摘要：國(guó)家科技部正在進(jìn)行“十城萬(wàn)盞”的試點(diǎn)，可見國(guó)家對(duì)于LED路燈的重視。本文從幾個(gè)方面，對(duì)當(dāng)今的LED路燈進(jìn)行剖析，并提出了發(fā)展之見解。 關(guān)鍵詞：LED路燈 散熱 光效 發(fā)展 模塊 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 各國(guó)積極推動(dòng)落實(shí)節(jié)能減排項(xiàng)目，尤其中國(guó)的LED路燈因商機(jī)龐大而被受LED路燈廠家重視。路燈是城市照明的重要組成部分，傳統(tǒng)的路燈常采用高壓鈉燈，高壓鈉燈整體上光效低的缺點(diǎn)造成了能源的巨大浪費(fèi)，因此，開發(fā)新型高效、節(jié)能、壽命長(zhǎng)、顯色指數(shù)高、環(huán)保的路燈對(duì)城市照明節(jié)能具有十分重要的意義。 2.當(dāng)今LED路燈特點(diǎn) 大功率LED路燈與常規(guī)高壓鈉燈路燈不同的是，大功率LED路燈的光源采用低壓直流供電、由GaN基功率型藍(lán)光LED與黃色熒光粉合成的高效白光二極管，發(fā)光二極管(LightEmittingDiode,簡(jiǎn)寫為L(zhǎng)ED)是基于半導(dǎo)體PN結(jié)形成的用微弱的電能就能發(fā)光的高效固態(tài)光源，在一定的正向偏置電壓和注入電流下，注入P區(qū)的空穴和注入N區(qū)的電子在擴(kuò)散至有源區(qū)后經(jīng)輻射復(fù)合而發(fā)出光子，將電能直接轉(zhuǎn)化為光能。 LED單顆芯片 LED多顆芯片 LED 作為路燈的光源，它和傳統(tǒng)路燈光源比較有許多優(yōu)點(diǎn)。 1、LED路燈本身具有光的指向性，沒(méi)有光的漫射，保證光效； 2、LED路燈有獨(dú)特的二次光學(xué)設(shè)計(jì)，將LED路燈的光照射到所需照明的區(qū)域，即路面，進(jìn)一步提高了光照效率，達(dá)到節(jié)能目的； 3、LED的光源效率目前已達(dá)100 lm/W，而且還有很大的發(fā)展空間，理論值能達(dá)到250 lm/W。而高壓鈉燈的發(fā)光效率是隨功率增加才有所增加，因此，總體光效LED路燈比高壓鈉燈強(qiáng)； 4、LED路燈的光顯色性比高壓鈉燈高，高壓鈉燈顯色指數(shù)只有23左右，而LED路燈顯色指數(shù)可達(dá)到75以上，從視覺心理角度考慮，達(dá)到同等亮度，LED路燈的光照度平均可以比高壓鈉燈降低20%以上（參照英國(guó)道路照明標(biāo)準(zhǔn)）；而且，在中間視覺水平下，人眼在高色溫環(huán)境里比低色溫環(huán)境更容易辨別事物，避免了某些危險(xiǎn)狀態(tài)的發(fā)生； 5、LED路燈的光衰小，一年的光衰不到3%，使用10年仍達(dá)到道路使用照度要求，因此，LED路燈在使用功率的設(shè)計(jì)上可以比高壓鈉燈低； 6、LED路燈可以自動(dòng)調(diào)光,能實(shí)現(xiàn)在滿足不同時(shí)段照明要求，最大可能的降低功率，節(jié)省電能； 7、LED是低壓直流器件，驅(qū)動(dòng)單顆LED的電壓為安全電壓，所以它是一個(gè)比使用高壓電源更安全的電源，特別適用于公共場(chǎng)所。直流的特點(diǎn)使LED特別適合與太陽(yáng)能、風(fēng)電進(jìn)行結(jié)合； 8、每個(gè)單元LED晶粒只有很小體積，所以可以制備成各種形狀的器件，并且適合于易變、易震的環(huán)境； 9、壽命長(zhǎng)：理論壽命能使用5萬(wàn)小時(shí)以上； 10、LED可以進(jìn)行頻繁的開關(guān)而不用擔(dān)心其損壞； 11、安裝簡(jiǎn)便：直接將LED路燈燈頭安裝于燈桿替換原有的鈉燈燈頭； 12、散熱控制出色：能將LED結(jié)點(diǎn)溫度降到70°C以下，隨著技術(shù)的發(fā)展，結(jié)點(diǎn)溫度還在進(jìn)一步下降，結(jié)點(diǎn)溫度越低，理論上LED芯片壽命就越長(zhǎng)； 13、質(zhì)量可靠：電路電源全部采用高質(zhì)量元器件，每顆LED都有單獨(dú)過(guò)流保護(hù)及串并聯(lián)保護(hù)，就算一顆損壞，也不會(huì)導(dǎo)致其他LED芯片失效； 14、LED 光源不含有害金屬汞，不像高壓鈉燈或金屬鹵化物燈在報(bào)廢時(shí)對(duì)環(huán)境造成危害； 但是，最近聽到不少專家學(xué)者的意見，認(rèn)為LED作為路燈來(lái)取代高壓鈉燈在技術(shù)上還不成熟。