方法控制照射角度,分别兼顾不同的照射距离。比如,用发光角60度、30度、15度的三种发光管组合,分别用于照射附近、中、远距离路面的照明,使发光管输出的光均匀的覆盖两盏灯之间的半距离路面,覆盖宽度基本上和路面宽度吻合,这样就可以用比较小的功率有效的照明道路。使之实现最佳照明效果。要达到这样的照明效果,发光管的安装角度必须合理。
 
       发光管的散热是半导体灯要重点解决好的问题。发光管是冷光源,不象白炽灯那样产生灼热的高温,但是,发光管本身耐温能力比较差,所以必须将发光管工作时产生的热量有效的散发到空气中去,保证发光管工作在安全的温度下,这样半导体灯才能真正的体现出长寿命的优势。 
发光管的管芯和白光发光管涂覆的荧光粉都是在几百度的高温条件下生产出来的,本身有一定的耐温能力。但是,发光管的管壳和管芯之间存在热阻,这个热阻使发光管在使用时管壳和管芯之间出现温差,管芯的温度会高于外壳温度。目前发光管外部封装的材料主要是有机材料,在高温下容易老化。这会影响发光管光线的透出,因而降低发光管的外部光效。为了不使高温降低发光管的发光效能,就要把发光管使用时产生的热量散出去。但要散到什么程度?散热器温度和发光管管芯温度有什么关系?这是必须要明白的问题。
 
      由于发光管生产技术的进步,大功率发光管内部的热阻越来越低,目前1瓦的发光管的热阻普遍在15度/瓦以下,也就是说,给1瓦的发光管加1瓦的电功率,管芯比管壳的温度只高15度。按照目前发光管管芯材料的耐温水平,管芯温度不超过150度就能长期安全的工作。这样推算,外壳温度在135度时可以安全使用。但是,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度,这样管芯温度只有85度,发光管的透明封装材料也不会快速老化。长期稳定工作没有问题。因此,没有必要将半导体灯工作时的温度降得很低,但必须减小发光管外壳和灯体外壳之间的热阻,这样就可以以比较小的体积和比较低的成本生产稳定工作的半导体灯。
 
      半导体路灯灯体的体积都比较大,因此,散热的有效的方法是充分利用灯体的外壳实现散热。要做到这一点,首先要使发光管产生的热量能够顺利的传导到外壳上,再就是外壳要有足够的面积和空气接触以实现有效的热交换。问题是,怎样合理的把发光管产生的热量传导到外壳上,怎样有效的增大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。
 
驱动器选用是制做好半导体灯的又一个重要环节。
      驱动器的作用是把市电不稳定的交流电压变成稳定的直流电流驱动发光管工作。为了连接简单,电流均衡性好,驱动器都能串连驱动多只发光管。常用的驱动器有和市电不隔离的结构也有和市电隔离的结构两大类。从结构简单成本低角度考虑可以选用不隔离驱动器,但是不隔离驱动器使用中最大的危险性在于驱动器出现主开关管穿通的故障时大电流会通过所有的发光管,烧毁发光管造成较大经济损失。并且不隔离驱动器对发光管和散热器之间的绝缘要求很高,否则灯壳有可能带电。做这种高可靠的绝缘处理影响发光管向散热器传热,使发光管结温升高加速光衰。隔离驱动器成本略高于不隔离驱动器,但是安全性好,即使驱动器出现故障,一般也不会引起烧毁发光管的连带故障。并且由于隔离驱动器内部有满足安全标准的电气隔离,因此,发光管和散热器之间做一般绝缘处理即可,灯的生产工艺简单,成本低,热阻小利于发光管散热。选用驱动器的数量可以用一个驱动器驱动所有发光管,也可以用多个驱动器驱动发光管,考虑驱动器出故障时不会完全灭灯,选用多驱动器方案。实际选用高效率的AD-2A40X1W隔离型驱动器,这种驱动器每个可以驱动30--40只串联的1瓦发光管,90只发光管用2个驱动器分2组驱动,电源变换效率大于90。这样,既保证了合理的生产成本又有一定的容错能力,实践证明是一种合理的技术方案。
 
      驱动器的安装位置也有讲究,可以安装在灯体内部,也可以安装在灯体外部。安装在灯体内部的好处是灯可以成为一个完整的产品拿到现场直接安装,其缺点是如果灯在使用中出现故障需要把灯从灯杆上卸下来处理,比较麻烦。如果驱动器安装在灯体外部,可以安装在灯杆下面的工作窗里,隔离型驱动器可以选用这这种方式安装,原因是隔离型驱动器就是出现故障一般也不会烧毁发光管,仅仅处理驱动器故障就不用再上灯杆了,故障处理简便。但商品化的路灯驱动器必须装在灯体里做成一体化结构。
 
      推广半导体路灯要考虑综合优势。仅仅从节电角度来讲,LED路灯的耗电量是钠灯的三分之一,但其价格比钠灯高许多,用LED灯代替钠灯成本回收周期会很长。但是,不能只从单灯的耗电量上来算经济帐,还要考虑用LED灯线路容量和供电设备容量也相应的减少为钠灯的三分之一,并且使用寿命长,延长换灯的时间,维护工作量小,因此,综合使用成本远远低于道路照明最常用的钠灯,值得推广。
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