如何有效保證LED路燈使用壽命?
作者:發(fā)表時間:2021-07-22
在實際的道路照明燈具的設(shè)計中,可采用在基本設(shè)定每一個LED投射方向的前提下,把每一個LED用球形萬向節(jié)固定在燈具上,當燈具使用于不同的高度和照射寬度時,可通過調(diào)整球形萬向節(jié)使每一個LED的照射方向都達到滿意的結(jié)果。在確定每一個LED的功率、光束輸出角度時,可根據(jù)E(lx)=I(cd)/D(m)2(光強和照度距離平方反比定律),分別計算出各LED在基本選定光束輸出角度時應(yīng)該具備的功率,并且可以通過調(diào)整各LED的功率以及LED驅(qū)動電路輸出給每一個LED不同的功率來使每一個LED的光輸出都達到預(yù)計值。這些調(diào)整手段都是采用LED光源的道路燈具所特有的,充分利用這些特點就能實現(xiàn)在滿足道路路面的照度和照度均勻度的前提下降低照明功率密度,達到節(jié)能的目的。
1、散熱及防護結(jié)構(gòu)設(shè)計:
根據(jù)光通量(流明)和輻射通量(瓦)的當量關(guān)系,1W的輻射通量在最理想的情況下(黑體輻射)可以產(chǎn)生683 lm的光通量。所以,即使LED的光效在不斷提高(已達到120 lm/W以上),也不能將全部能量轉(zhuǎn)化為光能輸出,而其余的都轉(zhuǎn)化成了熱能。從長遠來看,LED燈具的散熱問題將是一個長期存在的問題。LED路燈的散熱是需要重點解決的問題之一,不僅直接關(guān)系到LED實際工作時的發(fā)光效率,而且由于LED路燈亮度要求高、發(fā)熱量大,并且戶外使用環(huán)境比較苛刻,如果散熱不好會直接導(dǎo)致LED快速老化,穩(wěn)定性降低。在戶外使用的道路燈具,還應(yīng)具有一定等級的防塵防水功能(IP),
良好的IP防護往往會妨礙LED的散熱。解決這個相互矛盾但又都得解決的兩個問題是道路燈具設(shè)計時應(yīng)關(guān)注的一個重要方面。
在我國絕大多數(shù)道路燈具的使用場合,空中的飛塵量是較大的,有時會達到很大(例如起沙塵暴),這類燈具在一般條件下使用一段時間后(約三個月至半年),其內(nèi)部散熱器的縫隙內(nèi)就會塞滿灰塵,使散熱器效果大打折扣,最后還會使LED因工作溫度過高而使用壽命明顯縮短。
要兼顧道路燈具中LED的散熱及IP防護,較合理的設(shè)計理念是:
a、在關(guān)鍵的散熱位置,采用導(dǎo)熱板。導(dǎo)熱板是在金屬板的內(nèi)部,均布有供冷媒流動的細導(dǎo)管,并在細導(dǎo)管內(nèi)充有冷媒,當導(dǎo)熱板的某一部位受熱時,細導(dǎo)管內(nèi)的冷媒會快速流動而使熱量迅速地傳導(dǎo)。好的導(dǎo)熱板的熱傳導(dǎo)系數(shù)可以達到同厚度銅材板的8~12倍,雖說價格較高,但如在關(guān)鍵部位使用,對LED的散熱將起到事半功倍的作用。
b、把燈具的外殼設(shè)計成散熱器狀。目前大部分的道路燈具外殼是鋁材的,直接利用燈具外殼外面作為散熱器既可以保證IP防護等級的要求,也可以得到很大的散熱面積,另外,燈具外殼組成的散熱器在有落塵時,可以通過自然的風(fēng)雨而沖洗,從而可保證散熱器工作的持續(xù)有效性。
2.二次配光光學(xué)設(shè)計
二次光學(xué)設(shè)計是決定LED路燈的配光曲線、輸出光效、均勻度、以及眩光指數(shù)的一項重要技術(shù)。在二次光學(xué)設(shè)計方面,LED的輻射形式有朗伯型、側(cè)射型、蝙蝠翼型和聚光型幾種。在道路照明領(lǐng)域,根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗朗伯型和蝙蝠翼型比較適用,通過二次光學(xué)設(shè)計,使得LED的光照范圍、光度曲線符合道路照明的需求。
