智能化快速散热及分体模块LED路灯关键技术的研究

沈华耿 唐苗峰 宋盛吉

摘要：一种智能化分体式LED路灯，包括LED电源、安装架和LED光源，LED电源通过电线与LED光源連接，LED光源包括多个独立的LED发光单元，LED发光单元包括LED发光模组和散热器，LED发光模组包括正面布设有LED发光电路的铝基板和设置在铝基板正面的LED灯珠，散热器包括散热基板和间隔设置在散热基板背面的多个散热片，铝基板的背面和散热基板的正面贴合，安装架为条形，多个LED发光单元的中部分别以可拆卸式方式固定安装在安装架上且沿水平方向依次排列，相邻两个LED发光单元的散热基板之间具有间隙；优点是散热效果好，维修简单方便，安装难度小且安装工艺简单。

关键词：LED路灯；道路照明；模块化

1、前言

目前道路灯具中普遍采用的光源是高压钠灯或金属卤化灯，这两种光源的最大特点是，发光的电弧管尺寸小，由于尺寸很小的电弧管产生很大的光输出，并且具有很高的光效，前者包括配套电器，可达110lm/w，后者包括配套电器可达80lm/w。但这类光源应用在道路灯具中时，只有40%左右的光直接透过玻璃罩到达路面的，其它的光是通过灯具发射器再投射出灯具的，目前普遍采用此类光源的传统灯具基本都存在两个不足，一是灯具直接照射的方向上照度很高，在次干道上可达50lx以上，这一区域属于明显的过渡照明，而两个灯具的光照交叉处的照度仅为灯下照度的20%～40%。二是此类灯具的反射器的效率一般仅为50%～60%，所以有60%左右的光输出在灯具内，是在损失了40%～30%后再投射到路面上的。此类灯具的总体效率一般都在70%左右。并且上述的过渡照明区域中过多的照度也属于浪费。综合上述分析上述传统的道路灯具其综合的有效照明效率（扣除过度照明部分）仅为50%。也因为上述原因，目前我国次干道的照明效果（路面照度和照度的均匀度）基本都达不到CJJ45-2006和CIE31以及CIE115的标准要求[1]。而LED作为第四代光源，不但具有节能、环保作用，而且由于其自身特点（方向性、高显色性、结构易设计和控制方便等）引起了普遍的关注[2][3][4]，随着LED芯片发光效率的不断提高，尤其是100lm/w的芯片面世，LED道路灯将逐渐取代传统道路灯（钠制灯、卤素灯等）。而市面上很多款式的LED路灯质量不稳定，其主要原因是难以散热和难以设计光分布，故使用多个模块组合成不同功率的LED路灯成为了研究和市场主流。由于钠制路灯的色温一般低于3000K，显色指数低于40，低色温光线具有穿透雾和水汽的能力强，光线柔和，温暖，路面反射率高等诸多优点。所以低色温高光效的LED路灯成为目前市场研究热点，同时很多LED路灯都是整体式的，所谓的分体式也拆装也很复杂，维护成本很高，维修时需要把整个灯拆下返厂维修。本论文着重介绍本公司开发的低色温、高发光效率和低光衰、安装便捷的LED路灯。

2.产品特点

本公司研究人员针对目前市场上高功率LED模块功率衰减大，发光效率低等问题，开发了一种新型的模块化LED路灯。其结构如图1所示。此结构独特之处是整个灯具是通过多个光源模组组成，单个模组的功率25-60W，根据灯具光通量、光效、功率、配光曲线选用不同的规格、数量的模组，此款路灯的模组可从2模组扩展至10模组，功率可做50W-300W。

图2是路灯的LED模组的结构示意图，LED模块发光模组包括正面布设有LED 发光电路的铝基板和设置在铝基板正面的LED 灯珠，散热器包括散热基板和间隔设置在散热基板背面的多个散热片，铝基板的背面和散热基板的正面贴合，模组工作时，LED灯具会产生大量的热量，通过散热器的鳞片均匀的发散出去，同时灯具的模组之间有11mm的间隙，可让上下空气形成对流，加速散热器的散热速度。

本研究的智能化快速散热及分体模块LED路灯安装后，如灯具有质量问题，无需专业技术人员，普通电工均可维修。拧下散热器安装板上的固定螺丝，就可非常便捷的更换新的LED模组，坏的模组返厂维修便可，不用把整个灯具拆回原厂进行维修，无形之中增加了路灯养护企业的备品备件成本。

