论文部分内容阅读
摘要：近年来，我国的路灯建设取得了飞速的发展，道路照明质量不断提高，高强度气体放电灯被广泛使用，对现代化城市的建设起了很大作用，但是随之而来的是能耗的大幅度提高，特别是近年来能源价格大幅度提升，使电力耗费成为负担。在全球都在提倡绿色照明的时代，路灯的节能必然成为一种趋势。
关键词：LED路灯 照明 节能设计
1 LED 技术概述
LED( Light Emitting Diode, 发光二极管) 是一种固态的半导体器件, 它可以直接把电转化为光。LED光源具有高节能、利环保、寿命长、体积小、多变幻适用性强、稳定性高、响应时间短等特点, 可以广泛应用于各种指示、显示、装饰、背光源、普通照明和城市夜景等领域。虽然价格较现有照明器材昂贵, 仍被认为它是其理想的替代品。
在节能方面, LED 具有直流驱动, 超低功耗( 单管< 0. 1 W) 等特点, 相比传统光源, LED 光源接近点光源, 单相发光, 好配光, 光效利用率高。就平均照度来讲, 一盏50 W的LED 灯亮度可与100 W 的高压钠灯相当, 如果就点照度来讲, 那要更高。相同照明效果比传统光源节能50% 以上( 以实际应用产品为例) 。
LED 光源为固体冷光源, 环氧树脂封装, 灯体内也没有松动的部分, 不存在灯丝发光易烧、热沉积等缺点。当光通量衰减到70%时, 其寿命达到了50 000 h, 高压钠灯的寿命是10 000~ 20 000 h。而它的环保效益更佳,发光颜色纯正, 不含有紫外和红外的辐射, 而且不含汞元素, 没有污染, 废弃物可方便回收。冷光源, 可以安全触摸, 属于典型的绿色照明光源。
2 路灯节能控制系统总体结构
考虑到造价、监测范围、控制点设置、扩容方便等要求，具体的方案如下: 整个监控系统由监控终端、集中控制器、路灯控制器和路灯组成。本系统的上位机即监控终端放在城市路灯管理部门, 以单个配电变压器为范围安装集中控制器, 在每盏路灯上安装路灯控制器方便实现单灯控制。在主控制室与集中控制器之间采用GPRS 通信, GPRS 通信方式容易实现高速数据传输、长时间在线, 并且可获得按流量收费的低资费方式, 硬件投资少, 对地域要求相对也较低。在集中控制器与路灯控制器之间则采用电力线载波通信技术, 采用电力载波技术的最大的好处就是不需要再铺设通信电缆就可容易地实现对每盏灯的检测, 减少了通道建设的费用。整个系统的结构图如图1 所示。
3 下面讨论设计LED路灯的主要问题：
3.1光学设计
LED的光学元件设计对LED路灯的配光及光学输出效率至关重要。良好的道路照明要求LED路灯的配光为长方形的光型，路灯发出的所有光刚刚可以覆盖住马路，而马路之外的光污染几乎为零。非对称自由曲面二次光学元件的采用可以使LED路灯的长方形配光直接在单个LED模组上实现。整体路灯只需要将这些LED模组阵列按照相同方向排列即可，从而可以简化路灯机构、散热及控制电源的设计。如果灯具的配光系统设计不合理，照明效果就不理想。测试中“灯下亮”、“灯下黑”、“斑马线”、“照度不均匀”等问题的出现均应考虑配光设计的合理性。LED的光学设计决定了LED路灯的配光及光输出效率，也是评判LED路灯整灯质量最重要的组成部分之一。
在二次光学设计方面，LED的辐射形式有朗伯型、蝙蝠翼型、侧射型和聚光型几种。在道路照明领域，根据设计经验朗伯型和蝙蝠翼型比较适用，通过二次光学设计，使得LED的光照范围、光度曲线符合道路照明的需求。LED在道路灯具中使用的最普遍形式主要是在灯具内的一个几乎是平板的反光面上，装上了矩阵式的LED，这种设计方式可能得不到良好的灯具配光。目前，大功率LED的发光效率已经达到90lm/w，但是单颗LED不能满足道路照明的需求，因此需要多颗LED拼装成一盏实用的路灯。如果每一个LED都可以在整个矩形照明区域内形成均匀的照度分布，那就可以根据实际路面的照明要求及灯杆的高度，简单地改变LED的数量，而不用改动光学系统，就会具有使用灵活性。弧形立体结构的灯具，照度均匀度明显高于纯平板式的均匀度;具备透镜的二次光学设计，均匀度一般明显优于无透镜的灯具。
