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大功率LED路灯的配光策略

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大功率LED路灯的配光策略

发布日期:2019-06-14 作者: 点击:

1 前言

  当前,以大功率LED 为发光光源专门设计的大功率led 路灯层出不穷,其发光效率高(>80 lm/W)、使用寿命长(> 50 000 h)、光输出定向性好、显色性能优良(75~80)、可以选择色温以及绿色没有污染等特点,不仅比传统的以高压钠灯为光源的道路照明节能30%以上,而且能够按照城市道路照明设计标准的要求,方便灵活地设计出合乎满意要求的、路灯灯光输出,具有很高的光利用效率,已发展成为竞争力的第四代质道路照明光源。

  2 路灯的配光方案

  (1) 道路照明对路灯光输出的要求

  较早时期的大功率LED路灯只是模仿以高压钠灯为主的道路照明灯具的形式,通过利用LED 来替代常用的高压钠灯光源,结构非常简单。一般直接选用常规的路灯外壳、结构件及光输出角度较大的功率LED作为发光器件,采用在兼有反光器和散热器功能、背面有散热鳍片的金属平面上将LED 简单地等距离排列,并通过LED 阵列混联的方式来获得较大的灯功率输出和较强的光输出。由于没有针对LED 的出光特点和道路照明标准来进行LED 路灯的二次、三次配光设计,因此就如图1 所示的那样:路灯的光输出在路面上形成一个圆形光斑,造成在道路方向上的照明角度有限,圆形光斑之间由于没有光的平滑叠加过渡而形成明显的暗区——斑马效应;在道路垂直方向上散落在道路边外而没有被利用的光较多,无法满足道路照明对路灯光输出特性的要求。

  为了满足对路面亮度和路面照度的要求,路灯的光强输出曲线沿着道路方向必须是“蝙蝠翼”型的,在垂直于道路方向上满足均匀度的要求。路灯的光输出配光应该像图2 所示,为长方形的均匀光斑,使得绝大部分的光都分布在路面上,尽可能地提高灯光的利用效率,减少不必要的浪费。

 (2) LED 及LED 路灯的配光方案

  路灯是一种重要的功能性照明设备,是为了保障夜间道路交通安全而设置的,其光输出特性必须要满足夜间汽车驾驶人员及行人的视觉分辨要求,因此LED路灯的配光方案就是要在道路照明要求的基础上从单个的LED 配光着手来进行。

  1.1 LED 的光输出特性

随着LED 技术的快速进步,性能指标有了显着的提高。特别是作为第四代照明主流的大功率白光LED的性能有了很大的提高。依据使用要求的不同,以单片封装的功率来区分:从1~10W 直到上百瓦、几百瓦不等;从LED 封装透镜的配光输出光强特性来区分,主要有:朗伯型、侧发光型、蝙蝠翼型、聚光型(准直)等类型

 目前,功率型白光LED 正在朝着单片大功率的方向发展,但是由于芯片散热瓶颈的制约,采用多芯片组合封装的单片超大功率LED 的散热相对困难,光效相对较低,几乎功率越大的单片LED 相对的光效就越低。在大功率LED 路灯的设计中,大功率LED 的选择需要考虑一次封装特性、发光效率、安装工艺要求、二次三次配光设计、使用环境、散热条件、与驱动控制器的输出特性配合等诸多问题,因此综合以上多种因素,以及实际的应用,路灯中选择LED 的主流趋势是:单个LED 的功率在1 瓦至数瓦左右、显色性好、色温一致、光效90~100 lm/W 的质产品为设计的不错选择。在路灯的功率上,通过多颗阵列混联的方式来得要求的总的发光功率;在光的输出特性上,朗伯型、蝙蝠翼型和聚光型应用较多,但是一般都不能直接应用到路灯中去,必须通过再次的配光设计来获得满足道路照明要求的灯光输出特性。

    1.2 LED 的配光方案

  ①LED 的一次配光方案

  在功率型LED 的制造过程中,为了提高光效率、减少光输出损失和改变光输出特性,封装时均采用透镜工艺。由此可以考虑将LED 的封装透镜工艺与道路照明需要的光输出特性相结合来形成大功率LED的一次配光方案。通过特殊设计的透镜,可以直接获得需要的光输出特性,并由此来叠加合成大功率LED 路灯总的光输出,使其满足道路照明的要求。

●斜射矩形透镜封装的LED 配光

特别设计的LED 封装透镜为顶部倒圆角的矩形,矩形面呈圆弧状,与水平面保持一定的设计角度,使得其对LED 芯片的光输出方向发生可控的改变。按照通常的路灯安装原则,灯距约为灯高的3 倍。通过计算,灯的光输出角在C0/C180 方向上约为140°,在C90/C270 方向上约为80°,仰角约为10°,可以获得满意的道路光照效果。

②LED 的二次配光方案

  在现有的大功率LED上再次采用透镜及反光器配光,就是LED 的二次配光方案,也是一种常用的光的再分配形式,具有设计灵活、应用简单,可以根据具体的道路要求来获得满意效果的LED路灯的配光输出。其方法多种多样,如:采用特殊的、接近于矩形的、非轴对称的波纹形凹透镜或凸透镜,再结合反光器而形成的LED 单元,然后通过LED 单元,使LED的光线输出按照要求的角度发散或会聚,得到合适的光输出特性。

1.3 LED 路灯的配光方案

  大功率LED 路灯的配光可以称为LED 的二、三次配光,是在上述单个大功率LED 完成一、二次配光得到了满足或近似符合道路照明要求的单个LED(单元)后的再次配光。主要原理是:平均亮度或平均照度指标是通过调整路灯总的LED(单元)数量多少来满足;均匀度指标是通过路灯的配光方案来实现。

  具体就是通过单个大功率LED(单元)在路灯中的简单叠加或者空间排列方式来合成路灯的光输出分布。

  ①平面式配光

  平面配光是将LED路灯中已经经过一次或二次配光设计、光输出为满足要求的蝙蝠翼型的LED 单元,在平面上均匀安装,灯具的作用只需将单个的LED 光输出进行简单的叠加,几乎不需要再次进行配光就可以得到满意的道路照明效果,具体可以参见LED 斜射透镜和双头形透镜的一次配光,以及自由曲面二次配光等内容。

  ②圆柱面式配光

  很显然,除了LED 单元通过改造后输出的光特性满足道路照明要求的蝙蝠翼型,能够采用平面形灯配光。其它特性的LED 光输出都需要进行路灯的二、三次配光设计才行。图9 给出了采用圆柱面式配光的示意。从图9 中可见:采用窄输出角的LED 单元,如前面提及的±30°范围角的全反射透镜,灯中的LED 单元安装排列为一圆柱弧形,使灯在弧面方向形成±60°的配光。根据不同的灯的安装高度、与水平面的仰角以及灯与灯之间的距离,通过调整圆弧的曲率、改变圆弧方向上LED 的排列密度,在道路上可以获得的照明效果为一沿道路方向近似的矩形面,能得到满意的道路照明效果。

 

 


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关键词:大功率led路灯,道路照明,城市道路照明?

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