大功率LED照明燈具性能研究文獻(xiàn)綜述

1、文獻(xiàn)綜述 題 目 大功率LED照明燈具 光學(xué)性能研究 學(xué)生姓名 劉英超 專(zhuān)業(yè)班級(jí) 電子科學(xué)與技術(shù)08-1班 學(xué) 號(hào) 200811010126 院 （系） 技術(shù)物理系 指導(dǎo)教師(職稱(chēng)) 運(yùn)高謙（講師） 完成時(shí)間 2012 年 6 月 1 日 大功率LED照明燈具光學(xué)性能研究本文通過(guò)對(duì)大功率LED在城市照明燈具設(shè)計(jì)應(yīng)用中遇到的實(shí)際問(wèn)題的詳細(xì)分析， 結(jié)合LED領(lǐng)域的技術(shù)現(xiàn)狀和行業(yè)特性，討論了LED燈具設(shè)計(jì)時(shí)拯待解決的系列問(wèn)題。建議在加強(qiáng)行業(yè)合作和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的同時(shí)，燈具制造企業(yè)對(duì)燈具進(jìn)一步合理科學(xué)的優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，必須依賴(lài)于LED研制單位，力求在LED封裝時(shí),能夠在思路上大膽創(chuàng)新，除了提高發(fā)光效率，在光學(xué)特

2、性和結(jié)構(gòu)方面能為燈具設(shè)計(jì)者考慮得更多，這樣才能從根本上解決實(shí)際問(wèn)題。以期共同克服制約LED應(yīng)用和發(fā)展的瓶頸,共同推動(dòng)LED照明產(chǎn)業(yè)的更加繁榮。1 大功率LED照明燈具的現(xiàn)狀和優(yōu)勢(shì)人類(lèi)照明的光源先后經(jīng)歷了白熾燈、熒光燈、高強(qiáng)度氣體放電燈三個(gè)時(shí)代。LED作為第四代新光源1，具有發(fā)光效率高、耗電量少、使用壽命長(zhǎng)、安全可靠性強(qiáng)，環(huán)保等優(yōu)良特性。許多城市已經(jīng)利用LED光源照明技術(shù)在城市燈光環(huán)境建設(shè)中，產(chǎn)生了良好的效果，像護(hù)欄照明、廣場(chǎng)照明、庭院照明、投光照明、水下照明等系列。由于LED光源的顯著優(yōu)點(diǎn)和白光LED技術(shù)的日臻成熟，LED光源城市道路照明系統(tǒng)有著廣闊的應(yīng)用前景。對(duì)節(jié)省建設(shè)資金，緩減用電矛盾，構(gòu)

3、建節(jié)約型社會(huì)具有重大意義2。(1) 節(jié)能，安全性高：LED光源如果設(shè)計(jì)合理，很大程度上可以直接解決傳統(tǒng)球狀光源必須依靠光發(fā)射來(lái)解決的二次取光及光損耗問(wèn)題。所以燈具反射損失低，燈具整體光效高，如果采用PWM數(shù)字調(diào)光系統(tǒng)，更省電；目前白光LED的發(fā)光效率約為80lm/W，較傳統(tǒng)高壓鈉燈可以節(jié)電50%60%。如果和太陽(yáng)能系統(tǒng)直接配套，無(wú)需額外的逆變、轉(zhuǎn)換過(guò)程，能達(dá)到最大的能源利用率。(2) 低維護(hù)成本，安裝維護(hù)簡(jiǎn)便: 如果燈具整體設(shè)計(jì)合理，大功率LED光源理論上可以正常使用10年不用更換，而傳統(tǒng)高壓鈉燈平均1年半就要更換一次，所以可以大大降低維護(hù)成本。同時(shí)采用LED路燈除了在單燈成本及最初安裝的造價(jià)

4、比高壓鈉燈高外，在鋪設(shè)成本、耗電成本及壽命方面均大大優(yōu)于高壓鈉燈。由于驅(qū)動(dòng)電流小、電纜、變壓器和工程費(fèi)用也相應(yīng)的減少。(3) 顯色性佳，配光容易：LED的顯色指數(shù)高(7590)，基本上接近自然光。光色可以人為控制，可以通過(guò)配光滿足不同照明領(lǐng)域的需求。對(duì)光照射區(qū)域的光色均勻度可控，能夠避免傳統(tǒng)光源單調(diào)色的現(xiàn)象。(4) 環(huán)保，便于管理：LED光源無(wú)輻射，更不會(huì)造成光污染；使用壽命長(zhǎng)，不需要經(jīng)常進(jìn)行更換，管理維護(hù)方便3。2 現(xiàn)階段LED燈具性能上的缺陷(1) 發(fā)光效率較低，亮度不足，燈具的成本高：目前雖然試驗(yàn)室水平大功率白光LED的發(fā)光效率已經(jīng)超過(guò)了100lm/W，但量產(chǎn)的、性?xún)r(jià)比高的大功率白光LE