总之，LED路灯的光学设计应突破传统路灯的设计思路限制与模式，应充分发挥LED自身的光学特性，符合道路照明环境的需求和条件，光学设计是否合理，要看其在使用的特定环境中是否适用，更应满足道路照明有关规范要求。
3.2驱动电源的选用
我们选用的AP一28320发光二极管驱动器是制作一体化半导体灯的专用电源变换器，用于安装在半导体灯内部，串联驱动1串10～40支1瓦大功率发光二极管工作，220V交流市电供电，输出320rrLA稳定的单向脉动恒定电流。驱动器使用高频脉宽调制开关变换电路实现恒流控制，变换效率高，可达85%以上，工作稳定。驱动器为全密闭模块封装结構，适合在高湿度，高粉尘，强震动，对防爆有一定要求等环境下使用，非常适合室内使用，经过软件升级也可用于建筑物公共区间照明使用。
3.3LED灯的连接方式
目前成熟应用的都是单粒1W的LED，很显然，做这样一个半导体灯要用50只发光管。50只LED全部串联，或者并联都存在一些问题。
如果全部串联连接，如果有一粒LED开路损坏，则整灯不亮，而且50支LED全部串联，其驱动电压至少要150V，安全性减低。如果全部并联连接，有一路开或短路，则1电流不均衡，影响灯具使用寿命。
从驱动技术和发光管的特性来看，多只发光管组应该优先使用串联方案。这样，只要驱动器给的电流合适，所有发光管的电流都是一样的。发光管串联使用大家常常担心一个问题，就是一个发光管开路整串都不亮了。我们对样灯打过高压，也作了突波实验。从应用实践上看，只要驱动不失控，给发光管的电流合适，发光管很少见到开路的情况，即使发光管本身质量不好出故障，一般就是自己不亮，但还是保持通路，其他管照样亮。而且发光管都有很强的过电流的能力，比如300mA的1瓦发光管短时间加600n1A的电流也不会坏。所以，使用发光管时应以串联为主，这样发光管才有稳定、一致的电流，对提高灯的寿命有利。 由于管数太多，全部串联其驱动电压太高，不得不连串带并，所以混联。专用的LED驱动器一般是电流源，既然LED驱动器提供的是一个恒定的电流，多串并联时就必须辅以外部均流措施，均衡地把驱动器提供的总电流分配给每一串，最简单的办法就是每一串里串一个电阻均流。多串并联时首先是要使各串发光管的总管压降尽可能地保持一致，然后再串入电阻牵制电流的偏移。电组上的压降太大功耗增加，压降太小均流效果不好，一般可以取串连管总管压降的5%左右。
3.4散热方式
解决散热问题主要靠合理的灯体结构设计。解决方案是使用薄金属板做基板，LED可以按照使用的发光管的数目在铝板上打好孔径和发光管外径相同的孔，两个孔间距离为0.7mm，再将发光管紧配合镶嵌到金属扳上，发光管引脚在金属板后面相连。灯的外壳也用金属材料制作，装好发光管的金属板和金属外壳紧密装配，这样，灯具工作时产生的热量可以通过金属板传导到金属外壳上，金属外壳暴露在空气中，热量可以通过辐射和对流散去。为了既减小灯的体积又保证较大散热面积，灯体外壳可以采用带肋条的散热片结构。
4 结语
LED 作为一种节能环保的绿色照明光源, 将会在今后的道路照明发展中起着越来越重要的作用, 本文结合LED自身特性, 设计的智能路灯节能控制系统,节能、高效、人性化。
参考文献
【1】 陈元灯. LED 制造技术与应用[ M] . 北京: 电子工业出版社, 2007
【2】 陈哲艮. 关于发光二极管和半导体照明的探讨[ J] . 能源工程, 2002( 2) : 122