主要的理由有以下幾點(diǎn)： 1． LED的發(fā)光效率無(wú)法和高壓鈉燈相比 2． LED的照射過(guò)于集中，其照射的均勻度差 3． LED路燈的光衰嚴(yán)重，壽命不長(zhǎng) 4． LED路燈本身自重過(guò)重，不利于安裝，防風(fēng) 5． LED路燈造價(jià)過(guò)高，無(wú)法普及 我們根據(jù)以上的觀點(diǎn)逐一進(jìn)行分析： 1． 發(fā)光效率問(wèn)題 目前來(lái)說(shuō)，LED的發(fā)光效率從數(shù)字上來(lái)看的確不如高壓鈉燈。LED現(xiàn)在的光效一般在65~75 lm/w，而且隨著技術(shù)的發(fā)展，LED的光效每年都在提高，而高壓鈉燈可以達(dá)到125 lm/w。但是，高壓鈉燈的光譜比較集中于黃色，它的色溫比較低，只有2000~2500K，而LED的色溫較高，可以達(dá)到3500~4500 K以上。另外高壓鈉燈的光線是向四處發(fā)射的，有很大一部分光無(wú)法到達(dá)路面。還有，高壓鈉燈的顯色指數(shù)差，只有23左右，感覺昏暗；而LED的顯色指數(shù)高，可以達(dá)到75~80。路面明亮，感覺舒適。所以從實(shí)際的發(fā)光效果來(lái)看，LED反而可以比高壓鈉燈高出很多。135W的LED可以取代250W的高壓鈉燈，或300W的水銀燈。135W的LED，其輸出光通量大約只有7020流明（經(jīng)過(guò)二次光學(xué)設(shè)計(jì)，會(huì)有所損失），到達(dá)路面時(shí)的流明數(shù)仍為6500流明，而路面的平均照度可以達(dá)到16 Lux（12m高桿）。250W高壓鈉燈的輸出光通量為20,000流明。但到達(dá)路面的流明數(shù)就只有7000流明。路面的照度大約為30~40 Lux，由于顯色系數(shù)的差別，LED的照度修正系數(shù)為2.35倍，高壓鈉燈的修正系數(shù)為0.94倍。所以135W的LED經(jīng)過(guò)修正以后地面的照度為37.6Lux，而高壓鈉燈的修正后的照度為28.2~37.6。二者相當(dāng)。所以，135W的LED可以取代250W的高壓鈉燈，LED可以節(jié)能1.85倍，節(jié)能效率約為50%。 2． 照射均勻度問(wèn)題 的確，如果不進(jìn)行二次光學(xué)設(shè)計(jì)，LED的照射是比較集中，所以一定要進(jìn)行二次光學(xué)設(shè)計(jì)，使其光強(qiáng)分布圖呈蝙蝠形。

LED路燈配光效果（蝙蝠翼）3． LED的光衰問(wèn)題 現(xiàn)在有的商家，為了降低成本，就采用幾百只φ5的小功率LED。然而這種小功率的LED的光衰是非常嚴(yán)重的，其光衰至80％的壽命只有1000小時(shí)。所以，作為需要長(zhǎng)期使用的路燈是絕對(duì)不能允許采用這種小功率LED的。作為大功率LED，其光衰就要好很多。 4． LED路燈的自重問(wèn)題 LED路燈，在和高壓鈉燈的替換過(guò)程中，為了防止LED路燈燈頭過(guò)重，一些LED路燈廠家盡可能的在減少LED燈頭的自重。從原來(lái)的單個(gè)燈頭約30公斤左右，降到了現(xiàn)在的10多公斤。重量的減輕還有進(jìn)一步下降的趨勢(shì)。 5． LED路燈造價(jià)過(guò)高，無(wú)法普及 LED路燈是由很多部分組成的，而其中發(fā)光最有效的元件是芯片，價(jià)格最貴的部分也在芯片。現(xiàn)在的芯片的光效在65~75 lm/w，但是各大芯片廠商都在研制更大光效的芯片。