標(biāo)簽：LED  照明  光源

本文將介紹在街道照明應(yīng)用中使用中性白光LED取代冷白光LED的好處，包括街道上液體的能見(jiàn)度、皮膚和花朵的色調(diào)表現(xiàn)等。另外，本文也將探討溫度和光學(xué)設(shè)計(jì)的解決方法，例如強(qiáng)迫通風(fēng)方法、炫光和亮度大小等。由于LED技術(shù)具有體積小和多樣化等優(yōu)勢(shì)，因此可以輕松地實(shí)現(xiàn)嶄新的路燈設(shè)計(jì)。

基于預(yù)算緊張的考量，采用LED的照明可以通過(guò)更少的維護(hù)周期和省電的創(chuàng)新調(diào)光技術(shù)節(jié)省電費(fèi)。

近幾年來(lái)經(jīng)過(guò)技術(shù)的演進(jìn)，LED在光度輸出、發(fā)光效率和使用壽命上已經(jīng)有了明顯的改善，因此對(duì)于各種過(guò)去使用其他光源的廣大應(yīng)用越來(lái)越具吸引力，特別是路燈就是目前可以使用LED技術(shù)加以解決的應(yīng)用。

基于LED的路燈首先于幾年前在街道上出現(xiàn)，盡管它們主要被用于展示設(shè)計(jì)概念或是校園測(cè)試燈。黃色熒光粉在當(dāng)時(shí)是唯一可用且穩(wěn)定的、用以搭配藍(lán)光芯片產(chǎn)生白光輸出的熒光粉之一。大部分這些路燈都采用冷白光LED設(shè)計(jì)，色溫約在6000K甚至更高。不幸的是，大部分人并不喜歡這些路燈發(fā)出的冷白光線，部分甚至抱怨冷白光會(huì)帶來(lái)寒冷的感覺(jué)。另外，還有人覺(jué)得色彩在冷白光源的照射下顯得蒼白。

LED和熒光粉制造商聽(tīng)到了對(duì)于第一代原型設(shè)置的反饋，并且開(kāi)始面向街道照明應(yīng)用開(kāi)發(fā)出使用較為自然、4000K色溫的新型中性白光高亮度輸出LED。舉例來(lái)說(shuō)，安華高科技(Avago)的ASMT-JN32-NVV01就能以350mA電流提供100lm或700mA電流提供160lm的最低典型4000K相關(guān)色溫(CCT)光度輸出。

LM-80 LED壽命測(cè)試建議標(biāo)準(zhǔn)要求LED光源必須要有最少35,000小時(shí)的壽命，較新的大功率LED在高結(jié)溫下最少可以達(dá)到60,000小時(shí)(L70, B10)。以每天平均12個(gè)小時(shí)(一年大約4400小時(shí))的使用時(shí)間來(lái)看，使用最新LED技術(shù)的路燈可以輕易達(dá)到10年壽命而不需要更換光源。

由產(chǎn)品封裝的角度來(lái)看，現(xiàn)代LED封裝擁有6~9℃/W(K/W)的低熱阻。這有助于盡可能把熱量從結(jié)點(diǎn)傳遞到散熱片。另外，不同結(jié)溫下的光度輸出也非常穩(wěn)定，25oC到110oC結(jié)溫范圍內(nèi)的變化不到20%(見(jiàn)圖1)。

圖1：中性白光LED光度輸出和結(jié)溫的關(guān)系圖

另一個(gè)采用中性白光大功率LED的好處是它使用了先進(jìn)的熒光粉技術(shù)，可以帶來(lái)較好的光譜分布。與冷白光LED比較，中性白光LED發(fā)出的光線具有較多的黃色與紅色波長(zhǎng)(見(jiàn)圖2)。這樣的光譜分布有助于分辨柏油路表面不同的液體。冷白光LED基本上會(huì)使街道上的油、水或櫻桃汁非常難以分辨——如果您在開(kāi)車，可以辨別地面上的油漬會(huì)很有幫助!另一方面，中性白光源可以使棕色的油漬或紅色的櫻桃汁非常容易分辨。

