公文礼
（西安科灵自动化科技有限公司，西安７１０１１９）
摘要：该文通过对大功率ＬＥＤ光源在城市照明灯具方面的应用现状和性能进行分析，具体阐述了目前条件下ＬＥＤ光源在照明灯具应用设计中的几种应用方案，通过对应用方案的简单分析，说明了针对不同的应用场合和灯具类型，如何合理选择适宜的ＬＥＤ光源以便设计出性价比良好的灯具。同时我们也认识到ＬＥＤ真正用于照明灯具所要面临的技术上的挑战和前所未有的市场机遇，希望业界能够共同携手，为我国ＬＥＤ照明产业的繁荣进步而不懈努力。 关键词：大功率ＬＥＤ特点；基座型ＬＥＤ；多芯片集成型；光照均匀性
ＴｈｅＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎａｎｄＥｘｐｌｏｒａｔｉｏｎｏｆＰｏｗｅｒｆｕｌＬＥＤＬｉｇｈｔｉｎｇＦｉｘｔｕｒｅｓ
ＧｏｎｇＷｅｎｌｉ
（ＸｉａｎＫｅｌｉｎｇＡｕｔｏｍａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏ．，Ｌｔｄ，Ｘｉｈｎ７１０１１９）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｉｓｔｈｅｓｉｓｔａｌｋｓａｂｏｕｔｓｅｖｅｒａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｌｕｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｌｉｇｈｔｓｏｕｒｃｅＬＥＤｉｎｌｉｇｈｔｉｎｇｆｉｘｔｕｒｅｄｅ—ｓｉｇｎａｔｐｒｅｓｅｎｔ，ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｉｔｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｃｉｒｃｕｍｓｔａｎｃｅａｎｄｃａｐａｂｉｌｉｔｙｉｎｔｅｒｍｓｏｆｌｉｇｈｔｉｎｇｆｉｘ—ｔｕｒｅｓ．Ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｓｉｍｐｌｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｓｅｓｏｌｕｔｉｏｎｓ，ｉｔｓｈｏｗｓｈｏｗｔｏｃｈｏｏｓｅｐｒｏｐｅｒＬＥＤｉｎｏｒｄｅｒｔｏｄｅｓｉｇｎｈｉｇ｝ｌｌｙｃｏｓｔｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｉｇｈｔｉｎｇｆＬｘｔｕｒｅｓｉｎａｌｌｕｓｉｏｎｔｏｄｉｆｆｅｒｅｎｔａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｃｃａｓｉｏｎｓａｎｄｔｙｐｅｓｏｆｌｉｇｈｔｉｎｇｆｉｘ—ｔｕｒｅｓ．Ｍｅａｎｔｉｍｅ，ｔｈｅｔｅｃｈｎｉｃａｌｃｈａＵｅｎｇｅｓａｎｄｕｎｐｒｅｃｅｄｅｎｔｅｄｍａｒｋｅｔｏｐｐｏｒｔｕｎｉｔｉｅｓｏｆ
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０引言
近年来，随着半导体发光材料研究的不断深入，ＬＥＤ制造工艺的不断进步和新材料（氮化物晶体和荧光粉）的开发和应用，各种颜的超高亮度ＬＥＤ取得了突破性进展，其发光效率得到了迅猛提高，度方面已实现了可见光波段的所有颜。其中最重要的是超高亮度白光ＬＥＤ的出现，使ＬＥＤ应用领域跨越至高效率照明光源市场成为可能。ＬＥＤ照明即将引领未来第四代光源的跨越式革命。特别是２００８年奥运会的水立方照明全部采用ＬＥＤ。１大功率ＬＥＤ用作灯具光源的性能特点
１．１发光效率高
ＬＥＤ经过近几十年的发展，发光效率得到了较大的提高。白炽灯、卤钨灯光效为１２—２４ｌｍ／Ｗ，荧光灯５０—７０ｌｍ／Ｗ，钠灯９０—１４０ｌｍ／Ｗ，大部分的耗电变成热量损耗。ＬＥＤ
螺纹脂的光效现已达到９０～２００ｌｍ／Ｗ，而且其光的单性好、光谱窄，无需过滤即可直接发出有可见光。
１．２耗电量少，节能
ＬＥＤ小电流驱动，低电压工作。在同样照明效
收稿日期：２００９－０２．１２
作者简介：公文礼（１９７４一），男，机电工程师，主要从事ＬＥＤ半导体光学应用及冷光源照明灯具的研制工作。
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２００９年６月灯与照明第３３卷第２期
果的情况下，耗电量约是白炽灯泡的八分之一。荧光灯的二分之一。
１．３使用寿命长
采用ＬＥＤ光源的灯具体积小、重量轻。ＬＥＤ光源环氧树脂封装，可承受高强度机械冲击和震动，