試想一下，隨著科技的進(jìn)步，光效一旦發(fā)展到很高的水平，那么使用芯片的數(shù)量會(huì)比現(xiàn)在的少，而且芯片的價(jià)格也會(huì)同時(shí)下降。到那時(shí)，LED路燈整體價(jià)格也會(huì)下降。 3.未來(lái)LED路燈特點(diǎn) 個(gè)人認(rèn)為，LED路燈替換高壓鈉燈，是今后節(jié)能減排的一個(gè)趨勢(shì)。LED路燈要發(fā)展，我認(rèn)為在以下幾個(gè)方面需要注意： 1. 提高光通 2. 弄好二次光學(xué) 3. 解決散熱 4. 模塊化 A.光通的提高還需要從大功率的LED的外延技術(shù)、芯片工藝等基礎(chǔ)層次進(jìn)一步提升。目前，國(guó)內(nèi)外制作白光LED的方法是先將LED芯片放置在封裝的基片上，用金絲進(jìn)行鍵合，然后在芯片周圍涂敷YAG熒光粉，再用環(huán)氧樹脂包封。樹脂既起保護(hù)芯片的作用又起到聚光鏡的作用。從LED芯片發(fā)射出的藍(lán)色光射到周圍的熒光粉層內(nèi)經(jīng)多次散亂的反射、吸收，最后向外部發(fā)出。LED(藍(lán))的光譜線的峰值在465nm處，半值寬為30nm。LED發(fā)出的部分藍(lán)色光激發(fā)黃色的YAG熒光粉層，使其發(fā)出黃色光(峰值為555nm)，一部分藍(lán)色光直接或反射后向外發(fā)出，最終達(dá)到外部的光為藍(lán)黃二色光，即白光。芯片倒裝技術(shù)(Flip Chip)可以得到比傳統(tǒng)的LED芯片封裝技術(shù)更多的有效出光。但是如果不在芯片的發(fā)光層的電極下方增加反射層來(lái)反射出浪費(fèi)的光能，則會(huì)造成約8％的光損失。所以底板材料上必須增加反射層。芯片側(cè)面的光也必須利用熱沉的鏡面加以反射，增加器件的出光率。而且在倒裝芯片的藍(lán)寶石襯底(Sapphire)與環(huán)氧樹脂導(dǎo)光結(jié)合面間應(yīng)加上一層硅膠材料以改善芯片出光的折射率。經(jīng)過(guò)光學(xué)封裝技術(shù)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照明器具進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高LED的使用質(zhì)量。因此研究大功率LED光源二次光學(xué)配光設(shè)計(jì)，滿足大面積投光和泛光照明配光需求尤為迫切。通過(guò)二次光學(xué)設(shè)計(jì)技術(shù)，設(shè)計(jì)外加的反射杯與多重光學(xué)透鏡及非球面出光表面，可以提高器件的取光效率。傳統(tǒng)光源照射方向?yàn)?60°，燈具依靠反射器將大部分光線反射到特定方位，只有40%左右的光是直接透過(guò)玻璃罩到達(dá)路面的，其他的光是通過(guò)燈具反射器再投射出燈具的，燈具的反射器的效率一般僅為50%~60%，所以有60%左右的光輸出在燈具內(nèi)，是在損失了30%~40%后再投射到路面上的。光源光輸出的很大一部分被限制在燈具內(nèi)部發(fā)熱消耗掉。LED燈的絕大部分光線都是前射光，可以實(shí)現(xiàn)＞95%的光效，這是LED區(qū)別于其他光源的重要特性之一，如果不能將這一特性很好利用，會(huì)使LED的優(yōu)勢(shì)大打折扣。大多數(shù)大功率LED燈由于是多個(gè)LED芯片拼裝，要將這么多光源照到不同方向，我們充分發(fā)揮芯片整體封裝的特點(diǎn)，采用透鏡加以解決，通過(guò)光學(xué)設(shè)計(jì)，根據(jù)不同需要，配備不同凸面曲線，依靠透鏡來(lái)將光線分配到不同方向，保證出光角度大的可以達(dá)到120°～160°，小的可以將光線聚集在30°以內(nèi)，透鏡一旦定型，在生產(chǎn)工藝保證的前提下，同種燈具的配光特性也就達(dá)到了一致。完全可以通過(guò)經(jīng)過(guò)多次試制，不斷地總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，能夠使LED路燈達(dá)到道路照明標(biāo)準(zhǔn)要求的蝙蝠翼光型。