浅议LED路灯目前的制作现状及发展方向

针对世界金融风暴的应对，中央发改委拿出4万亿连同地方财政的支持预计将有10多万亿的资金投入到国家交通、扶持企业、完善基础建设上。最近国家科技部在全国启动“十城万盏”LED路灯半导体照明应用工程，在这股强劲东风下，一贯得到政府支持的半导体照明产业，将是一个大发展的契机。许多企业都看好这个朝阳产业的发展空间，特别是半导体户外照明的明显节能优势。近2年一哄而上的诸多企业，在还不甚了解半导体道路照明制作的特点下，模拟、仿造、沿着现今的常规照明路灯多种“蛇头”形状制作，一时间“百家争鸣，百花齐放”的产品纷纷推向市场。经过这两年上路实验情况的检验，大部分的产品均存在不同程度的问题。具体表现在：1.由于对LED光源工作条件的要求不甚了解造成光衰减严重甚至于死灯。2.对道路照明要求感悟不足，科学性点光源光学配光难点及对色温在道路照明中的重要性忽略，易造成眩光，斑马效应和在空气污染严重，下雨有雾天气的环境中，造成灯亮地面不够亮的现象。3.对保证LED工作条件和对电源技术性的认知程度不足，造成产品在电源上的故障层出不穷。4.对当今LED路灯实用性道路的应用概念不清，盲目的与大功率气体放电灯“媲美”不计成本的制作超大功率LED路灯，造成不切合实际的价格昂贵的路灯产品难以推广。5.对道路照明要求模糊，实际使用维护的欠考虑，造成直接使用业主的抵制。本人针对以上问题与大家一起讨论解决方案：对LED光源的工作环境这个问题的讨论，需具备了解LED的基本常识；发光二极管其核心是PN结。因此它具有一般P-N结的I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光，其现今大功率LED发光效率约为30％，70％将是热能，需要将其散热处理。如图1所示。（附图1）表2是大功率白光LED的结温TJ在亮度衰减70％时与寿命的关系(不同LED生产厂家的寿命并不相同，仅做参考)。在表2中可看出：TJ=50℃时，寿命为90000小时，TJ=80℃时，寿命降到34000小时，TJ=115℃时，其寿命只有13300小时了。TJ在散热设计中要提出最大允许结温值TJmax，实际的结温值TJ应小于或等于要求的TJmax，即TJ≤TJmax。从以上的测试数据图示经测试发光二极管可正常工作的环境温度其结温温度应（＜85℃）。高于此温度范围效率将大大降低，甚至于烧毁。如表2所示。从图表中可以看出温度对其直接影响的重要性。特别值得一提的是，对散热材料的热平衡速度要求重视度，造成光源的热得不到有效的处理引起光衰减严重。现在许多生产厂家大功率LED的热沉散热壳体应用基本采用不同的合金铝材料，其导热系数不一，一些材料的散热速率难以满足LED工作条件。不可忽略的铝基板及导热硅胶，硅脂材料的导热环节，使用材料的实际寿命质量，将直接影响LED的工作散热条件。如何减少中间环节，直接与热沉散热近距离接触将热量快速达到平衡的有效散热，是现今高质量的LED灯具产品开发需考虑的方向。先从材料分析：金属的热传导系数表：银429铜401金317铝237铁80锡67铅34.8银热传导系数比较好，但缺点就是价格太高，纯铜散热效果则次之，但已经算是非常优秀的了。不过铜也有缺点：造价高、重量重、不耐腐蚀等。所以现在大多数散热片都是采用轻盈坚固的铝材料制作的，其中铝合金的热传导能力最好，好的风冷散热器一般采用铝合金制作。至于铜，目前市场上也出现了纯铜的散热器，铜的导热性能比起铝要快的多，但铜的散热没有铝快，铜可以快速的把热量带走，但无法在短时间内把本身的热量散去，另外铜的可氧化性是铜本身最大的弊病。当铜一旦出现氧化状态，从导热和散热方面都会大大的下降。从对比上看，最好的散热材料也并不是铝材。铜和铝的对比中形成了一种新型的工艺——铜铝结合。所谓的铜铝结合就是把铜和铝用一定的工艺完美的结合到一块，让铜快速的把热量传给铝，再由大面积的铝把热量散去，这不但增充了铝的导热不及铜，还弥补了铜的散热不如铝，有机的结合从而达到急速传热快速散热的效果。