LED路灯设计讲解

LED灯具设计分析6.1路灯设计道路照明道路照明在道路上设置照明器为在夜间给车辆和行人提供必要的能见度。道路照明可以改善交通条件，减轻驾驶员疲劳，并有利于提高道路通行能力和保证交通安全。此外，还可美化市容。发展概况道路最初是用点燃木材照明，后来逐步发展为用油灯、汽灯、电弧灯、碳丝白炽灯、高压汞灯，现今道路照明主流光源为高压钠灯。基于全球性节能减排政策，部分新型节能光源（如LVD无极灯和LED灯）也已逐步应用到道路照明工程中，并发展迅速。1558年巴黎街道上设置了装有松脂或木条的容器，天黑时点燃松脂或木条照明。1667年冬季，在一些街道上改用油灯。1806年，美国巴尔的摩城的街道用汽灯照明。1842年，巴黎出现电弧灯，不久就将这种灯应用于街道上。1878年，英国人J.W.斯旺首先提出用碳丝白炽灯。1932年，荷兰人开始在街道上用低压钠灯照明。1935年，发明了高压汞灯。1965年，高压钠灯问世，并用于道路照明。中国最早是1865年在上海南京路上安装了10盏煤气灯；1882年在上海外滩安装10盏电弧灯；1890年上海开始在街道上使用白炽灯。目前，各国除在城市道路上采用沿路设灯连续照明和在部分高速公路或交通量很大的公路上采用连续照明外，在一般公路上，由于经济效益问题，多不采用连续照明。照明与视觉驾驶员在夜间是借助于障碍物及其作为背景的路面两者的亮度对比来察觉前方道路上有无障碍物。路面平均亮度升高，察觉障碍物所必要的亮度对比变小，障碍物容易被发现。路上的物体、行人等的亮度如果比背景暗，驾驶员就只能见到它们的轮廓，即为轮廓辨认。驾驶员在行车过程中，只关心前方有无行人或障碍物，无须辨认出是谁或何物，所以道路照明一般只需使路面具有一定亮度，增大物体与路面亮度差，驾驶员能轮廓辨认人或物即可。若物体的亮度比路面亮度大，驾驶员在较暗的背景里可见到一个明亮的物体，即为逆轮廓辨认。路上的导流交通岛，需要便于驾驶员辨认，所以增加其表面亮度，使能逆轮廓辨认。当物体向着视线的一侧亮度较大时，驾驶员只能辨认该侧表面细部。要提高驾驶员对细部的辨认能力，可通过道路照明增大物体表面亮度或使亮度变化。城市道路是城市的动脉。主照明为路灯，满足行人、车辆夜间行动。庭园灯、景观灯与路灯形成立体的照明模式，增强道路装饰效果，美化城市夜景，也可弥补路灯照度的不足。照明质量标准通常用规定的路面平均照度和均匀度两个指标。前者的单位是勒克斯，即每一平方米水平照射面积上，均匀分布一流明的光通量。后者是最小水平照度与平均水平照度的比值。实际上，路面的亮度分布与照度分布有相当大的差别。采用路面照度作为道路照明指标不能给出视感条件的真实情况。因此，国际照明委员会建议道路照明的质量用路面亮度、均匀度、眩光和诱导性四个指标衡量。亮度是道路表面单位面积上反射出的光量，用cd/m2作单位。均匀度是路面上亮度分布的均匀程度。影响驾驶员视觉舒适感的均匀度等于行车线上路面最小亮度与平均亮度之比。即使平均亮度较高，但亮度分布不均匀的路面，在明暗相差很大的地方,障碍也难以发现。眩光是强光直射驾驶员的眼睛,使眼睛不舒适，产生视觉障碍，看不清物体的现象。眩光使眼睛不舒适的程度用表示主观感觉的眩光指数G评定。国际照明委员会推荐：G＝1，无法忍受；G＝3，有干扰；G＝5,允许的极限;G＝7,比较满意；G＝9,无影响。眩光与光源的亮度、视线与光源的夹角、路面平均亮度等因素有关。诱导性是用照明告知驾驶员有关前方道路线形、起伏、交叉、车流分合的有关信息。国际照明委员会建议，城市干道、高速公路的路面亮度取2cd/m2,纵向均匀度取0.7,G＝6。日本已采用路面亮度作为道路照明指标。美国等多数国家仍用照度作道路照明标准。照度和亮度可以互相换算。路面P点的亮度等于该点的照度乘该点的亮度系数。照明器及其布置目前，道路照明用的照明器有高压钠灯、低压钠灯、无极灯、金卤灯、荧光灯等。白炽灯、高压汞灯、低压钠灯由于光源性能缺陷已逐渐被淘汰。照明器要合理使用光能，防止眩光。