LED路灯发展之见解

摘要：国家科技部正在进行“十城万盏”的试点，可见国家对于LED路灯的重视。本文从几个方面，对当今的LED路灯进行剖析，并提出了发展之见解。 关键词：LED路灯 散热 光效 发展 模块 On the Development of LED street lamps Li Pei(PyroSwift(Beijing)Technology, Ltd) Abstract Ministry of Science is going to pilot 10 cities to install 10000 LED street lamps. LED street lamps can be seen the attention for the future. This paper introduces LED street lamps, and propose the development of it. Key words: LED street lamps ; Spread thermal ; Luminous Efficiency ; Development ; Module 1.引言 各国积极推动落实节能减排项目，尤其中国的LED路灯因商机庞大而被受LED路灯厂家重视。路灯是城市照明的重要组成部分，传统的路灯常采用高压钠灯，高压钠灯整体上光效低的缺点造成了能源的巨大浪费，因此，开发新型高效、节能、寿命长、显色指数高、环保的路灯对城市照明节能具有十分重要的意义。 2.当今LED路灯特点 大功率LED路灯与常规高压钠灯路灯不同的是，大功率LED路灯的光源采用低压直流供电、由GaN基功率型蓝光LED与黄色荧光粉合成的高效白光二极管，发光二极管(LightEmittingDiode,简写为LED)是基于半导体PN结形成的用微弱的电能就能发光的高效固态光源，在一定的正向偏置电压和注入电流下，注入P区的空穴和注入N区的电子在扩散至有源区后经辐射复合而发出光子，将电能直接转化为光能。 LED单颗芯片 LED多颗芯片 LED 作为路灯的光源，它和传统路灯光源比较有许多优点。 1、LED路灯本身具有光的指向性，没有光的漫射，保证光效； 2、LED路灯有独特的二次光学设计，将LED路灯的光照射到所需照明的区域，即路面，进一步提高了光照效率，达到节能目的； 3、LED的光源效率目前已达100 lm/W，而且还有很大的发展空间，理论值能达到250 lm/W。而高压钠灯的发光效率是随功率增加才有所增加，因此，总体光效LED路灯比高压钠灯强； 4、LED路灯的光显色性比高压钠灯高，高压钠灯显色指数只有23左右，而LED路灯显色指数可达到75以上，从视觉心理角度考虑，达到同等亮度，LED路灯的光照度平均可以比高压钠灯降低20%以上（参照英国道路照明标准）；而且，在中间视觉水平下，人眼在高色温环境里比低色温环境更容易辨别事物，避免了某些危险状态的发生； 5、LED路灯的光衰小，一年的光衰不到3%，使用10年仍达到道路使用照度要求，因此，LED路灯在使用功率的设计上可以比高压钠灯低； 6、LED路灯可以自动调光,能实现在满足不同时段照明要求，最大可能的降低功率，节省电能； 7、LED是低压直流器件，驱动单颗LED的电压为安全电压，所以它是一个比使用高压电源更安全的电源，特别适用于公共场所。直流的特点使LED特别适合与太阳能、风电进行结合； 8、每个单元LED晶粒只有很小体积，所以可以制备成各种形状的器件，并且适合于易变、易震的环境； 9、寿命长：理论寿命能使用5万小时以上； 10、LED可以进行频繁的开关而不用担心其损坏； 11、安装简便：直接将LED路灯灯头安装于灯杆替换原有的钠灯灯头； 12、散热控制出色：能将LED结点温度降到70°C以下，随着技术的发展，结点温度还在进一步下降，结点温度越低，理论上LED芯片寿命就越长； 13、质量可靠：电路电源全部采用高质量元器件，每颗LED都有单独过流保护及串并联保护，就算一颗损坏，也不会导致其他LED芯片失效； 14、LED 光源不含有害金属汞，不像高压钠灯或金属卤化物灯在报废时对环境造成危害； 但是，最近听到不少专家学者的意见，认为LED作为路灯来取代高压钠灯在技术上还不成熟。