5、D發(fā)光效率還在80lm/W左右，在燈具設(shè)計(jì)中如果要提高整體的燈具亮度指標(biāo)，勢(shì)必要增加LED的數(shù)量，從而增加燈具的成本4。(2) 地面對(duì)LED光的反射率低：由于目前白光LED光譜特征,路面及周邊物體對(duì)其反射率低，特別是瀝青路面，雖然地面的照度指標(biāo)能達(dá)到要求，但路面的亮度較低， 與鈉燈的黃光相比，這是它的一個(gè)弱點(diǎn)。輸出功率及光通量的提高要從大功率白光LED的外延技術(shù)、芯片工藝等基礎(chǔ)層次進(jìn)一步提升。(3) 當(dāng)前技術(shù)下LED的光通量還不夠大，光效太低，色溫不易控制，造成燈具的整體品質(zhì)難以保證；燈具的穩(wěn)定性，可靠性難以保證；有效光的照明角度偏小、分布不均勻，光學(xué)、散熱設(shè)計(jì)復(fù)雜5。3 大功率LED在燈具設(shè)

6、計(jì)中面臨的技術(shù)問(wèn)題從目前市場(chǎng)上的LED燈具的分析結(jié)合實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程，大功率LED燈具目前存在的制約其應(yīng)用的主要技術(shù)難點(diǎn)有以下幾個(gè)方面。這也是燈具制造企業(yè)和LED研制單位共同關(guān)心的關(guān)鍵問(wèn)題。3.1 二次光學(xué)設(shè)計(jì)難度大LED照明屬于點(diǎn)光源，因此其光學(xué)設(shè)計(jì)，包括初級(jí)透鏡或反光裝置的設(shè)計(jì)和二次光學(xué)的設(shè)計(jì)等是一大應(yīng)用難點(diǎn)6。LED路燈存在的特殊要求主要是LED光強(qiáng)和發(fā)光角度的設(shè)計(jì)，多顆LED組合時(shí)，必須考慮出光照射的區(qū)域。由于LED的光輻射形式有朗伯型、側(cè)射型、蝙蝠翼型和聚光型幾種。在道路照明領(lǐng)域，根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)朗伯型和蝙蝠翼型比較適用，通過(guò)合理的二次光學(xué)設(shè)計(jì)，能使LED的光照范圍、配光曲線基本上符合道路

7、照明的需求，但是很難做到理想化7。圖1和圖2的光學(xué)結(jié)構(gòu)為目前路燈普遍采用的二次光學(xué)設(shè)計(jì)方案，但在細(xì)節(jié)上均存在著光損問(wèn)題和路面分布不均勻的情況。當(dāng)然也有些廠家采用直接出光(無(wú)二次光學(xué)系統(tǒng))的方法，雖然可以解決一些問(wèn)題，但有相當(dāng)一部分側(cè)射光白白浪費(fèi)8。 圖1 拋物線的光學(xué)系統(tǒng) 圖2 透鏡的光學(xué)系統(tǒng)由于LED本身的發(fā)光原理和體系結(jié)構(gòu)造就了在二次燈具應(yīng)用設(shè)計(jì)中再次突破和創(chuàng)新受到極大的限制。當(dāng)然，這方面諸如青蛙復(fù)眼原理的全向發(fā)光等方面的研究有待于進(jìn)入應(yīng)用領(lǐng)域9。3.2 光均勻性差大功率LED光源燈具目前普遍采用兩種成熟的方案，一種是使用小功率支架型LED作組合，一般多達(dá)上百顆甚至數(shù)百顆，電源設(shè)計(jì)復(fù)雜。另

8、一種是使用大功率LED管作陣列排布，效果較理想但價(jià)格相對(duì)高些。在城市道路照明燈具設(shè)計(jì)中，雖然通過(guò)兩種方案都解決了亮度不足問(wèn)題，但由于路燈照明是遠(yuǎn)距離，大范圍的覆蓋，所以目前的LED路燈普遍存在路面光均勻性差，形成斑馬紋,“暗帶”“亮帶”現(xiàn)象10。單個(gè)LED存在個(gè)體之間存在色差誤差，多個(gè)組合時(shí)，色差問(wèn)題就很突出；雖然可以通過(guò)配光改善光色，但是要徹底達(dá)到理想的自然光效目前還處在摸索階段。3.3 燈具的散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有待進(jìn)一步突破和提升由于LED的發(fā)光效率隨著LED溫度的升高而下降，所以散熱是LED路燈需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題之一11。LED路燈亮度要求高、發(fā)熱量大，并且戶外的使用環(huán)境本身比較苛刻，如果散熱

9、不良會(huì)直接導(dǎo)致LED快速老化，穩(wěn)定性降低,除了需要LED本身具有好的散熱結(jié)構(gòu)外，應(yīng)該將路燈的殼體做為散熱的重要渠道。一般設(shè)計(jì)時(shí)將散熱面位于側(cè)上面且加散熱鰭片(如圖1和圖2的結(jié)構(gòu))這樣有利于空氣的自然對(duì)流散熱。但是這就要求燈具必須有足夠的散熱面積從而增加了燈具的體積。如果采用圖3風(fēng)孔式對(duì)流的散熱方案，則可以適當(dāng)縮小燈具的體積。目前正在實(shí)驗(yàn)階段的還有采用風(fēng)扇輔助風(fēng)冷和毛細(xì)管水冷的方案,期待能很快的得以應(yīng)用。圖3 一種風(fēng)孔式對(duì)流的散熱系統(tǒng)3.4 燈具的外觀造型受到限制由于LED燈具需要較好的散熱系統(tǒng)，加之LED光源的單向性，使得燈具的外觀造型和材料的選用上都受到了很大的局限，很難作到流線型的外觀。且

