论文部分内容阅读
摘要：LED作为一种绿色光源在城市道路照明中受到人们越来越多的关注，但目前的LED路灯在散热、重量、维护等方面还存在着一定的缺陷。本文简单介绍了LED及其在城市照明中的应用，通过分析当前国内LED路灯中存在的缺陷，对LED路灯设计中的创新策略进行了探讨。
关键词：LED路灯；设计；创新
随着半导体技术的发展，LED以其能耗低、发光效率高、体积小等优点逐渐引起人们的重视，并被应用于路灯灯具中，为城市照明技术的发展做出了重要的贡献，而随着社会的发展，人们对于照明质量的要求也越来越高，照明设施设计中不仅仅要考虑亮度，还要考虑照明色彩、造型、质感等，因此，也就需要对LED路灯设计进行不断的创新和改进，以提高城市照明质量。
1 LED及其在照明中的应用
LED（LightEmitting Diode）也即是发光二极管，是由镓（Ga）、砷（AS）、磷（P）的化合物制成的一种可发光的半导体电子元件，其最早只能发出低光度的白光，随着技术的发展和研究的不断深入，目前的发光二极管已可以发出包括红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等各种可见光及红外线、紫外线等在内的多种光，其种类也十分繁多，有普通单色发光二极管、高亮度发光二极管、超高亮度发光二极管、红外线发光二极管、变色发光二极管等多种，控制模式主要有恒压控制和恒流控制，目前多数的LED是采用恒流控制。
照明设施所使用的发光材料主要有钨丝、高纳丝、汞、混光等，其中利用高纳丝的高压钠灯灯具有产生光亮大、透雾能力强、耗电少、寿命长，且不诱虫的优点，在目前现代城市道路照明设施中的应用十分广泛，但此类路灯光亮过大，易造成光污染，使人感到烦躁，且浪费资源，而LED具有工作电压低、电流小、响应时间极短，抗冲和抗震性能高、寿命长，对环境无污染，适用性强，可发出多种光等多个优点，且可通过调节电流强弱来方便地调节灯的亮度，几乎不需要维护，被称为绿色光源或、第四代照明光源，在大力发展绿色能源的当前有着十分显见的应用价值。
2 国内LED路灯存在的缺陷
LED路灯比起传统路灯在技术上的绝对优势使得在道路照明上的应用越来越广泛，目前国内外均已有大量的产品问世并被应用于实际中，较好地提高了城市照明质量，但在实践中，LED路灯在散热、配光、驱动器寿命及维修等方面还存在着一定的缺陷。
以发光二极管作为光源的灯具，其能量约有80%～90%可转化为热量，如果这些热量不能及时散去，就会使得管芯温度升高，加速发光二极管光衰，影响色温质量，同时还会导致灯具寿命缩短。
目前路灯的输入多采用的是120V或230V的交流电源，荧光灯灯管或高压放电灯发光元件数目少，电路简单，可选的交流电源运行镇流器的范围较广，但由于LED大多数的功率都只有0.5W～5W，要想使灯具的亮度达到路灯的要求，就需要使用100个或更多个1W的LED，发光元件数目大，又加之LED动态电阻分次非常小，如果直接将LED连接到交流电源，其会发出很亮的光，但会很快失效，而作为路灯其使用寿命是产品主要考虑的性能之一，因此，为了保证灯的使用寿命，与之相配套的用以将离线电压转换为受控直流电流的驱动器也需要有较长的使用寿命。
当前的LED路灯多采用的是灯壳与光源粘接为一体密封于玻璃内的一体化集成式设计，使得路灯的维护十分困难，难以进行现场更换而需要由专业维修人员整体替换或是返厂维修，维修成本高。
另外，LED多为圆形，而路灯配光要求为椭圆形，配光曲线难以设计，目前LED路灯也通常只是取代了传统的灯泡，而没有将其色彩特性发挥出来。
3 LED路灯创新设计
根据以上对目前国内LED路灯使用中的不足，LED路灯创新设计策略主要是采用模块化的设计来解决LED路灯在重量、散热、维护、寿命等方面的问题。
3.1 模块化设计思路
LED路灯模块化的设计即是若干个发光二极管光源做成一个配光、散热、防尘、防水等结构一体化的模组，由若干个光源模组与灯具基座、驱动器共同构成一个整体的LED灯具，改变以往所有光源都安装在一个灯具内的模式，其具体结构如下图1所示。
图1 LED路灯模块化结构示意图
