第25卷 第6期2006年12月天 津 工 业 大 学 学 报
J O URNAL O F T I ANJ I N P OLY TECHN I C UN I VERS I T Y Vol .25 No .6
Dece mber 2006
3
郭一翔，牛萍娟，毛博年
(天津工业大学信息与通讯工程学院，天津300160)
摘 要：提出了LE D 路灯的一种设计方案，分别从光源设计、驱动电路设计和散热设计3方面说明了LE D 路灯设 计中应遵循的原则和注意的问题.该方案提高了LE D 路灯发光的稳定性，改善了它的温，延长了它的使用寿命.并通过制作LE D 路灯光源验证了该方案的正确性.
关键词:LE D；灯具；光源
中图分类号:T M923.34 文献标识码:A 文章编号:16712024X (2006)0620041203
D esi gn and rea li za ti on of L ED street l am p
G UO Yi 2xiang,N I U Ping 2juan,MAO Bo 2nian
(School of I nfor mati on and Communicati on Engineering,Tianjin Polytechnic University,Tianjin 300160,China )Abstract :A design p r oposal of LE D street lamp is intr oduced .The rules that should be conf or med t o and the matters that
should be paid attenti on t o are exp lained thr ough three as pects such as phot os ource design,drive circuit design and radiating design .This p r oposal i m p r oves the stability and col or te mperature of the LE D street la mp,and p r ol ongs its service life .The correctness of the p r oposal is validated thr ough making an LE D street light phot o s ource .
Key words :LE D;lamp;phot os ource
LED 是英文L ight Em itting D i ode 的缩写，译为发光二极管，属于固态光源.LED 的应用已有较悠久的历史，以前主要应用在各种电子设备的指示灯、大屏幕显示器、信号灯和液晶屏幕背光源等领域.近些年来，随着GaP 、Ga N 系Ⅲ2V 族化合物半导体的结晶成长工艺技术及纳米技术的进步,LED 的光
效和大功率集成技术都有了很大的提高,LE D 已经开始在照明领域里初步应用，出现了LED 路灯、LED 矿灯、LED 应急灯、LED 车灯、LE D 景观灯等多种以大功率LED 为光源的照明灯具.笔者的目标是设计一种路灯光源，采用大功率LED 作为光源，光源总的光通量达到400l m ；发出的光显性好，并且属于暖调光；使用寿命达到20000h 以上.
1 光源设计
计数继电器 传统照明光源主要有3大类：白炽灯、荧光灯和稀
有气体放电灯.与这些光源相比,LE D 光源光效比较高，使用寿命长，采用安全电压供电，不含有毒重金属,
显指数高，而且属于新型光源，发展潜力巨大，是未来传统光源理想的替代品.表1为几种照明光源的性
能比较.
表1 几种照明光源的性能指标
Tab .1 Co m par ison of co mm on photosources 测试项目白炽灯荧光灯高压汞灯高压钠灯
LED 发光效率/(l m ・W -1)
16705010050寿命/kh 28～106～202450显指数9575452385成本/(＄・(kl m )
-1
)
0.4
1.5
5
5
20
驱动电路简单价格低中价格低复杂价格高复杂价格高中
价格低安全性
一般一般差差高可靠性差差一般一般高亮度可调性好差好好好方向性差
差
差
差好环保性
一般汞污染汞污染
汞污染
好
注：白炽灯发光效率为30W 的数据.
3
收稿日期:2006-03-06 基金项目：天津工业大学校级基金项目
美发剂
作者简介：郭一翔(1979—)，男，河北省廊坊市人，硕士研究生；牛萍娟(1973—)，女，河北省石家庄市人，副教授，导师.
通常的路灯一般采用两种光源，荧光灯和高压钠
灯.高压钠灯发出的光温低，属于暖调，但显性差；荧光灯发出的光显性好，但温高，属于冷调光.这两种类型的光源均无法满足本设计方案中对光源发光的温和显性的要求.而LE D 根据种类的不同可以发出不同温的光，所以选择不同种类的LE D 进行混光，可以获得显性好的暖调光.采用白和琥珀的1W 功率型LE D 按照表2所示比例进行混合，作为路灯光源.通过计算，混合后的光源发出温为3700K 的暖白光，显性大于85，最低光通量为407l m ，达到了设计方案中对光源的要求.