多篇文章中都阐述了散热是靠面积而不是看体积的大小，许多企业都了解了个中道理，壳体采用多层翅片散热，但对热沉散热壳体的翅片忽略了防尘和积尘，日积月累将会影响壳体的散热效果。应从在自然条件下规避积尘的最小化，不同方向的风和雨的自然冲刷可易性和清除灰尘的粘敷性。保证热沉壳体的散热效果不受恶劣环境的影响，散热通道的畅通，做到真正的长寿命。大家共同来探讨一个设计方式：散热是靠面积的道理显而易见，是否可以将散热面做成柱状或多面形锥体。（分析见附图2）在增加散热面保证散热效果的基础上，解决了不同方向的风和雨的自然冲刷可易性和清除灰尘的粘敷性的问题，保证了热沉壳体的散热效果不受恶劣环境的影响。以现在的金属加工技术来看，机械加工是不可能做出理想化的绝对的平整表面，即便是镜面，也有很多细小的坑凹，只是肉眼不太容易发现，除了表面上存在坑凹外，还会有很多细小杂质，如灰尘什么的。当散热器表面和芯片表面接触时，存在的很多沟壑或空隙中都是空气。空气的导热能力很差，因此必须用其它物质来降低热阻，否则散热器的性能会大打折扣，甚至无法发挥作用。作为解决办法，导热介质就应运而生了，它的作用就是填充两个接触表面之间大大小小的空隙，增大发热源与散热片的接触面积。导热硅脂是我们最常见的导热介质。导热硅脂是用来填充铝基板与散热片之间的空隙的材料的一种，这种材料又称之为热界面材料。其作用是用来向散热片传导铝基板散发出来的热量，使铝基板温度保持在一个可以稳定工作的水平，防止铝基板因为散热不良而损毁，并延长使用寿命。作为一种化学物质，导热硅脂有着一些反映自身特性的相关性能参数。了解这些参数的含义，大致上可以判断一款导热硅脂产品的性能高低。导热系数（ThermalConductivity）导热系数的单位为W/m·K（或W/m·℃），表示截面积为1平方米的柱体沿轴向1米距离的温差为1开尔文（K=℃+273.15）时的热传导功率。数值越大，表明该材料的热传递速度越快，导热性能越好。目前主流导热硅脂的导热系数均大于1W/m·K，优秀的可达到6W/m·K以上，是空气的200倍以上。但是和铜铝这些金属材料相比，导热硅脂的导热系数只有它们的1/100左右，换而言之，在整个散热系统中，硅脂层其实是散热瓶颈之所在。对于一个散热系统而言，不仅是散热器的事，导热介质也是很重要的组成部分：散热系统的总热阻=散热器热阻+导热介质热阻导热硅脂作为我们最常用的导热介质，其重要性不言而喻了，要降低其热阻，一方面取决于产品本身的性能，另一方面取决于对产品的使用。因此我们要尽量选用那些导热性能好热阻低的导热硅脂，并在使用上多加注意，在保证硅脂完全填充热源和散热器表面空隙前提下，涂抹方式硅脂层尽可能地薄。值得大家注意的是普通导热硅脂在高温环境中使用一段时间后会出现“干化”或“硬化”现象，将会大大影响散热效果。因此在铝基板与热沉之间的导热环节需重视。有关人士正研究在热沉材料上进行特殊的陶瓷化处理直接安装线路，经过这样的优化后将会根本解决散热的导热环节。从国内现有参与制作LED路灯的企业厂家来看，大部分是没有制作过路灯，对路灯制作的技术具体要求较模糊，互相参照模仿，以常规传统“蛇头”形状制作具多。当今LED路灯矩形状的重量与风阻影响着路灯的改造安装，在光学配光和维护要求上与其常规气体放电灯灯具相比难度较大，特别是直接的使用方业主反应强烈，给应用推广带来了困难。我从国家电光源检测中心得到的相关信息，在诸多厂家送检产品中就在IP防护这一项目上，绝大多数存在问题，而且意识不到问题的所在，认为我们的产品在水里都浸泡过也没有问题，怎么到检测中心就出问题？相信也有些产品在使用一段时间暴露出光源腔体存有水气。我看到许多厂家在检测中心排队送检的产品，感到心痛，很多弯路是可以避免的。在灯体密封结构上，在密封圈的材料选用上,飞利浦的灯具在这方面就做了专门的研究。在路灯造型结构设计上，不要跟着传统路灯的模样走。