照明器发出的光线要沿要求的角度照射，落到路面上呈指定的图形，光线分布均匀，路面亮度大，且眩光小。为减少眩光，可在最大光强上方予以配光控制。道路照明用的照明器大体可分为截光、半截光和不截光三种类型。①截光型：照明器照射到路幅外的光线不超过光源额定流明的10％，控制光线沿路分布，产生的眩光小。适用于主要街道、干线公路和高速公路。②半截光型：照明器照射到路幅外的光线不超过光源额定流明的30％，控制光线沿路分布。适用于一般等级的街道。③不截光型：照明器对最大光强上方的光通量不加限制，眩光大，只适用于周围环境明亮的街道或交通量很少的次要街道。照明器的射程,由光束的仰角决定,用从照明器到最大光束照射到路面的距离长短区分，可分为短射程、中射程、长射程三种。根据道路断面形式、宽度、车辆和行人的情况，照明器可采用在道路两侧对称布置、两侧交错布置、一侧布置、分隔岛双叉布置和路中央悬挂布置等形式。道路交汇区采用高杆照明方式。一般说来，宽度超过20米的道路、迎宾道路，可考虑两侧对称布置；道路宽度超过15米的，可考虑两侧交错布置；较窄的道路可用一侧布置。在道路交叉口、弯道、坡道、铁路道口、人行横道等特殊地点,一般均布设照明器,以利于驾驶员和行人识别道路情况，其亮度标准也较高。在隧道内外路段和从城区街道到郊区公路的过渡路段的照明，则要考虑驾驶员的眼睛对光线变化的适应性。照明器的功率、安装高度、纵向间距是配光设计的重要参数。组合好这三个因素，可得到满意的照明效果。发展趋向今后道路照明的发展方向是注意节约能源，选用发光效率高的光源改装现有道路照明，逐步更换目前大量使用着的小白炽灯。随着新光源的出现，道路照明器安装高度趋于加高，纵向间距趋于增大。道路照明是为了使各种车辆的驾驶者在夜间行驶时能辩认出道路上的各种情况，且不感到过分疲劳，以保证行车安全。道路照明的质量主要表现在以上4个方面：1.亮度水平。道路平均亮度按道路等级有不同的亮度要求。一般快速路和主干道沥青路面都需要2cd/m2以上的亮度要求。次干道和辅助道路或小区道路要求相对较低。具体可以参照现行道路照明设计规范。2.平均照度平均照度指路面所有照度的平均值，是照明强度单位，一般用Lx来表示。3.眩光道路照明应努力在不舒适眩光限制在一定范围内。一般用G值来表示。一般情况下，G=7（G=1将令人无法忍受，俗称光污染）4.视觉诱导：要让驾驶员在一定距离外能立即辨认出这条道路的方向，特别是他自己要走的那条路的方向路照明灯具一般分为3类：1.截光型。2.半截光型。3.非截光型。前2类适合于城市大多数路面的照明，路面亮度高，照度均匀。缺点是当灯具点亮后因眩光的影响无法体现出灯具本身的造型。后者适用于庭院照明，灯型美观，缺点是光源浪费严重且照度不高。道路灯杆分为很多种，常用的有如下几种：1.圆锥形灯杆。2.多边形灯杆3.直杆4.方形杆5.多杆（双杆，3杆或4杆等）正确认识和应用LED路灯白光LED照明技术已进入快速发展阶段，LED光源在功能性照明领域的应用越来越受到关注。随着“十城万盏”项目的推进,LED路灯已成为各方关注的焦点。许多企业为了抓住商机，抢占市场，竞相开发各种LED路灯来满足用户的需要，甚至一些非相关行业企业也纷纷上马。但由于各种原因，企业纷纷上马LED项目给行业造成了一定程度的混乱，一些企业的产品还走入了误区，带来很大的负面影响。根据高压钠灯和LED光源的特点,结合道路照明的要求，就LED路灯的应用作一阐述，本文主要讨论的问题有:LED路灯的效能、散热、驱动和实际工程的应用、中间视觉等内容。1、灯具效能目前用于道路照明的大功率LED光效已达到90-130Lm/W(Tj=25℃)，正常使用时的LED光源光效为80-120Lm/W(Tj=60℃)。此光效超过了功率≤150W的高压钠灯光效(HPS)，接近大功率(250W-600W)、高光效高压钠灯(HPSSON-TPLUS120-140Lm/W)。但由于LED具有定向发光特性，通过光学器件的合理设计，LED路灯的有效光通量明显超过HPS路灯。