目前LED在道路燈具中使用的最普遍形式主要是在燈具內(nèi),在一個幾乎是平板的安裝面(也是反光面)上,裝上了矩陣式的LED,這種設(shè)計方式是不可能得到良好的燈具配光的。
照明用LED的最大特點是具有定向發(fā)射光的功能,因為目前功率型LED幾乎都裝有反射器,并且這種反射器的效率都明顯高于燈具的反射器效率。另外,LED的光效檢測時已經(jīng)包括了自身反射器的效率。采用LED的道路燈具應(yīng)盡可能地利用LED的定向發(fā)射光的特性,使道路燈具中的各個LED分別直接把光線射向被照路面的各個區(qū)域,再利用燈具反射器的輔助配光,來實現(xiàn)很合理的道路燈具的綜合配光。
3.恒流驅(qū)動電路設(shè)計
LED路燈的電源系統(tǒng)也與傳統(tǒng)光源不同,LED所特需的恒流驅(qū)動電源,是保證其正常工作的一大基石,簡單開關(guān)電源的方案常會帶來LED器件的損傷。如何使緊密壓縮在一起的一組LED安全、可靠地工作也是考察LED路燈的一個指標。
LED對驅(qū)動電路的要求是能保證恒流輸出的特性,因為LED正向工作時結(jié)電壓相對變化區(qū)域很小,所以保證了LED驅(qū)動電流的恒定也就基本保證了LED輸出功率的恒定。對于我國電源電壓供應(yīng)不穩(wěn)定的現(xiàn)狀,道路燈具LED的驅(qū)動電路具有恒流輸出特性是十分必要的,可保證光輸出恒定并且防止LED的超功率運行
要想使LED驅(qū)動電路呈現(xiàn)恒流特性,從驅(qū)動電路的輸出端向內(nèi)看,其輸出內(nèi)阻抗一定是高的。工作時,負載電流也同樣通過這一輸出內(nèi)阻抗,如果驅(qū)動電路由降壓、整流濾波后加直流恒流源電路或通用的開關(guān)電源加電阻電路組成,在其上必定也消耗很大的有功功率,所以此兩類驅(qū)動電路在基本滿足恒流輸出的前提下,效率是不可能高的。正確的設(shè)計方案是采用有源電子開關(guān)電路或采用高頻電流來驅(qū)動LED,采用上述兩種方案可以使驅(qū)動電路在保持良好的恒流輸出特性的前提下,仍具有很高的轉(zhuǎn)換效率。
綜上討論:LED路燈在實際應(yīng)用中是否能夠真正實現(xiàn)節(jié)能、環(huán)保和長壽命等優(yōu)點,關(guān)鍵要解決好散熱及防護結(jié)構(gòu)設(shè)計、恒流驅(qū)動電路設(shè)計和二次配光光學(xué)設(shè)計三方面。
1、散熱及防護結(jié)構(gòu)設(shè)計:
根據(jù)光通量(流明)和輻射通量(瓦)的當量關(guān)系,1W的輻射通量在最理想的情況下(黑體輻射)可以產(chǎn)生683 lm的光通量。所以,即使LED的光效在不斷提高(已達到120 lm/W以上),也不能將全部能量轉(zhuǎn)化為光能輸出,而其余的都轉(zhuǎn)化成了熱能。從長遠來看,LED燈具的散熱問題將是一個長期存在的問題。LED路燈的散熱是需要重點解決的問題之一,不僅直接關(guān)系到LED實際工作時的發(fā)光效率,而且由于LED路燈亮度要求高、發(fā)熱量大,并且戶外使用環(huán)境比較苛刻,如果散熱不好會直接導(dǎo)致LED快速老化,穩(wěn)定性降低。在戶外使用的道路燈具,還應(yīng)具有一定等級的防塵防水功能(IP),
良好的IP防護往往會妨礙LED的散熱。解決這個相互矛盾但又都得解決的兩個問題是道路燈具設(shè)計時應(yīng)關(guān)注的一個重要方面。
在我國絕大多數(shù)道路燈具的使用場合,空中的飛塵量是較大的,有時會達到很大(例如起沙塵暴),這類燈具在一般條件下使用一段時間后(約三個月至半年),其內(nèi)部散熱器的縫隙內(nèi)就會塞滿灰塵,使散熱器效果大打折扣,最后還會使LED因工作溫度過高而使用壽命明顯縮短。
要兼顧道路燈具中LED的散熱及IP防護,較合理的設(shè)計理念是:
a、在關(guān)鍵的散熱位置,采用導(dǎo)熱板。導(dǎo)熱板是在金屬板的內(nèi)部,均布有供冷媒流動的細導(dǎo)管,并在細導(dǎo)管內(nèi)充有冷媒,當導(dǎo)熱板的某一部位受熱時,細導(dǎo)管內(nèi)的冷媒會快速流動而使熱量迅速地傳導(dǎo)。好的導(dǎo)熱板的熱傳導(dǎo)系數(shù)可以達到同厚度銅材板的8~12倍,雖說價格較高,但如在關(guān)鍵部位使用,對LED的散熱將起到事半功倍的作用。
b、把燈具的外殼設(shè)計成散熱器狀。目前大部分的道路燈具外殼是鋁材的,直接利用燈具外殼外面作為散熱器既可以保證IP防護等級的要求,也可以得到很大的散熱面積,另外,燈具外殼組成的散熱器在有落塵時,可以通過自然的風(fēng)雨而沖洗,從而可保證散熱器工作的持續(xù)有效性。
2.二次配光光學(xué)設(shè)計
二次光學(xué)設(shè)計是決定LED路燈的配光曲線、輸出光效、均勻度、以及眩光指數(shù)的一項重要技術(shù)。在二次光學(xué)設(shè)計方面,LED的輻射形式有朗伯型、側(cè)射型、蝙蝠翼型和聚光型幾種。在道路照明領(lǐng)域,根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗朗伯型和蝙蝠翼型比較適用,通過二次光學(xué)設(shè)計,使得LED的光照范圍、光度曲線符合道路照明的需求。
目前LED在道路燈具中使用的最普遍形式主要是在燈具內(nèi),在一個幾乎是平板的安裝面(也是反光面)上,裝上了矩陣式的LED,這種設(shè)計方式是不可能得到良好的燈具配光的。
照明用LED的最大特點是具有定向發(fā)射光的功能,因為目前功率型LED幾乎都裝有反射器,并且這種反射器的效率都明顯高于燈具的反射器效率。另外,LED的光效檢測時已經(jīng)包括了自身反射器的效率。采用LED的道路燈具應(yīng)盡可能地利用LED的定向發(fā)射光的特性,使道路燈具中的各個LED分別直接把光線射向被照路面的各個區(qū)域,再利用燈具反射器的輔助配光,來實現(xiàn)很合理的道路燈具的綜合配光。
3.恒流驅(qū)動電路設(shè)計
LED路燈的電源系統(tǒng)也與傳統(tǒng)光源不同,LED所特需的恒流驅(qū)動電源,是保證其正常工作的一大基石,簡單開關(guān)電源的方案常會帶來LED器件的損傷。如何使緊密壓縮在一起的一組LED安全、可靠地工作也是考察LED路燈的一個指標。
LED對驅(qū)動電路的要求是能保證恒流輸出的特性,因為LED正向工作時結(jié)電壓相對變化區(qū)域很小,所以保證了LED驅(qū)動電流的恒定也就基本保證了LED輸出功率的恒定。對于我國電源電壓供應(yīng)不穩(wěn)定的現(xiàn)狀,道路燈具LED的驅(qū)動電路具有恒流輸出特性是十分必要的,可保證光輸出恒定并且防止LED的超功率運行
要想使LED驅(qū)動電路呈現(xiàn)恒流特性,從驅(qū)動電路的輸出端向內(nèi)看,其輸出內(nèi)阻抗一定是高的。工作時,負載電流也同樣通過這一輸出內(nèi)阻抗,如果驅(qū)動電路由降壓、整流濾波后加直流恒流源電路或通用的開關(guān)電源加電阻電路組成,在其上必定也消耗很大的有功功率,所以此兩類驅(qū)動電路在基本滿足恒流輸出的前提下,效率是不可能高的。正確的設(shè)計方案是采用有源電子開關(guān)電路或采用高頻電流來驅(qū)動LED,采用上述兩種方案可以使驅(qū)動電路在保持良好的恒流輸出特性的前提下,仍具有很高的轉(zhuǎn)換效率。
綜上討論:LED路燈在實際應(yīng)用中是否能夠真正實現(xiàn)節(jié)能、環(huán)保和長壽命等優(yōu)點,關(guān)鍵要解決好散熱及防護結(jié)構(gòu)設(shè)計、恒流驅(qū)動電路設(shè)計和二次配光光學(xué)設(shè)計三方面。
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