在此结构中，光源模组是核心部分，可放置在灯具内，也可以分离放在灯杆下，采用两个接口，分别将光源模组与驱动器和灯具底座连接，与灯具底座连接的结构可采用方形或条形等统一的标准，采用螺钉、卡口或是弹簧扣进行固定，这样在需要维修的时候，哪一部分损坏即可只维修更换相应的部分，而不需要对灯具进行整体的维修，操作简单且能很好地节约维修成本。
3.2 光源模组设计策略
光源模组是灯具的核心，也是设计中的关键部分，在散热方面，可采用在原来的散热装置上加装一个蓄热装置，利用热传导原理和致冷介质快速热传递性质来解决散热的问题；通常采用密封圈加螺丝即可达到规定的IP等级，而在配光设计中，可采用常规二次光学透镜、三次光学设计的光热一体化方案或是采用一体化光学透镜，在此设计中，借助的依旧是传统的三次光学设计的思路，但将以往设计中独立的反射器与光源模组的结构融合在了一起，光源模组内腔按照反射器形状设计，镀上反射膜，散热片分布于反射器的周围，从而使光源模组成为一个光热一体的结构。
3.3 内表面配光透镜设计
目前路灯灯具内的透镜多为外表面配光，在采用一体化透镜时，将其加工为一个整体后易出现表面凸凹不平的现象，即会影响路灯的发光效率也不利于维护，而如果采用内表面配光透镜，则可以保证透镜外表面的光滑，使维护更加方便。
通常一个发光二极管从透镜射出的光线有内表面调制光和大角度全反射光两部分，而全反射光所占的比例十分小，只需要对透镜侧面进行合理的设计，即可保证大角度光线的全反射。同时透镜的外表面为平面，也更容易连接成一个整体，且配光基本不受外平面厚度的影响，结构设计也更为容易。
4 结语
本文通过对国内当前LED路灯中存在的不足的分析，提出了一种模块化的设计方案，并在模块化设计思路下创新设计了一种内表面配光透镜的光学模组，可较好地减轻LED路灯重量，使LED路灯的维护更为方便，经试验发现可提高其散热性能，可为LED路灯的设计提供一种新思路。
参考文献：
[1] 韩珮.城市中的路灯艺术——以LED新型光源在照明中的应用为例[J].大众文艺：学术版，2011（4）.
[2] 王燕，崔勇，刘蕴青.新型LED路灯的散热——蓄热装置的设计[J].化学工程与装备，2012（9）.
关键词：LED路灯；设计；创新
随着半导体技术的发展，LED以其能耗低、发光效率高、体积小等优点逐渐引起人们的重视，并被应用于路灯灯具中，为城市照明技术的发展做出了重要的贡献，而随着社会的发展，人们对于照明质量的要求也越来越高，照明设施设计中不仅仅要考虑亮度，还要考虑照明色彩、造型、质感等，因此，也就需要对LED路灯设计进行不断的创新和改进，以提高城市照明质量。
1 LED及其在照明中的应用
LED（LightEmitting Diode）也即是发光二极管，是由镓（Ga）、砷（AS）、磷（P）的化合物制成的一种可发光的半导体电子元件，其最早只能发出低光度的白光，随着技术的发展和研究的不断深入，目前的发光二极管已可以发出包括红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等各种可见光及红外线、紫外线等在内的多种光，其种类也十分繁多，有普通单色发光二极管、高亮度发光二极管、超高亮度发光二极管、红外线发光二极管、变色发光二极管等多种，控制模式主要有恒压控制和恒流控制，目前多数的LED是采用恒流控制。
照明设施所使用的发光材料主要有钨丝、高纳丝、汞、混光等，其中利用高纳丝的高压钠灯灯具有产生光亮大、透雾能力强、耗电少、寿命长，且不诱虫的优点，在目前现代城市道路照明设施中的应用十分广泛，但此类路灯光亮过大，易造成光污染，使人感到烦躁，且浪费资源，而LED具有工作电压低、电流小、响应时间极短，抗冲和抗震性能高、寿命长，对环境无污染，适用性强，可发出多种光等多个优点，且可通过调节电流强弱来方便地调节灯的亮度，几乎不需要维护，被称为绿色光源或、第四代照明光源，在大力发展绿色能源的当前有着十分显见的应用价值。
2 国内LED路灯存在的缺陷