圖2：中性白光和冷白光的光譜分布比較

另外，在中性白光LED光源下的皮膚色調(diào)比較自然。街道旁住家的彩色花圃和綠色草皮看起來(lái)也會(huì)更加討人喜歡和覺(jué)得溫暖。社區(qū)保安和個(gè)人安全也會(huì)因?yàn)楦髁恋穆窡舳靡蕴岣?。全球統(tǒng)計(jì)數(shù)字指出，在較好的街道照明下，竊盜和汽車偷竊案件會(huì)大幅度減少。

LED的使用非常簡(jiǎn)單并且應(yīng)用廣泛，可以帶來(lái)許多嶄新和迷人的路燈設(shè)計(jì)，例如超薄設(shè)計(jì)和長(zhǎng)條形或方形燈殼等。設(shè)計(jì)人員和工程師必須考慮所有設(shè)計(jì)面向(包括溫度、光學(xué)和電氣等)，以完成成功的商業(yè)路燈項(xiàng)目工程。

溫度設(shè)計(jì)

LED的光度輸出不管是在工作20分鐘或者5年后，都主要由照明模塊的溫度特性支配。一個(gè)經(jīng)驗(yàn)法則是，LED耗散掉1W的熱量大約需要1in2的金屬芯印刷電路板。因此，3W的光源就需要大約3in2或1935mm2的MC-PCB，以承受高達(dá)85oC的環(huán)境工作溫度。

如果在設(shè)計(jì)上無(wú)法為每個(gè)LED提供大面積的MC-PCB，那么也可以使用額外的散熱片來(lái)幫助散熱?；旧现饕袃煞N類型的被動(dòng)式散熱片：一種是使用如鋁這類的擠壓成型金屬，另一種則是使用優(yōu)質(zhì)的金屬鰭片。通常使用金屬鰭片的散熱片熱阻最低但價(jià)格最高。如果設(shè)計(jì)對(duì)于成本較為敏感，并且空間比較不受限制，擠壓成型金屬散熱片是一個(gè)合適的選擇。

另一個(gè)LED散熱的方法是采用主動(dòng)式的冷卻系統(tǒng)。傳統(tǒng)的主動(dòng)式冷卻系統(tǒng)使用水或油等液體或采用強(qiáng)迫通風(fēng)的方法來(lái)散熱。強(qiáng)制風(fēng)冷通常采用風(fēng)扇，它可能是最適合LED冷卻的解決方案。

新的做法包括使用薄膜式冷卻器，據(jù)稱它可以達(dá)到與LED相近的使用壽命(達(dá)60,000小時(shí)以上)。

不論是采用主動(dòng)式或被動(dòng)式冷卻方式，都必須使用導(dǎo)熱界面材料(TIM)將電路板連接到散熱片上，甚至如MC-PCB或多層FR-4 PCB看起來(lái)貌似是直接貼在散熱片上。然而，表面極微小的不平整都將產(chǎn)生微小的氣隙，而使熱阻增加。因此必須使用散熱膠、油脂或?qū)崮z帶來(lái)支持散熱。

光學(xué)設(shè)計(jì)

歐洲的EN 13201標(biāo)準(zhǔn)為不同區(qū)域的街道照明定義了規(guī)范，包括公路、市區(qū)道路、交叉路口和人行道等。可接受的亮度和均勻度取決于LED的使用情況。對(duì)于交通流量較大的街道和交叉路口，必須要有足夠的亮度和均勻度。就安全性而言，也必須避免對(duì)駕駛?cè)藛T產(chǎn)生炫光。

所有這些因素都可以簡(jiǎn)單地通過(guò)第二級(jí)光學(xué)產(chǎn)品來(lái)進(jìn)行調(diào)整。第二級(jí)光學(xué)產(chǎn)品的制造商對(duì)于絕大部分常用的LED封裝都提供有現(xiàn)成的解決方案或具有定制能力。