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：LED路灯 照明 节能设计
1 LED 技术概述
LED( Light Emitting Diode, 发光二极管) 是一种固态的半导体器件, 它可以直接把电转化为光。LED光源具有高节能、利环保、寿命长、体积小、多变幻适用性强、稳定性高、响应时间短等特点, 可以广泛应用于各种指示、显示、装饰、背光源、普通照明和城市夜景等领域。虽然价格较现有照明器材昂贵, 仍被认为它是其理想的替代品。
在节能方面, LED 具有直流驱动, 超低功耗( 单管< 0. 1 W) 等特点, 相比传统光源, LED 光源接近点光源, 单相发光, 好配光, 光效利用率高。就平均照度来讲, 一盏50 W的LED 灯亮度可与100 W 的高压钠灯相当, 如果就点照度来讲, 那要更高。相同照明效果比传统光源节能50% 以上( 以实际应用产品为例) 。
LED 光源为固体冷光源, 环氧树脂封装, 灯体内也没有松动的部分, 不存在灯丝发光易烧、热沉积等缺点。当光通量衰减到70%时, 其寿命达到了50 000 h, 高压钠灯的寿命是10 000~ 20 000 h。而它的环保效益更佳,发光颜色纯正, 不含有紫外和红外的辐射, 而且不含汞元素, 没有污染, 废弃物可方便回收。冷光源, 可以安全触摸, 属于典型的绿色照明光源。
2 路灯节能控制系统总体结构
考虑到造价、监测范围、控制点设置、扩容方便等要求，具体的方案如下: 整个监控系统由监控终端、集中控制器、路灯控制器和路灯组成。本系统的上位机即监控终端放在城市路灯管理部门, 以单个配电变压器为范围安装集中控制器, 在每盏路灯上安装路灯控制器方便实现单灯控制。在主控制室与集中控制器之间采用GPRS 通信, GPRS 通信方式容易实现高速数据传输、长时间在线, 并且可获得按流量收费的低资费方式, 硬件投资少, 对地域要求相对也较低。在集中控制器与路灯控制器之间则采用电力线载波通信技术, 采用电力载波技术的最大的好处就是不需要再铺设通信电缆就可容易地实现对每盏灯的检测, 减少了通道建设的费用。整个系统的结构图如图1 所示。
3 下面讨论设计LED路灯的主要问题：
3.1光学设计
LED的光学元件设计对LED路灯的配光及光学输出效率至关重要。良好的道路照明要求LED路灯的配光为长方形的光型，路灯发出的所有光刚刚可以覆盖住马路，而马路之外的光污染几乎为零。非对称自由曲面二次光学元件的采用可以使LED路灯的长方形配光直接在单个LED模组上实现。整体路灯只需要将这些LED模组阵列按照相同方向排列即可，从而可以简化路灯机构、散热及控制电源的设计。如果灯具的配光系统设计不合理，照明效果就不理想。测试中“灯下亮”、“灯下黑”、“斑马线”、“照度不均匀”等问题的出现均应考虑配光设计的合理性。LED的光学设计决定了LED路灯的配光及光输出效率，也是评判LED路灯整灯质量最重要的组成部分之一。
在二次光学设计方面，LED的辐射形式有朗伯型、蝙蝠翼型、侧射型和聚光型几种。在道路照明领域，根据设计经验朗伯型和蝙蝠翼型比较适用，通过二次光学设计，使得LED的光照范围、光度曲线符合道路照明的需求。LED在道路灯具中使用的最普遍形式主要是在灯具内的一个几乎是平板的反光面上，装上了矩阵式的LED，这种设计方式可能得不到良好的灯具配光。目前，大功率LED的发光效率已经达到90lm/w，但是单颗LED不能满足道路照明的需求，因此需要多颗LED拼装成一盏实用的路灯。如果每一个LED都可以在整个矩形照明区域内形成均匀的照度分布，那就可以根据实际路面的照明要求及灯杆的高度，简单地改变LED的数量，而不用改动光学系统，就会具有使用灵活性。弧形立体结构的灯具，照度均匀度明显高于纯平板式的均匀度;具备透镜的二次光学设计，均匀度一般明显优于无透镜的灯具。