不易破碎。平均寿命达ｌｏｏ０００ｈ。ＬＥＤ灯具设计合理的话其使用寿命可达５～１０年，极大地降低了灯具的维护费用，避免经常换灯之苦。
１．４安全环保
ＬＥＤ发热量低，无热辐射性，低电压工作，为冷光源，可用于一些特殊场合；并且无有害金属汞，无红外线和紫外线辐射。
１．５体积和功率均小。灯具设计灵活多样
能根据不同的使用环境，采用不同数量的ＬＥＤ组合可以设计不同结构和形状的灯具。具有良好的空间布局。
１．６配光容易
光柔和，无眩光；不同波长产生不同彩光，鲜艳饱和，无需滤光，可以在ＬＥＤ封装时做成温不同的颜，以达到实际需要的理想照明效果。
目前使用的高压钠灯发光颜为黄，温及显指数都比较低。太阳光显指数为１００，而高压钠灯的显指数仅为２０左右（黄光），ＬＥＤ光源照明灯的温可以在４０００—７０００Ｋ之间灵活选择，显指数可达８０以上，灯具发光颜更接近于自然光。
１．７前期投资较大
受封装技术和工艺的限制，ＬＥＤ光源要比传统光源昂贵，但是用其使用一年时间的节能收回光源的投资，从而获得４—９年中每年几倍的节能净收益。
２几种典型的大功率ＬＥＤ应用方案目前，以ＬＥＤ为光源的手电筒和矿灯已得到了广泛的应用且形成规模化。众多的灯具厂家都在发挥各自的优势采用不同设计方案，以期ＬＥＤ光源在隧道灯、路灯等方面有所突破。但概括起来，现应用较多的也就以下四种方案：
２．１数颗小功率支架ＬＥＤ型
主要在早期灯具设计时，采用数十颗支架型小功率晒一①１０白光ＬＥＤ管来做光源。例如，（如图ｌ所示）目前市场上有１—５ｗ的球泡型灯、１５—２０ｗ的管灯及４０一６０ｗ的路灯、地灯等就是采用这
・３４・种方案。一般使用了几十到几百颗①５一西１０白光ＬＥＤ，阵列式排布，直接插接在ＰＣＢ板或者焊接在铝基板上，电源驱动可以采用电容降压来实现。光学设计上无需考虑过多，不存在散热问题，灯具结构上也很容易实现；尤其是这种管子国产化程度很高，灯具的成本比较低，很容易进入市场。但生产工艺复杂、可靠性差、故障率高、外壳尺寸大，特别是做路灯等大型灯具时亮度不够理想。现在用作家用球泡ＬＥＤ灯非常成熟。
图１支架ＬＥＤ型球泡灯
２．２数颗小功率贴片ＬＥＤ型
这种灯具是随着封装技术的提高而对小功率支架ＬＥＤ的改进，（如图２所示）ＬＥＤ贴片体积更小，但功率要比支架ＬＥＤ的大得多，所以灯具采用的管子数量要比支架ＬＥＤ型少。这种应用目前还比较少，主要在条型管灯上比较多。
图２小功率ＬＥＤ贴片型
２．３大功率基座（基板）ＬＥＤ型
这是目前应用最多也最成熟的方案。主要用在一些高亮度需求的灯具上，如路灯、隧道灯。采用几颗甚至多颗大功率基座型ＬＥＤ作为灯具光源（如图３所示）。
为了达到不同的照明效果，可以任意排列管子的位置，设计成不同的出光角度，使灯具总的光亮度分布均匀。所以在进行灯具的光学部分设计时灵活性较大，但不同的灯具其针对性较强：如图４所示的路灯，就是用在８ｍ竿高的双向４车道的主干道上，效果非常理想，但如果要用在１０ｍ竿高的双向６车
道的主干道上，在４０ｍ的路灯竿间距上，两灯竿之
万方数据
２００９年６月灯与照明第３３卷第２期
间的亮度明显不足。
图３大功率基座型ＬＥＤ光源
图４一种采用大功率基座型ＬＥＤ光源的路灯
这主要是因为大功率ＬＥＤ光源是光强分布近似朗伯源的点光源或者蝙蝠翼型的点光源，如果还是简
单地汇集ＬＥＤ光源来做道路照明，则无法真正利用ＬＥＤ冷光源的优势。必须通过二次光学设计才能实现。由于目前大功率ＬＥＤ的发光角度受限，半光强角度最大的也只能到１２００，多颗组合后，虽然照度可以满足要求，但很难达到国家照明标准规定的路面均匀性要求。图５为ＬＥＤ“Ｖ”型排列时路灯的光路分析示意图，以１０ｍ竿高４０ｍ竿间距为例，从图中可以看出，只要设计时通过调整Ｇ１和Ｇ２的角度ｄ就可以保证路长Ｚ（也就是４０ｍ两竿间距）上的光能全部覆盖，但是由于ＬＥＤ光源上通过反光罩的作用后，ＦｌＦ２区间和乃Ｆ４区间的光是ＬＥＤ光源半光强角度以内的直射光和各自的反射光的叠加，这两个区域的光明显是最强的；相反，在ＡｌＦｌ和Ｆ４８２区间由于是半光强以外的光，本身就很弱，所以在路面上会形成几组明暗交替的光带，通过理论分析和实际的照明效果测试，光分布很难达到均匀。并且ＬＥＤ光源的指向性，即使通过透镜等光学设计也不能完全解决问题。
这种灯具设计时，由于调整了管子主光轴的角度，如果ＬＥＤ管不加反光罩，半光强以外的那部分直射光势必会造成浪费。无论反光罩设计时如何调整角度，经反射后光带总会存在，这也是目前困扰其应用的主要障碍。
但是在一些近距离照明时，上述问题就显得不那么严重，隧道灯和工矿用的灯具，照明效果还是比较理想的。