表2 L E D 混合方案
Tab .2 M i x propos a l of L E D
颜总通量
/l m 单通量
/l m 光衰指数
温
/K 混合量
电机传动
/个混合温
/K 白267.0040 1.24580093700琥珀
140.00
40
2.4
2300
7
3700
注:
光衰指数指T j =80℃
2 驱动方案设计
LE D 是一种半导体产品，需用低压直流来驱动.驱动一般采用两种方式：恒压驱动方式或恒流驱动方式.恒压的驱动方式相对简单，以前LED 光源多采用恒压方式.图1是LED 的电压和电流的关系图，电压和电流近似成指数关系；图2是LED 的电流和它的相
对光通量的关系，电流和光通量近似成正比关系[1]
.
图
1 白L E D 的伏安特性
F i g .1 Forward curren t vs forward volt age for wh ite L E D
可以推出,LE D 的电压和它的相对光通量也近似
成指数关系.如果采用恒压驱动方式，驱动电压轻微的扰动都会造成相对光通量大幅度的改变；而采用恒流方式驱动的LE D 受驱动电流的扰动的影响要小得多.因此，本方案选择恒流的驱动方式.
图2 相对光通量与正向电流的关系(T j =25℃)
F i g .2 Rel a ti ve lu m i n ous flux vs forward
curren t for wh ite
能提供大功率LE D 恒流驱动的芯片很多，台湾MACROBLOCK 公司生产的LE D 驱动芯片MB I 1802
驱动能力强，效率高，并提供过温保护的功能.因此，选择此芯片作为本方案中LED 的驱动芯片，驱动电路原理图如图3所示.
图3 光源的驱动电路原理图
F i g .3 Sche ma ti c d i a gram of dr i ve c i rcu it
of photosources
3 散热设计
LED 发光芯片受温度影响大，图4显示了LE D 发 光芯片的结合点温度和LED 的出光量间的关系，两者
成反比[1]
;LE D 发光产生的热量主要由安装在LE D 上的散热片传导出去,LED 结合点温度和散热片的温度是线性关系.图5显示了LED 点亮后散热片温度和
LED 光衰程度的关系[2]
，可以看出，散热片温度越高,LED 光衰越大.因此，散热设计对LED 光源的性能起
着至关重要的作用，良好的散热设计可以大幅度地延长LED 的使用寿命.
—24—
天 津 工 业 大 学 学 报 第25卷
图4 相对光输出与结合点温度
F i g .4 Rel a ti ve li ght output vs juncti on te m pera ture
for wh ite and am
ber
图5 恒流350mA 、散热片不同温度时L E D
的相对光输出
F i g .5 Rel a ti ve li ght output of a L E D a t 350mA and
var i ous slug te m pera tures
光源采用了16颗1.09W 的LE D ，所以光源总的节流阀体
耗散功率约为17.44W ，这16颗LED 以25mm 的间
距均匀分布在总面积为100c m 2
的金属印刷电路板(MCPCB )上.设计LE D 结合点温度T JH 的上限为80℃，环境最高温度T HJ 设为35℃.结合点温度和环境温度的关系如下:
T JH =T HJ +P G ×R JH -HJ (1)式中,P G 为光源的功率;R JH -HJ 为结合点和环境之间的
电阻. 根据公式(1)，要使LE D 结合点温度小于80℃,R JH -HJ 的最大值为2.58℃/W ，单个LED 光源的结构如图6所示[3]
，所以，从LE D 结合点到环境之间的热阻R JH -HJ 为:
R JH -HJ =R JH -JS +R JS -MCPCB +R MCPCB -HJ
(2)式中,R JH -JS 为结合点与金属片之间的电阻;R JS -MCPCB 为金属片与MCPCB 之间的电阻;R MCPCB -HJ 为MCPCB 与环境之间的电阻.R JH -JS =15℃/W ,N =16个，推出:R JH -JS =R JH -JS /N =0.9375℃/W
LE D 和MCPCB 之间用导热树脂相连，导热树脂
热阻计算公式为
[4]
R JS -MCPCB =L /(k ×A )
(3
)图6 L E D 截面图
非晶型磷酸盐结晶
F i g .6 E m itter cut 2away
式中，树脂厚度L =0.1mm ，树脂导热系数k =0.9
W /m ℃,LE D 和树脂有效接触总面积为A =0.00027m 2
.根据公式(3)推出:R JS -MCPCB =0.41℃/W 根据公式(2),R MCPCB -HJ 环境最大取值是1.23℃/W.