某些街道區(qū)域(例如，人行橫道、環(huán)形交叉路口或危險(xiǎn)的交叉路口)在法律上都有特別的照明要求。過(guò)去，這些通常使用黃色的高壓鈉燈來(lái)提供;目前，這些燈具也可以使用單色黃光LED或是暖白光和黃光大功率LED的組合(例如安華高科技的ASMT-JA30-ARS01或ASMT-JY32-NTV01)來(lái)取代。

電氣設(shè)計(jì)

LED為使用電流操作的器件，驅(qū)動(dòng)電路必須能夠以固定輸出電流來(lái)調(diào)整輸出電壓。例如，加到Avago ASMT-JN32-NVV01上的電流可以是300mA或700mA的直流電流或高達(dá)2400mA的脈沖電流，主要依使用的頻率和占空比決定(圖3)。

圖3：環(huán)境溫度下的最大脈沖電流。(a)：環(huán)境溫度為25oC時(shí)的最大脈沖電流。(b)：環(huán)境溫度為85oC時(shí)的最大脈沖電流

為了可以隨時(shí)間調(diào)整LED的亮度輸出或帶來(lái)智能街道照明功能，LED驅(qū)動(dòng)電路必須能夠依輸入信號(hào)來(lái)調(diào)整電流。智能街道照明可以進(jìn)一步地節(jié)省電費(fèi)。例如，街道或人行道只在有人使用時(shí)才提供法律要求的照明量，其他時(shí)間則可以調(diào)暗。這樣做還可以降低夜晚的光害并帶給居民可以觀賞星空的更大空間。

雖然LED路燈的安裝成本目前還高于傳統(tǒng)路燈，但從另一個(gè)角度來(lái)看，節(jié)省電力成本是一個(gè)必須被計(jì)入的重要因素。發(fā)光品質(zhì)也是考慮的因素之一。雖然熒光燈或高強(qiáng)度放電(HID)燈具有良好的發(fā)光效率，但是發(fā)光品質(zhì)和中性白光LED相比還是有極大的差異。

相較于傳統(tǒng)街道照明，采用LED的街道照明可以節(jié)省的能源大約在每年25%到50%(依采用的技術(shù)和原先安裝的年限而定)。如果以每年節(jié)省15%能源的最壞情況來(lái)看，LED路燈的安裝費(fèi)用可以在7年內(nèi)攤銷。如果社區(qū)采用了能夠依據(jù)實(shí)際使用狀況自動(dòng)調(diào)整的智能街道照明，則還可進(jìn)一步節(jié)省電費(fèi)，將電力消耗控制在最低。相較于熒光燈或HID燈，LED不需要任何預(yù)熱時(shí)間，因此可以立即提供全亮度照明輸出。

另外，由于LED的老化速度非常緩慢，并且可以很容易達(dá)到60,000小時(shí)工作壽命而又維持平均高于原始光度70%的輸出，因此可以把LED路燈視為無(wú)需花費(fèi)維護(hù)費(fèi)用。這將有助于降低社區(qū)的維護(hù)預(yù)算。

還有一點(diǎn)非常重要：歐盟已經(jīng)啟動(dòng)了新的能源浪費(fèi)或有害燈管的逐步淘汰計(jì)劃。這也將影響到水銀蒸氣燈，雖然這類燈管由于可以產(chǎn)生如白晝般的光輸出，而自推出以來(lái)就普遍流行于住宅區(qū)的道路照明上。水銀燈計(jì)劃將在2015年完成淘汰。

本文小結(jié)

更換新型高能效光源將很快在歐洲和其他地區(qū)成為許多社區(qū)和當(dāng)局的熱門話題。目前，中性白光大功率LED已經(jīng)準(zhǔn)備就緒，可以很容易地應(yīng)用到住宅區(qū)街道照明當(dāng)中。