1.1高压钠灯效能按道路照明的特点要求，HPS路灯在光学设计上需要考虑光束保护角，此角度一般在20°-30°(参见图)，以控制不舒适眩光的产生，同时由于镇流器的损耗，使得HPS路灯整体效率η在70%左右，(在实际使用中，有的HPS灯具效率超过80%，这使光源在灯具内温度升高，引起管压升高，使光通输出增加，但大大降低了光源寿命，另外尚未计录镇流器损耗)图一图二由于HPS光源和灯具的特性,不同的安装高度、间距、道路宽度使得光通量有效利用率为50%-80%，取其中间值65%(见下图，取3倍的宽高比)图三1.2LED灯具效能光学部件效率：0.90防护罩透射率：0.90驱动器效率：0.90灯具整体效率η=0.90×0.90×0.90=72.9%光通量有效利用率：80%-90%(参见下图)图四图五综上所述，HPS路灯的光通有效利用率在65%，有一部分光线溢出，无法利用，特别是朝向屋边的光线，不能准确地控制在照射面上，造成光污染，而LED路灯可以准确控制光线方向，有效利用率在80%以上。以250W高光效HPS路灯为例，灯具的光通输出为22000流明，实际光通利用量为14300流明，系统功耗270W。若利用LED灯具，按系统光效90Lm/W，光通量有效利用率80%计算，系统功耗198W，节能27%。1.3应用中的不妥之处(1)注重灯下亮度，忽视灯具配光设计，造成中心照度太高，而均匀性不够完善。既浪费能源，又没有达到理想的效果;(2)不同配光需求的混同路灯布置方式有单侧布灯、两侧交叉布灯、两侧相对布灯、丁字路口布灯、十字路口布灯和弯道布灯等多种形式。路灯不同的布置方式，其对应的配光要求是不同的。如果所有的应用场合都使用相同的配光设计，是不恰当的。(3)过分强调“环境比值SR”由于道路等级和照明环境的不同,对路灯的总光通量显然是不同的。路灯除了照亮行车道外,对辅道要求和周围环境都有一定的照明。这也是照明规范中提出“环境比值SR”的原因。但是“环境比值SR”用到任何道路就显得不可取。因为“环境比值SR”是考虑到行车安全而提出来的,在距离行车道周边一定范围内,有相当的照度水平,以供驾驶人员判别周围事物是否存在行车危险。目前,我国不少城市道路采用机非隔离或全封闭形式(如高架桥,快速线等),甚至还专门设置辅道照明灯,如果过分强调单个路灯的“环境比值SR”而提高灯具光通量,只会增加光污染。2、LED路灯散热设计根据光通量(流明)与辐射通量(瓦)以下的当量关系：Km=683lm/w，也就是说1W的辐通量在最理想的情况下(黑体辐射)可能产生683lm光通量。由此可见，即使在某一天LED的光效达到200lm/w，也只30%能量转化为光能输出，而其余的都转化为热能。所以，LED灯具的散热将是一个至始自终要考虑的问题。目前散热方式主要有：自然对流散热、加装风扇强制散热、热管和回路热管散热等。加装风扇强制散热方式系统复杂、可靠性低，热管和回路热管散热方式成本高。而路灯具有户外夜间使用、散热面位于侧上面以及体型受限制较小等有利于空气自然对流散热的优点，所以LED路灯建议尽可能选择自然对流散热方式。有一个问题值得注意：众多厂家的产品考虑了各种各样的散热措施，却忽略了各个连接界面如何降低热阻的工艺和手段，对使用的材料综合性能了解不够，如长时间在高温下工作是否容易老化、发脆等，造成产品潜在缺陷。3、驱动电路LED驱动电路各式各样，用于路灯的LED电路要充分考虑功率因素和交直流转化效率，这样才能真正发挥节约用电的效果。在符合户外恶劣条件下能正常工作的驱动器，当功率大于100W以上时，高效率是非常必要的，否则，器件产生的热量将严重影响驱动器寿命。目前相当一部分LED路灯的标称功率和实际输入端功率相差甚大(超过10%)，对最终用户造成经济损失。4、工程应用传统路灯由于灯具选型、工程安装、设计不合理，照明标准选择不当，造成了大量的光污染和浪费，如果LED路灯的实际应用和设计条件不相符，这一现象将更为突出