10、要達(dá)到IP65的防護(hù)等級(jí)要求，這些都得從加工工藝上來(lái)保證12。3.5 缺少相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)政策的支持雖然部分企業(yè)聯(lián)合學(xué)術(shù)界對(duì)LED路燈相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了研討，但還無(wú)相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,無(wú)法全面推廣，造成LED生產(chǎn)廠家和燈具生產(chǎn)廠家存在技術(shù)上的銜接障礙，幾個(gè)主要參數(shù)如色溫、顯色性(顯色指數(shù))和眩光等尚未明確的規(guī)定。4 對(duì)LED照明產(chǎn)業(yè)的期望和建議現(xiàn)有的路燈標(biāo)準(zhǔn)是建設(shè)部新制定的“城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)”(CJJ45-2006)，于2007年7月1日開(kāi)始執(zhí)行，其中未提到使用LED路燈的問(wèn)題13。在此，相關(guān)部門(mén)應(yīng)組織有關(guān)人員認(rèn)真討論，采用LED路燈能否符合上述設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)或需要提出哪些補(bǔ)充修改意見(jiàn)作為正式的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

11、要求。另外，應(yīng)該盡快制定適合LED路燈的道路路面測(cè)試方法標(biāo)準(zhǔn)，制定LED路燈的燈具(含LED燈)標(biāo)準(zhǔn)，提出LED路燈的主要參數(shù)包含色溫、顯色指數(shù)、眩光、發(fā)光強(qiáng)度(或照度)、角度以及熱阻和可靠性等指標(biāo)要求，制定LED路燈的燈具測(cè)試方法標(biāo)準(zhǔn),建立公正的權(quán)威的LED路燈相關(guān)檢測(cè)機(jī)構(gòu)14。隨著LED照明技術(shù)在路燈上的進(jìn)一步應(yīng)用，其自身技術(shù)上的特殊要求主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：首先，要有良好的發(fā)光效率穩(wěn)定性和流明維持性，不能衰減太快。其次，光色的一致性和可維持性要好，不能因?yàn)檩^長(zhǎng)時(shí)間使用而光色發(fā)生變化。LED封裝企業(yè)做到了這兩點(diǎn)，燈具生產(chǎn)企業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)做好燈具的整體散熱效果，提高二次光學(xué)設(shè)計(jì)的效果，這樣LED

12、作為城市路燈照明的主體才有可能得到行業(yè)的認(rèn)同和支持15。所以建議：LED城市照明燈具的設(shè)計(jì)與應(yīng)用除了燈具制造企業(yè)在竭盡全力進(jìn)行各種優(yōu)化設(shè)計(jì)，發(fā)揮更多的創(chuàng)新和突破外，主要的任務(wù)還得依賴(lài)LED生產(chǎn)和研發(fā)機(jī)構(gòu)來(lái)從LED晶片和封裝技術(shù)上能夠有所突破。特別是制約目前其應(yīng)用的最大障礙和瓶頸的光學(xué)方面的缺陷，迫切需要進(jìn)行改進(jìn)和提升16。特別是在提高散熱效率、驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)優(yōu)化、配光設(shè)計(jì)方面還有非常大的提升空間，還有大量的研發(fā)工作需要深入開(kāi)展。LED照明要完全取代大功率的高壓鈉燈、高壓汞燈、金鹵燈等光源, 還需業(yè)界共同攜手來(lái)進(jìn)一步的研究和探討，LED光源生產(chǎn)廠家更要結(jié)合路燈行業(yè)的實(shí)際情況，生產(chǎn)符合路燈的實(shí)際使用

13、工作環(huán)境所需的光源，盡可能的去解決LED光源在照明應(yīng)用中存在不足,真正讓LED大功率照明得以廣泛的應(yīng)用。參考文獻(xiàn)1 崔元日,潘蘇予.第四代照明光源一白光LED，燈與照明，Vol.28,No.2, p31-34(2004)2 方佩敏.LED照明燈的發(fā)展概況J.今日電子，2007(12).62-64.3 易安.半導(dǎo)體照明21世紀(jì)的節(jié)能新光源，中國(guó)創(chuàng)業(yè)投資與新科技(2004.8).4 劉行仁，薛勝,黃德森.白光LED現(xiàn)狀和問(wèn)題，光源與照明，No.3(2003).5 方志烈.LED白色照明光源，國(guó)際光電與顯示，Vol.12,p58-59(2000). 6 梁程遠(yuǎn).LED的二次配光設(shè)計(jì)D.杭州:浙江大學(xué)

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