主要的理由有以下几点： 1． LED的发光效率无法和高压钠灯相比 2． LED的照射过于集中，其照射的均匀度差 3． LED路灯的光衰严重，寿命不长 4． LED路灯本身自重过重，不利于安装，防风 5． LED路灯造价过高，无法普及 我们根据以上的观点逐一进行分析： 1． 发光效率问题 目前来说，LED的发光效率从数字上来看的确不如高压钠灯。LED现在的光效一般在65~75 lm/w，而且随着技术的发展，LED的光效每年都在提高，而高压钠灯可以达到125 lm/w。但是，高压钠灯的光谱比较集中于黄色，它的色温比较低，只有2000~2500K，而LED的色温较高，可以达到3500~4500 K以上。另外高压钠灯的光线是向四处发射的，有很大一部分光无法到达路面。还有，高压钠灯的显色指数差，只有23左右，感觉昏暗；而LED的显色指数高，可以达到75~80。路面明亮，感觉舒适。所以从实际的发光效果来看，LED反而可以比高压钠灯高出很多。135W的LED可以取代250W的高压钠灯，或300W的水银灯。135W的LED，其输出光通量大约只有7020流明（经过二次光学设计，会有所损失），到达路面时的流明数仍为6500流明，而路面的平均照度可以达到16 Lux（12m高杆）。250W高压钠灯的输出光通量为20,000流明。但到达路面的流明数就只有7000流明。路面的照度大约为30~40 Lux，由于显色系数的差别，LED的照度修正系数为2.35倍，高压钠灯的修正系数为0.94倍。所以135W的LED经过修正以后地面的照度为37.6Lux，而高压钠灯的修正后的照度为28.2~37.6。二者相当。所以，135W的LED可以取代250W的高压钠灯，LED可以节能1.85倍，节能效率约为50%。 2． 照射均匀度问题 的确，如果不进行二次光学设计，LED的照射是比较集中，所以一定要进行二次光学设计，使其光强分布图呈蝙蝠形。

LED路灯配光效果（蝙蝠翼）3． LED的光衰问题 现在有的商家，为了降低成本，就采用几百只φ5的小功率LED。然而这种小功率的LED的光衰是非常严重的，其光衰至80％的寿命只有1000小时。所以，作为需要长期使用的路灯是绝对不能允许采用这种小功率LED的。作为大功率LED，其光衰就要好很多。 4． LED路灯的自重问题 LED路灯，在和高压钠灯的替换过程中，为了防止LED路灯灯头过重，一些LED路灯厂家尽可能的在减少LED灯头的自重。从原来的单个灯头约30公斤左右，降到了现在的10多公斤。重量的减轻还有进一步下降的趋势。 5． LED路灯造价过高，无法普及 LED路灯是由很多部分组成的，而其中发光最有效的元件是芯片，价格最贵的部分也在芯片。现在的芯片的光效在65~75 lm/w，但是各大芯片厂商都在研制更大光效的芯片。试想一下，随着科技的进步，光效一旦发展到很高的水平，那么使用芯片的数量会比现在的少，而且芯片的价格也会同时下降。到那时，LED路灯整体价格也会下降。 3.未来LED路灯特点 个人认为，LED路灯替换高压钠灯，是今后节能减排的一个趋势。LED路灯要发展，我认为在以下几个方面需要注意： 1. 提高光通 2. 弄好二次光学 3. 解决散热 4. 模块化 A.光通的提高还需要从大功率的LED的外延技术、芯片工艺等基础层次进一步提升。目前，国内外制作白光LED的方法是先将LED芯片放置在封装的基片上，用金丝进行键合，然后在芯片周围涂敷YAG荧光粉，再用环氧树脂包封。树脂既起保护芯片的作用又起到聚光镜的作用。从LED芯片发射出的蓝色光射到周围的荧光粉层内经多次散乱的反射、吸收，最后向外部发出。LED(蓝)的光谱线的峰值在465nm处，半值宽为30nm。LED发出的部分蓝色光激发黄色的YAG荧光粉层，使其发出黄色光(峰值为555nm)，一部分蓝色光直接或反射后向外发出，最终达到外部的光为蓝黄二色光，即白光。芯片倒装技术(Flip Chip)可以得到比传统的LED芯片封装技术更多的有效出光。但是如果不在芯片的发光层的电极下方增加反射层来反射出浪费的光能，则会造成约8％的光损失。所以底板材料上必须增加反射层。芯片侧面的光也必须利用热沉的镜面加以反射，增加器件的出光率。