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心Ｂ２Ｉ图５基座型ＬＥＤ“Ｖ”型排列时光路分析示意图
采用这种方案的灯具在电源驱动时可以采用开关恒流驱动电路，效率较高。可达８０％以上。电路上可以采用两路串联驱动，这样可以降低总电路的负荷，避免单路驱动时ＬＥＤ管子损坏造成的电路不稳定，从而提高灯具的可靠性。但灯具必须要有良好的散热结构，才能尽可能地降低管子本身的光衰，以保证灯具的使用寿命。
用基座型大功率ＬＥＤ做光源的灯具其价格比白炽灯、日光灯、节能灯要高得多，但它的节能效果及寿命比其他灯具也高得多。如果用在路灯上，其一次性投资较高，但长期的节电效果及经济性都是值得期待的。防辐射屏
２．４单颗或者几颗多芯片集成型
多芯片集成型白光ＬＥＤ（如图６所示）具有独特的优势：通过不同的串并联组合，可以实现各种不
同的额定电压和电流，更好地适应驱动器设计，提高整体发光效能，降低成本；单位面积的芯片数可多可少，可以封装成各种不同的点和面光源。
图６一种多芯片集成ＬＥＤ光源
这种灯具安装工艺简单，由于多点发光，二次光学设计的难度大。由于一般单颗就能做到２０ｗ甚至２００Ｗ，所以对灯具的散热要求也比较苛刻。灯具设计时灵活性不大，受芯片局限性大，但光学系统及灯具结构可以借鉴老式路灯的外壳，可以节约前期开发成本。
防护套
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２００９年６月灯与照明第３３卷第２期
由于大功率芯片到目前为止还没有国产化，从国外或台湾进口，价格很高，而小功率芯片国内货源充足，组合成同样的功率，其价格相对较低，所以通过封装多个小功率芯片组合成集成型白光ＬＥＤ，用作灯具光源具有价格上的优势。由于生产工艺简单，可以大大减少灯具组装的成本，便于工业化。因此很适合现阶段我国的国情，在ＬＥＤ灯具照明技术尚不成熟的情况下可以作为一种很好的过度。
虽然这种方案价格相对较低，工艺简单，但因为它是通过封装多个小功率芯片组合而成，数颗ＬＥＤ瞬间产生的热量要持续地通过壳体导出，对灯具的散热结构要求就非常苛刻。如果设计时兼顾了灯具的造型，就势必会对散热有所影响，从而为管子的光衰埋下了隐患。更重要的是管子内部的电路复杂（如图７所示），由于芯片内部采用４并５串的方式供电，如果其中某一路上的某颗或几颗管子损害，势必造成整个电路驱动上的不平衡，从而导致电路的负荷加大，工作不稳定，内部管子损坏后，肉眼从外部根本无法发现；此外就是管子自身的ＶＦ值也不均衡，或高或低，这样也很难保证４路上分配的电流均衡，做不到真正的恒流驱动，除非管子的内部再附加其他的调整电路才能够解决。
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图７２０ｗ多芯片集成型ＬＥＤ光源的内部电路
表１几种ＬＥＤ光源应用方案对比
３小结
通过对目前几种ＬＥＤ光源应用现状的简单分析，我们清楚地看到，大功率ＬＥＤ光源在城市道路照明系统中作为一个新的技术，在应用上还有许多难题亟待解决。不论采用那种方案，要使ＬＥＤ照明灯具能够达到道路照明的实际要求，其中最关键的是在做到降低灯具成本的同时，通过对灯具的结构设计和方案进行优化，包括ＬＥＤ光源及相关的光学系统的更新，来满足大功率照明灯具光照的均匀性。使其在整体性能上达到道路照明标准的要求。
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同时也使我们认识到要想将大功率ＬＥＤ广泛地应用到照明领域，除了对灯具的光学及结构进行优化设计外，更重要的是将照明灯具设计中面临的光学及散热两大难题通过ＬＥＤ研制和生产单位从ＬＥ
Ｄ管子本身的技术方面另辟蹊径，以改善其自身的出光效果，这样才能在灯具设计时使其有更大的应用空间，为推动我国ＬＥＤ照明产业的健康平稳发展策力。
参考文献：
［Ｉ］ｃＪＪ４５—２００６．城市道路照明设计标准［Ｓ］
万方数据
大功率LED照明灯具的应用与探讨
作者：公文礼， Gong Wenli
作者单位：西安科灵自动化科技有限公司，西安,710119
刊名：
灯与照明
英文刊名：LIGHT & LIGHTING
年，卷(期)：2009，33(2)
引用次数：0次
本文链接：d.wanfangdata/Periodical_dyzm200902010.aspx
下载时间：2009年10月3日石榴套袋技术
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