目前隧道燈、路燈和一般照明燈已達(dá)到各自應(yīng)用場(chǎng)所的照明要求。 C. 散熱是LED路燈需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題。眾所周知，LED是個(gè)光電器件，其工作過(guò)程中只有15%～25%的電能轉(zhuǎn)換成光能，其余的電能幾乎都轉(zhuǎn)換成熱能，使LED的溫度升高。在大功率LED中，散熱是個(gè)大問(wèn)題。例如，1個(gè)10W白光LED若其光電轉(zhuǎn)換效率為20%，則有8W的電能轉(zhuǎn)換成熱能，若不加散熱措施，則大功率LED的器芯溫度會(huì)急速上升，當(dāng)其結(jié)溫（T_J）上升超過(guò)最大允許溫度時(shí)（一般是150℃），大功率LED會(huì)因過(guò)熱而損壞。因此在大功率LED燈具設(shè)計(jì)中，最主要的設(shè)計(jì)工作就是散熱設(shè)計(jì)。由于LED路燈亮度要求高，使用環(huán)境比較苛刻，如果散熱解決不好，會(huì)迅速導(dǎo)致LED老化，穩(wěn)定性降低。一盞采用250W高壓鈉燈的路燈，由于技術(shù)成熟，散熱控制的很好，即使工作5000小時(shí)，光衰仍然很小。以目前的技術(shù)，相同條件下的大功率LED路燈，如果散熱解決不好，光衰會(huì)很大。目前LED路燈的散熱方式主要有：自然對(duì)流散熱、加裝風(fēng)扇強(qiáng)制散熱、熱管、回路熱管散熱和均溫板散熱等。加裝風(fēng)扇強(qiáng)制散熱方式系統(tǒng)復(fù)雜、可靠性低，熱管和均溫板散熱方式成本較高。 回路熱管 均溫板 結(jié)點(diǎn)溫度與壽命曲線圖 D. LED路燈，最終會(huì)選擇模塊化安裝及維修?，F(xiàn)在路面用的最多的高壓鈉燈，內(nèi)部的鎮(zhèn)流器等部件不容易損壞，大部分不亮的原因是光源損壞，維修的方式只要更換光源即可。一個(gè)熟練的操作工人，完全可以個(gè)人進(jìn)行高臺(tái)操作。但是，LED路燈，內(nèi)部的部件很多，除了光源（芯片），其他各個(gè)部分損壞都會(huì)導(dǎo)致芯片不亮。所以，在現(xiàn)場(chǎng)，無(wú)法立刻斷定LED路燈損壞的原因。如果LED路燈不亮，需要把LED路燈摘下運(yùn)回工廠進(jìn)行各項(xiàng)檢測(cè)。這樣更換LED路燈的方式顯得非常繁瑣。LED路燈的發(fā)展最終版本，就是發(fā)展成為模塊化。光源、電氣等之間全部是按照插接進(jìn)行更換，這樣，一個(gè)熟練的工人，也完全能獨(dú)立進(jìn)行判斷損壞的原因并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)維修。 4.結(jié)論 建議：統(tǒng)一LED標(biāo)準(zhǔn)，提升品質(zhì)穩(wěn)定性，成立市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)協(xié)調(diào)組織，避免惡性競(jìng)爭(zhēng)，大力宣傳LED的品質(zhì)觀念，避免受不良實(shí)例的影響，要讓人們從思想上接受LED其實(shí)是可以實(shí)現(xiàn)其壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)的，提高選擇和使用LED的水平。綜上所述，LED路燈替換高壓鈉燈，是今后道路照明的必然趨勢(shì)。 參考文獻(xiàn)： 【1】 “大功率路燈現(xiàn)場(chǎng)辯論會(huì)”正反方議題 2009年 【2】 《電光源實(shí)用手冊(cè)》，北京電光源研究所、北京照明學(xué)會(huì)編著 2005年 【3】 http://baike.baidu.com/view/1307522.htm 【4】 《半導(dǎo)體照明技術(shù)》，電子工業(yè)出版社編著 2009年 【5】 《LED制造技術(shù)與應(yīng)用》，電子工業(yè)出版社編著 2007年