3. 试验与测试

LED路灯模组采用美国CREE功率型LED芯片，28颗芯片，其功率为20W。将10个LED模组组装成一台200WLED路灯，放入可靠性测试设备中，高低温循环测试（-45～50℃）100小时，然后有上海半导体照明工程技术研究中心抽样检测，采用杭州远方的LED300光色电综合测量系统和LED620光强分布测试仪分别测试样品的光电参数和平均光强扩散角，测试方式为恒流点亮5分钟后测试。（我们研究发现LED路灯点亮5分钟后其电压不再变化，发光效率也基本不再变化，此法衡量LED的各项光学参数应更准确）。光衰测试采用点亮6000小时后测试。

3.结果与讨论

为了数据更具有说服力，本公司邀请上海半导体照明工程技术研究中心抽样检测，表一为上海半导体照明工程技术研究中心检测数据：

从上表可以发现，200W LED路灯模组的色温4802K，但是其发光效率却高达178.4lm/w，虽然高压钠制灯的发光光效率高达110lm/w，但是其发散角很大，有效利用的光通量约占50%，而LED路灯模块具有方向性，故其光通量几乎可被完全利用，相比较而言，此LED路灯模块的应用前景更好，加上LED芯片的发光效率不断提高，价格不断下降，LED道路灯必将逐渐取代高压钠制灯和其他相关道路灯。高发光效率灯模块一直是研究难点，其色温可控范围为2000-7000K，可按照用户的要求来设计色温和发光效率。

透过改变透镜形状，我们设计出了不同光强扩散角的LED模块，以适用不同环境的照明需求。配光角度有25°、40°、60°、90°、120°等范围，配光方式有按角度投射配光、双等配光、灯亮度配光、大杆距等亮度配光、竖直大杆距等亮度配光等方式。

在实际应用中，只需要将此模块安装在灯具上就可以实现矩形、椭圆或蝙蝠形光斑照明，此模块适合不同类型的灯具，解决了令灯具厂商头痛的灯具配光问题。

上海半导体照明工程技术研究中心抽样测试了本公司100W路灯的光衰，结果显示点亮3000小时及6000小时后，灯具的总光通量不仅没有下降，反而升高了1.1%、1.4%，鲜见于市场上其他设计的大功率LED模块。

4.结论

此模块化灯具有广泛的应用，不仅仅可用于LED路灯使用，也可同时用于LED投光灯、隧道灯等场景的照明，投光灯、隧道灯的配光需求不同于路灯，因此开发多款不同的LED铝基板及配套的配光透镜。

本公司开发出一种新型的适合照明用的LED模块，此模块具有低色温、高光效尤其适合路灯、隧道灯，泛光灯和投影机等照明。本技术解决了目前低色温、高光效难以制备的难题。为LED室外照明开辟了一条新的思路和方法。本LED模块已经投入市场，目前本公司研发人员又开发出了20W、30W、40W、50W、60W等系列的低光衰温、高光效的（实验室已可达到180lm/w）LED模块，此模块的光强扩散角（50%）可设计为30°，45°，60°和70°；照度范围可设计为圆形，椭圆形和类矩形等。

5.结束语

针对目前国内LED路灯散热性能差及整体安装和整体调换、使用寿命短、维修困难及装配难和安装成本高等状况，研发出完全拥有自主知识产权的新型智能化快速散热及分体式模块LED路灯，实现LED路灯的信息化、简体化、智能化，对提高LED路灯生产企业快速反应能力、生产效率和现代化的管理水平，推动宁波市高新技术产业，提升行业自主创新能力，增加行业综合效益，引领行业技术发展方向等方面均具有重大现实意义。

参考文献：

[1] 城市道路照明设计标准，CJJ45-2006，2006-12-19發布，2007-07-01实施，中华人民共和国建设部

[2] Steigerwald D A，Bhat J C，Collins D，et al. Illumination with solid state lighting technology[J]. IEEE J. Selected Topics in Quantum Electron.，2002，8（2）：310-320

[3] Narendran N. Improved performance of white LED [J]. Proc. SPIE，2005，5941：1-6

[4] 钱可元，胡飞，吴慧颖，等.大功率白光LED封装技术研究[J]，半导体光电，2005，26（2）：118-120