大功率LED在高架匝道上的应用研究

2013-12-04李涛

照明工程学报 2013年6期

李涛

(苏州城市照明管理处，江苏苏州 215005)

1 引言

LED作为新一代绿色环保型固体照明光源，已经成为人们关注的焦点。与传统的白炽灯和荧光灯相比，它具有高亮度、低能耗、长寿命、方向性好、响应快、环保等优点。目前单灯LED的输出光通量在色温4000K时已高于90lm W，远高于普通的荧光灯，结合LED的这些特性我们在高架匝道上使用了LED匝道灯。为了使LED匝道灯能充分发挥其效能，就必须对LED匝道灯的配光分布、光效、眩光等参数进行分析研究，本文将采用配光计算法计算，用DIALux软件对所设计的大功率LED匝道灯进行验算和仿真分析，以保证LED匝道灯充分发挥其特性，在合理的配光、光效、眩光等范围内工作，并保证其各项节能指标。

2 LED匝道灯应用场地分析

高架匝道特别是蝶形匝道道路路型非常复杂，也是引起交通事故频发的地段，要保证匝道上的基本照度，同时又要保证整体建筑的设计风格。匝道照明的最理想处理手段就是在匝道的防撞护栏内侧安装匝道灯，要安装匝道灯首先就要考虑到配光分布、眩光、频闪等问题，下面就以下几种情况来分析:

(1)在车辆行驶前方两侧防撞护栏内的匝道灯不能有直射光照射到驾驶员眼内，以防眩目 (见图1、图2)。

(2)在车辆行驶后方两侧防撞护栏内的匝道灯不能有直射光通过反光镜反射到驾驶员眼内，以防眩目 (见图1、图2)。

图1 有眩目Fig.1 Dazzling

(3)车辆在匝道上行驶途中，前方的路面除了要保证国标所规定的基本照度外，还必须保证均匀度不会给驾驶员造成头晕目眩的频闪现象，这就要考虑到配光分布。

图2 无炫目Fig.2 No blinding

(4)匝道的坡度问题 (上匝道及下匝道)，这时要考虑的是，在车辆行驶前方 (上匝道)和后方(下匝道)两侧防撞护栏内的匝道灯不能有直射光照射到驾驶员眼内，以防眩目 (见图3)。

(5)匝道上温度、湿度、灰尘及震动等环境问题，这时要考虑的是匝道灯安装在这种恶劣环境中，不但要安全可靠地运行，还要满足其使用寿命。

图3 匝道灯局部纵断面位置图Fig.3 Ramp lamp position

3 LED匝道灯灯具分析

从上述分析不难得出结论，唯一情况是向下配光才不会造成眩光，由于安装场地局限性 (在防撞护栏内)、安装高度低，又要向下配光而且配光方向性要求比较高，散射光要尽量少，灯具功率及整体外形均不能大，还要考虑到温度、湿度、灰尘及震动等环境因素的影响，采用传统灯具实现上述条件有一定难度。

根据这种情况我们开始考虑是否可采用LED光源，从现行的LED光源出光的光通量及性能价格比分析能否满足基本照度需求，图4为一款Cree芯片性能指标。

图4 XLamp XT-E 白光 LED［6］Fig.4 XLamp XT-E W-LED

Cree XLamp XT-E白光LED是目前最高性能的白光LED，采用最新一代的Cree碳化硅基 LED芯片构建，可实现更高的光通量和功效，对于冷白光(6000 K)最高可实现每瓦特148流明，对于暖白光(3000 K)最高可实现每瓦特114流明 (均采用350 mA和85℃)，该产品特性见图5、图6、表1。

表2提供了XLamp XT-E白光LED的几个基本订购代码。请特别注意此处所列的基本订购代码只是产品系列全部订购代码的一小部分。如需要更多订购代码，以及订购代码命名规则的详细说明，请参阅XLamp XT-E分档和标贴文档。

从Cree芯片所提供资料可以看出以下结论:

图5 相对光通量与结温曲线图(IF=350mA)-白光Fig.5 Lumen and junction temperature(IF=350mA)

图6 相对光通量与电流曲线图(TJ=85℃)-白光Fig.6 Lumen and current(TJ=85℃)

表1 特性Table 1 Characteristics

表2 光通量特征－白光 (TJ=85℃)Table 2 Lumen parameter(TJ=85℃)

①结温和环境空气温度的影响:随着结温的升高特别是黄光光通量成几何倍数下降，而工艺改进，现在的最高结温已达到150°。从上面参数可以看出LED的结温和环境空气温度分别维持在不高于90℃和85℃ (厂家给出的测试点)就可以达到LED芯片的流明维持率。

②正向电流的影响:最大正向电流直接影响着环境空气温度的高低，它也是决定结温和环境空气温度是否升高的关键指标。

③根据市场调研，其价格为10元 Pcs左右。

根据上面的分析大功率LED光源已经完全达到实用阶段。

下面就LED高架匝道灯进行亮度计算及散热器的选择来确定灯具。

4 亮度的计算

根据城市道路照明设计标准CJJ45—2006路面平均亮度计算公式［3］:

式中 r(β，γ)——简化亮度系数 (查 CJJ45—2006附录A);

I(c，γ)——灯具指向c、γ所确定的方向上的光强 (见图7)。

因为进行亮度的计算过程比较复杂，我们采用DIALux照度软件来计算同样能达到目的，参数选择见表3。

根据计算结果 (表4)我们初步确定了灯具的功率为15W，在实测中又反复做了10多次调整，接下来进行灯具的散热部分的计算。

图7 确定路面亮度系数的角度Fig.7 Angle for road luminance factors

表3 参数选择Table 3 Parameter selection

表4 计算值Table 4 Calculation result

5 灯具散热器的计算

5.1 散热器材料确定

PN结点结温的表达式为

其中，Pd为芯片组耗散的功率，Rja为PN结点到环境的总热阻，Tj、Ta分别为PN结的结点温度和器件周围的环境温度。

PN结点到环境的总热阻为

其中 Rjs是从结点到热沉;

Rsb是热沉到散热电路板 (铝基板)的热阻;

Rba是散热电路板到环境空气的热阻 (传导热阻)。

若设PN结的结温为85℃，环境温度为65℃，选用12粒大功率LED的总功率为Pd=12W，根据式 (1)可得:

因Cree XLamp XT-E的热阻可达到5℃ W，最大功率为5W，本文选择热阻为5℃ W 的LED，即Rjb=5℃ W，根据式 (2)可得:

Rba=Rja－RjbN=1.67－5 5=0.67℃ W，传导热阻Rba小于0.67℃ W的散热器是可以满足要求的。

5.2 铝散热器的翼片估算

在铝散热器与空气对流时，散热器的形状和位置不同，散热效果则不同［6］，流体沿着翼片的表面流过，此时的散热效果最好，此时的热传导率为:

通过热传导实现的散热量 (W)=热传导率［W (m2·℃)］×散热面积 (m2)×与周围的温度差 (℃)

假设我们在80℃的散热板上，让40℃的空气平行流过强制空冷散热片，流速为2m s，散热片为75mm×20mm。

双面就是2.4W(翼片的两个侧面)。

但实际上不可能整个翼片都是相同的温度。也许接近芯片的部分是80℃，但翼片上方的温度会略微下降。因此，散热量会小于上述的2.4W，例如，会减小到70%或者85%，这就是“翼片效率”，翼片效率可通过翼片的热传导率及尺寸进行计算。

式中 d——翼片长度 (m)

假设铝的热导率我们按 170 W (℃·m)，厚度1mm，我们将其代入到公式 (3)中，得出翼片效率为81%。就是说，每枚这种翼片的散热量约为1.94W。散发18W(考虑了电源部分功耗)的热量，那么就需要10枚翼片，我们又考虑到安装在防撞护栏内通风情况不好、南方地区夏天温度高、环境恶劣等因素的影响，所以选了21枚翼片。

通过上面的计算分析及数据比较，确定了灯具外形尺寸:255mm×135mm×45mm，灯具外壳材质采用压铸铝，面板为高强度、高透明、耐高温、防UV紫外辐射的平面钢化安全玻璃 (厚4mm)，玻璃压盖选用了厚度≥2mm的不锈钢材质，再加了一圈耐高温密封圈，保证灯具防护等级为IP65，同时能满足在恶劣环境下灯具能稳定可靠地运行，灯具输入电压为AC220V，输入功率为18W，每套灯具内配12只大功率LED颗粒，为了得到较高光效，将色温设为4000K±200K，采用了CREE芯片，图8～图10为实物照片。

图8 压铸铝壳体Fig.8 Die-casting aluminum case

图9 玻璃压盖Fig.9 Glass gland

图10 外观尺寸Fig.10 Appearance of size

6 透镜的配光设计

选用的透镜是向下、向两侧投射开来的配光，70cm以外观察者眼中不能有直射光，采用有机玻璃PMMA作为生产透镜的材料。与玻璃相比，PMMA具有质量轻，易加工，价格低等优点，PMMA的折射率为1.49，透镜的配光设计如下:

绘制透镜尺寸图，采用差分法解方程可得到多组离散数据［7］，采用Matlab制图软件绘制曲面网格，再将曲面网格的离散点数据导入Pro Engineer软件，在Pro Engineer软件中构建自由曲面并进一步生成实际透镜零件，把设计好的透镜零件导入光学仿真软件TracePro，构建光学系统进行光线追迹，设定透镜材料参数为PMMA的参数。经光线追迹后，得到匝道灯在被照射面 (路面)的光照度分布图，在Tracepro中把做好的配光曲线保存成IES文件，上面这个过程笔者是用Dialux软件进行照度配光分析的，重新得到并导出IES文件，修正光学仿真软件TracePro光线追迹，最终达到比较满意的结果。图11、图12是光型分布图 (Ta=25℃)和透镜照片。