图7显示的是散热片的裸露表面积和其热阻的关
系[2]
，可以推出，散热片的裸露表面积至少要达到1
125c m 2
才可以满足LED 光源的散热要求
.
图7 高密度发光体降温装置总阵列热阻抗与裸露
表面积的关系
F i g .7 H i gh den sity e m itter hea t si n k tot a l array
ther ma l resist ance(board to am b i en t)vs surface area exposed
4 试验结果
依据上述设计方案，笔者制作了一个LED 路灯光
源的模型，加装表面积为1200c m 2
的鳍型散热片，水平放置在环境温度为19.4℃的开放空间中.模型的外观如图8.对于17.5W 的光源测试线果如表3.
图8 L E D 路灯光源的模型
F i g .8 M odel of L E D street l am p photosource
(下转第47页)
—
34—第6期 郭一翔，等:LE D 路灯设计和实现
jecti on rate )和错误接受率F AR (false accep tance rate ).
错误拒绝率是指正确的生物特征拥有者被拒绝；错误接受率是指冒充者识别为真正的生物特征拥有者.实验结果的受试者工作特征曲线(receiver operating char 2acteristic,ROC )如图8所示，其中随着阈值增加而下降的曲线为F AR，而随着阈值增加而上升的曲线为
FRR.
F i g .8 R OC 曲线F i g .8 R OC curve
由图8可以看到，当阈值取为66时,F AR 和FRR
的取值相等(2.50/0).实验结果表明，本文提出的掌纹算法识别率为97.50/
0参考文献:
[1] P ANK ANTI S,BOLLE R M ,JA I N A K .B i ometrics:the fu 2
ture of indentificati on [J ].I EEE Computer,2000,33(2):
46-49.
[2] ZHANG D.Aut omated B i ometrics -Technol ogies and Sys 2
te m s[M ].US A:Klu wer Acade m ic Publishers,2000:102.[3] Edit orial Board of Pattern Recogniti on .T wo novel character 2
istics in pal m p rint veri pcati on:datu m point invariance and line feature matching[J ].Pattern Recogniti on,1999,32:691-702.
[4] WU Xianqian,Z HANG David,WANG Kuanquan,et al .
Pal m p rint classificati on using p rinci pal lines [J ].Pattern
Recogniti on,2004,37:1987-1998.
[5] 沈庭芳，方子文.数字图像处理与模式识别[M ].北京：北
京理工大学出版社,1998:100.
[6] Y OU Jane,L IW enxin,ZHANG David .H ierarchical pal m 2
p rint identificati on via multi p le feature extracti on[J ].Pattern Recogniti on,2003,35:847-859.
(上接第43页)
表3 测试结果
F i g .3 Results of test
测试项目测试数据
测试设备光通量/l m 460.4远方P MS 250系统
散热片温度/℃42.6温度计显指数84远方P MS 250系统温/K
3545
远方P MS 250系统
根据表3的数据可以看出,LE D 路灯光源模型的
光通量、显指数、温等各项性能指标完全达到或超过了设计方案的要求，说明本设计方案是成功的.
5 结束语
LED 作为新型的固态光源，发展的潜力还十分巨
大.随着其性能的不断提高，在不远的将来，应用领域
会逐步拓展到公共照明、室内照明等整个照明领域，替
代荧光灯、钠灯等传统的光源.它将带来一个节能、环
保的新的照明时代.参考文献:
[1] Phili p s Lu m ileds L ighting Company .高功率光源Luxeon E 2
m itter [E B /OL ].(2005203231)[2006203214],htt p://www .luxeon /pdfs/DS25.pdf .
[2] Phili p s Lu m ileds L ighting Company .Luxeon 的可靠性[E B /
OL ].(2004203201)[200623214].htt p://www .luxeon /pdfs/AB25_T C .pdf .
水田打浆机[3] Phili p s Lu m ileds L ighting Company .利用Luxeon 高功率光
源的热设计[E B /OL ].(2005209202)[200623214].htt p://
www .luxeon /pdfs/AB25_TC .pdf .
[4] BAH MAN Tavass oli . 用簡單精確的分析工具估 散
器的 性能參 [J /OL ].电子工程专辑,2005,htt p://
www .eettai w an /ART _8800364904_644847_622964_no .HT M.
—
74—第6期 裘旭光，等：基于线性细节特征的掌纹信息表达与识别
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议