总之，LED路灯的光学设计应突破传统路灯的设计思路限制与模式，应充分发挥LED自身的光学特性，符合道路照明环境的需求和条件，光学设计是否合理，要看其在使用的特定环境中是否适用，更应满足道路照明有关规范要求。
3.2驱动电源的选用
我们选用的AP一28320发光二极管驱动器是制作一体化半导体灯的专用电源变换器，用于安装在半导体灯内部，串联驱动1串10～40支1瓦大功率发光二极管工作，220V交流市电供电，输出320rrLA稳定的单向脉动恒定电流。驱动器使用高频脉宽调制开关变换电路实现恒流控制，变换效率高，可达85%以上，工作稳定。驱动器为全密闭模块封装结構，适合在高湿度，高粉尘，强震动，对防爆有一定要求等环境下使用，非常适合室内使用，经过软件升级也可用于建筑物公共区间照明使用。
3.3LED灯的连接方式
目前成熟应用的都是单粒1W的LED，很显然，做这样一个半导体灯要用50只发光管。50只LED全部串联，或者并联都存在一些问题。
如果全部串联连接，如果有一粒LED开路损坏，则整灯不亮，而且50支LED全部串联，其驱动电压至少要150V，安全性减低。如果全部并联连接，有一路开或短路，则1电流不均衡，影响灯具使用寿命。
从驱动技术和发光管的特性来看，多只发光管组应该优先使用串联方案。这样，只要驱动器给的电流合适，所有发光管的电流都是一样的。发光管串联使用大家常常担心一个问题，就是一个发光管开路整串都不亮了。我们对样灯打过高压，也作了突波实验。从应用实践上看，只要驱动不失控，给发光管的电流合适，发光管很少见到开路的情况，即使发光管本身质量不好出故障，一般就是自己不亮，但还是保持通路，其他管照样亮。而且发光管都有很强的过电流的能力，比如300mA的1瓦发光管短时间加600n1A的电流也不会坏。所以，使用发光管时应以串联为主，这样发光管才有稳定、一致的电流，对提高灯的寿命有利。 由于管数太多，全部串联其驱动电压太高，不得不连串带并，所以混联。专用的LED驱动器一般是电流源，既然LED驱动器提供的是一个恒定的电流，多串并联时就必须辅以外部均流措施，均衡地把驱动器提供的总电流分配给每一串，最简单的办法就是每一串里串一个电阻均流。多串并联时首先是要使各串发光管的总管压降尽可能地保持一致，然后再串入电阻牵制电流的偏移。电组上的压降太大功耗增加，压降太小均流效果不好，一般可以取串连管总管压降的5%左右。
3.4散热方式
解决散热问题主要靠合理的灯体结构设计。解决方案是使用薄金属板做基板，LED可以按照使用的发光管的数目在铝板上打好孔径和发光管外径相同的孔，两个孔间距离为0.7mm，再将发光管紧配合镶嵌到金属扳上，发光管引脚在金属板后面相连。灯的外壳也用金属材料制作，装好发光管的金属板和金属外壳紧密装配，这样，灯具工作时产生的热量可以通过金属板传导到金属外壳上，金属外壳暴露在空气中，热量可以通过辐射和对流散去。为了既减小灯的体积又保证较大散热面积，灯体外壳可以采用带肋条的散热片结构。
4 结语
LED 作为一种节能环保的绿色照明光源, 将会在今后的道路照明发展中起着越来越重要的作用, 本文结合LED自身特性, 设计的智能路灯节能控制系统,节能、高效、人性化。
参考文献
【1】 陈元灯. LED 制造技术与应用[ M] . 北京: 电子工业出版社, 2007
【2】 陈哲艮. 关于发光二极管和半导体照明的探讨[ J] . 能源工程, 2002( 2) : 122
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。