而且在倒装芯片的蓝宝石衬底(Sapphire)与环氧树脂导光结合面间应加上一层硅胶材料以改善芯片出光的折射率。经过光学封装技术的改善，可以大幅度的提高大功率LED器件的出光率(光通量)。 B. LED照明器具进行优化设计，提高LED的使用质量。因此研究大功率LED光源二次光学配光设计，满足大面积投光和泛光照明配光需求尤为迫切。通过二次光学设计技术，设计外加的反射杯与多重光学透镜及非球面出光表面，可以提高器件的取光效率。传统光源照射方向为360°，灯具依靠反射器将大部分光线反射到特定方位，只有40%左右的光是直接透过玻璃罩到达路面的，其他的光是通过灯具反射器再投射出灯具的，灯具的反射器的效率一般仅为50%~60%，所以有60%左右的光输出在灯具内，是在损失了30%~40%后再投射到路面上的。光源光输出的很大一部分被限制在灯具内部发热消耗掉。LED灯的绝大部分光线都是前射光，可以实现＞95%的光效，这是LED区别于其他光源的重要特性之一，如果不能将这一特性很好利用，会使LED的优势大打折扣。大多数大功率LED灯由于是多个LED芯片拼装，要将这么多光源照到不同方向，我们充分发挥芯片整体封装的特点，采用透镜加以解决，通过光学设计，根据不同需要，配备不同凸面曲线，依靠透镜来将光线分配到不同方向，保证出光角度大的可以达到120°～160°，小的可以将光线聚集在30°以内，透镜一旦定型，在生产工艺保证的前提下，同种灯具的配光特性也就达到了一致。完全可以通过经过多次试制，不断地总结经验，能够使LED路灯达到道路照明标准要求的蝙蝠翼光型。目前隧道灯、路灯和一般照明灯已达到各自应用场所的照明要求。 C. 散热是LED路灯需要重点解决的问题。众所周知，LED是个光电器件，其工作过程中只有15%～25%的电能转换成光能，其余的电能几乎都转换成热能，使LED的温度升高。在大功率LED中，散热是个大问题。例如，1个10W白光LED若其光电转换效率为20%，则有8W的电能转换成热能，若不加散热措施，则大功率LED的器芯温度会急速上升，当其结温（T_J）上升超过最大允许温度时（一般是150℃），大功率LED会因过热而损坏。因此在大功率LED灯具设计中，最主要的设计工作就是散热设计。由于LED路灯亮度要求高，使用环境比较苛刻，如果散热解决不好，会迅速导致LED老化，稳定性降低。一盏采用250W高压钠灯的路灯，由于技术成熟，散热控制的很好，即使工作5000小时，光衰仍然很小。以目前的技术，相同条件下的大功率LED路灯，如果散热解决不好，光衰会很大。目前LED路灯的散热方式主要有：自然对流散热、加装风扇强制散热、热管、回路热管散热和均温板散热等。加装风扇强制散热方式系统复杂、可靠性低，热管和均温板散热方式成本较高。 回路热管 均温板 结点温度与寿命曲线图 D. LED路灯，最终会选择模块化安装及维修。现在路面用的最多的高压钠灯，内部的镇流器等部件不容易损坏，大部分不亮的原因是光源损坏，维修的方式只要更换光源即可。一个熟练的操作工人，完全可以个人进行高台操作。但是，LED路灯，内部的部件很多，除了光源（芯片），其他各个部分损坏都会导致芯片不亮。所以，在现场，无法立刻断定LED路灯损坏的原因。如果LED路灯不亮，需要把LED路灯摘下运回工厂进行各项检测。这样更换LED路灯的方式显得非常繁琐。LED路灯的发展最终版本，就是发展成为模块化。光源、电气等之间全部是按照插接进行更换，这样，一个熟练的工人，也完全能独立进行判断损坏的原因并进行现场维修。 4.结论 建议：统一LED标准，提升品质稳定性，成立市场竞争协调组织，避免恶性竞争，大力宣传LED的品质观念，避免受不良实例的影响，要让人们从思想上接受LED其实是可以实现其寿命长的优点的，提高选择和使用LED的水平。综上所述，LED路灯替换高压钠灯，是今后道路照明的必然趋势。 参考文献： 【1】 “大功率路灯现场辩论会”正反方议题 2009年 【2】 《电光源实用手册》，北京电光源研究所、北京照明学会编著 2005年 【3】 http://baike.baidu.com/view/1307522.htm 【4】 《半导体照明技术》，电子工业出版社编著 2009年 【5】 《LED制造技术与应用》，电子工业出版社编著 2007年