LED路灯比起传统路灯在技术上的绝对优势使得在道路照明上的应用越来越广泛，目前国内外均已有大量的产品问世并被应用于实际中，较好地提高了城市照明质量，但在实践中，LED路灯在散热、配光、驱动器寿命及维修等方面还存在着一定的缺陷。
以发光二极管作为光源的灯具，其能量约有80%～90%可转化为热量，如果这些热量不能及时散去，就会使得管芯温度升高，加速发光二极管光衰，影响色温质量，同时还会导致灯具寿命缩短。
目前路灯的输入多采用的是120V或230V的交流电源，荧光灯灯管或高压放电灯发光元件数目少，电路简单，可选的交流电源运行镇流器的范围较广，但由于LED大多数的功率都只有0.5W～5W，要想使灯具的亮度达到路灯的要求，就需要使用100个或更多个1W的LED，发光元件数目大，又加之LED动态电阻分次非常小，如果直接将LED连接到交流电源，其会发出很亮的光，但会很快失效，而作为路灯其使用寿命是产品主要考虑的性能之一，因此，为了保证灯的使用寿命，与之相配套的用以将离线电压转换为受控直流电流的驱动器也需要有较长的使用寿命。
当前的LED路灯多采用的是灯壳与光源粘接为一体密封于玻璃内的一体化集成式设计，使得路灯的维护十分困难，难以进行现场更换而需要由专业维修人员整体替换或是返厂维修，维修成本高。
另外，LED多为圆形，而路灯配光要求为椭圆形，配光曲线难以设计，目前LED路灯也通常只是取代了传统的灯泡，而没有将其色彩特性发挥出来。
3 LED路灯创新设计
根据以上对目前国内LED路灯使用中的不足，LED路灯创新设计策略主要是采用模块化的设计来解决LED路灯在重量、散热、维护、寿命等方面的问题。
3.1 模块化设计思路
LED路灯模块化的设计即是若干个发光二极管光源做成一个配光、散热、防尘、防水等结构一体化的模组，由若干个光源模组与灯具基座、驱动器共同构成一个整体的LED灯具，改变以往所有光源都安装在一个灯具内的模式，其具体结构如下图1所示。
图1 LED路灯模块化结构示意图
在此结构中，光源模组是核心部分，可放置在灯具内，也可以分离放在灯杆下，采用两个接口，分别将光源模组与驱动器和灯具底座连接，与灯具底座连接的结构可采用方形或条形等统一的标准，采用螺钉、卡口或是弹簧扣进行固定，这样在需要维修的时候，哪一部分损坏即可只维修更换相应的部分，而不需要对灯具进行整体的维修，操作简单且能很好地节约维修成本。
3.2 光源模组设计策略
光源模组是灯具的核心，也是设计中的关键部分，在散热方面，可采用在原来的散热装置上加装一个蓄热装置，利用热传导原理和致冷介质快速热传递性质来解决散热的问题；通常采用密封圈加螺丝即可达到规定的IP等级，而在配光设计中，可采用常规二次光学透镜、三次光学设计的光热一体化方案或是采用一体化光学透镜，在此设计中，借助的依旧是传统的三次光学设计的思路，但将以往设计中独立的反射器与光源模组的结构融合在了一起，光源模组内腔按照反射器形状设计，镀上反射膜，散热片分布于反射器的周围，从而使光源模组成为一个光热一体的结构。
3.3 内表面配光透镜设计
目前路灯灯具内的透镜多为外表面配光，在采用一体化透镜时，将其加工为一个整体后易出现表面凸凹不平的现象，即会影响路灯的发光效率也不利于维护，而如果采用内表面配光透镜，则可以保证透镜外表面的光滑，使维护更加方便。
通常一个发光二极管从透镜射出的光线有内表面调制光和大角度全反射光两部分，而全反射光所占的比例十分小，只需要对透镜侧面进行合理的设计，即可保证大角度光线的全反射。同时透镜的外表面为平面，也更容易连接成一个整体，且配光基本不受外平面厚度的影响，结构设计也更为容易。
4 结语
本文通过对国内当前LED路灯中存在的不足的分析，提出了一种模块化的设计方案，并在模块化设计思路下创新设计了一种内表面配光透镜的光学模组，可较好地减轻LED路灯重量，使LED路灯的维护更为方便，经试验发现可提高其散热性能，可为LED路灯的设计提供一种新思路。
参考文献：
[1] 韩珮.城市中的路灯艺术——以LED新型光源在照明中的应用为例[J].大众文艺：学术版，2011（4）.
[2] 王燕，崔勇，刘蕴青.新型LED路灯的散热——蓄热装置的设计[J].化学工程与装备，2012（9）.