路灯的功能是要达到道路照明的要求，可以发挥LED光源的任意组合强项，可制作成“变形金刚”的特点，能真正做到“白天观景，夜晚观灯”的城市景观效果。道路照明要求的是；一定的照度和路面均匀度与平均照度，常规照明灯具反射器的缺憾在路面平均照度上难以达到标准要求。在灯具出光效率的有效利用上，传统路灯的效率标准应≥70％为合格，但实际上有一部分溢散光不能准确地控制在照射面上并且无法利用，造成光污染，有效利用率约50%，而LED路灯的光学配光可以准确控制光线方向，有效利用率达60%以上。从当今大功率LED路灯点光源及光效的特点来看，要满足道路照明的要求，必须要把有效的光强利用到有效的照明范围，道路照明的灯杆间距基本在30—40m，要保证道路的平均照度要求，其点光源LED灯具配光要使得路面没有斑马效应，需进行相应的二次光学系统配套设计。以某款灯为例：见附图；高质量的大功率LED路灯用模块化配套的二次光学系统可以有效控制路灯照明的平均照度，10米高时为34米×12米近似矩形光斑，光斑形状与均匀度均能满足道路照明要求。（见附图3二次光学配光）从以上两点可以看出，只要LED路灯二次光学设计合理，投向目标照射面的有效光通量和传统路灯基本接近。目前LED路灯的配光技术已经有了很大的发展，有些厂家已经开发出良好的二次配光系统，而不再是单纯依靠光源排列来配光，但综合看，配光还不能做到完全合理，有些在道路内侧的配光较亮，均匀度也能满足要求，但人行道侧环境光的亮度明显不足，SR值明显不符合要求，还是厂家设计人员对道路照明标准的要求理解不够。LED路灯的色温问题：目前大功率LED路灯基本上是采用5000K左右所在色温的白光。作为道路照明光源，视觉感过分阴冷，同时远视时观察能力会下降，在这方面路灯使用单位最有发言权，3000K左右的黄光或暖白光是比较适合道路照明的，因此日光色的LED路灯不适合做路灯使用。当今LED路灯在产品规格方面缺少统一的技术标准，目前还没有统一的LED路灯生产技术标准，每个厂家按自己的标准生产自己的产品，彼此间是很难通用的，另外LED路灯生产厂家的灯具自成体系，光源电器组装和灯具捆绑在一起，各自不同的工作特性难以维护，维护时必须使用原厂产品。而高压钠灯由于技术标准的统一，灯具、光源、电器方面通用性较强，不同厂家之间的产品可以互用，从维护角度考虑，这是非常重要，而维护对于路灯管理单位来说则又是重中之重，只有这样才可以及时对故障路灯进行维护，保证完好的亮灯率（上级部门对路灯管理考核中最重要的一项内容），同时大大降低维护成本。可以说在LED路灯目前的发展状况下，一旦出现故障时，只能整个灯具进行更换，除了高额成本外，而维护的时间也要大大廷长，这对使用单位来说的非常不利的。对灯具的维护，常规照明灯具要简易的多，可在现场直接更换光源电器，成本也较低。而当今许多生产厂家的LED路灯，可能厂家认为是免维护的，所以现场的维护就无法进行了，维修方面真正的负担还是交给了生产厂家。殊不知；造成产品难以推广的瓶颈还是来之于直接使用单位。针对当今LED路灯应用推广其中的两大难题：1.维护困难2.大功率LED电源的瓶颈根据这两大难点我个人建议；从安全、维护方便更换，规避大功率电源的质量风险。模块化组合式设计一定是发展的方向。做成标准模块化，诸如30w，40w，50w连同适合本功率电源一体化。不但解决了大功率电源的风险，而且遇到故障换用方便。单组模块又可以一款灯多用途，可改装为LED隧道灯、LED顶棚灯、LED洗墙灯、LED投光灯、LED隧道灯等，一套方案多款灯具。（见附图4）散热材料，导热环节和科学化的造型结构设计，在现今大功率LED路灯的制作中，值得大家去感悟。从LED路灯市场的置疑甚至排斥，走到了现在的尝试与接纳，我们看到了前景的曙光，但我们还需要一段路要走。随着大功率LED光效的不断提高和硅基LED日新月异的发展，将根本解决半导体照明光源高价格的瓶颈，让我们共同携起手来摸索与探讨，相