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淺議LED路燈目前的制作現(xiàn)狀及發(fā)展方向
點擊次數(shù)：909 發(fā)布時間：2009/6/8 16:55:50 返回
針對世界金融風(fēng)暴的應(yīng)對，中央發(fā)改委拿出4萬億連同地方財政的支持預(yù)計將有10多萬億的資金投入到國家交通、扶持企業(yè)、完善基礎(chǔ)建設(shè)上。近國家科技部在全國啟動“十城萬盞”LED路燈半導(dǎo)體照明應(yīng)用工程，在這股強(qiáng)勁東風(fēng)下，一貫得到政府支持的半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)，將是一個大發(fā)展的契機(jī)。許多企業(yè)都看好這個朝陽產(chǎn)業(yè)的發(fā)展空間，特別是半導(dǎo)體戶外照明的明顯節(jié)能優(yōu)勢。近2年一哄而上的諸多企業(yè)，在還不甚了解半導(dǎo)體道路照明制作的特點下，模擬、仿造、沿著現(xiàn)今的常規(guī)照明路燈多種“蛇頭”形狀制作，一時間“百家爭鳴，百花齊放”的產(chǎn)品紛紛推向市場。經(jīng)過這兩年上路實驗情況的檢驗，大部分的產(chǎn)品均存在不同程度的問題。
具體表現(xiàn)在：
1.由于對LED光源工作條件的要求不甚了解造成光衰減嚴(yán)重甚至于死燈。
2.對道路照明要求感悟不足，科學(xué)性點光源光學(xué)配光難點及對色溫在道路照明中的重要性忽略，易造成眩光，斑馬效應(yīng)和在空氣污染嚴(yán)重，下雨有霧天氣的環(huán)境中，造成燈亮地面不夠亮的現(xiàn)象。
3.對保證LED工作條件和對電源技術(shù)性的認(rèn)知程度不足，造成產(chǎn)品在電源上的故障層出不窮。
4.對當(dāng)今LED路燈實用性道路的應(yīng)用概念不清，盲目的與大功率氣體放電燈“媲美”不計成本的制作超大功率LED路燈，造成不切合實際的價格昂貴的路燈產(chǎn)品難以推廣。
5.對道路照明要求模糊，實際使用維護(hù)的欠考慮，造成直接使用業(yè)主的抵制。
本人針對以上問題與大家一起討論解決方案：
對LED光源的工作環(huán)境這個問題的討論，需具備了解LED的基本常識；發(fā)光二極管其核心是PN結(jié)。因此它具有一般P-N結(jié)的I-N特性，即正向?qū)?，反向截止、擊穿特性。此外，在一定條件下，它還具有發(fā)光特性。在正向電壓下，電子由N區(qū)注入P區(qū)，空穴由P區(qū)注入N區(qū)。進(jìn)入對方區(qū)域的少數(shù)載流子（少子）一部分與多數(shù)載流子（多子）復(fù)合而發(fā)光，其現(xiàn)今大功率LED發(fā)光效率約為30％，70％將是熱能，需要將其散熱處理。如圖1所示。
?。ǜ綀D1）
表2是大功率白光LED的結(jié)溫TJ在亮度衰減70％時與壽命的關(guān)系(不同LED生產(chǎn)廠家的壽命并不相同，僅做參考)。
在表2中可看出：TJ=50℃時，壽命為90000小時，TJ=80℃時，壽命降到34000小時，TJ=115℃時，其壽命只有13300小時了。TJ在散熱設(shè)計中要提出大允許結(jié)溫值TJmax，實際的結(jié)溫值TJ應(yīng)小于或等于要求的TJmax，即TJ≤TJmax。
從以上的測試數(shù)據(jù)圖示經(jīng)測試發(fā)光二極管可正常工作的環(huán)境溫度其結(jié)溫溫度應(yīng)（＜85℃）。高于此溫度范圍效率將大大降低，甚至于燒毀。如表2所示。
從圖表中可以看出溫度對其直接影響的重要性。特別值得一提的是，對散熱材料的熱平衡速度要求重視度，造成光源的熱得不到有效的處理引起光衰減嚴(yán)重?，F(xiàn)在許多生產(chǎn)廠家大功率LED的熱沉散熱殼體應(yīng)用基本采用不同的合金鋁材料，其導(dǎo)熱系數(shù)不一，一些材料的散熱速率難以滿足LED工作條件。不可忽略的鋁基板及導(dǎo)熱硅膠，硅脂材料的導(dǎo)熱環(huán)節(jié)，使用材料的實際壽命質(zhì)量，將直接影響LED的工作散熱條件。如何減少中間環(huán)節(jié)，直接與熱沉散熱近距離接觸將熱量快速達(dá)到平衡的有效散熱，是現(xiàn)今高質(zhì)量的LED燈具產(chǎn)品開發(fā)需考慮的方向。
先從材料分析：
金屬的熱傳導(dǎo)系數(shù)表：
銀 429銅 401金 317鋁 237鐵 80錫 67鉛 34.8
銀熱傳導(dǎo)系數(shù)比較好，但缺點就是價格太高，純銅散熱效果則次之，但已經(jīng)算是非常優(yōu)秀的了。不過銅也有缺點：造價高、重量重、不耐腐蝕等。所以現(xiàn)在大多數(shù)散熱片都是采用輕盈堅固的鋁材料制作的，其中鋁合金的熱傳導(dǎo)能力好，好的風(fēng)冷散熱器一般采用鋁合金制作。至于銅，目前市場上也出現(xiàn)了純銅的散熱器，銅的導(dǎo)熱性能比起鋁要快的多，但銅的散熱沒有鋁快，銅可以快速的把熱量帶走，但無法在短時間內(nèi)把本身的熱量散去，另外銅的可氧化性是銅本身大的弊病。當(dāng)銅一旦出現(xiàn)氧化狀態(tài)，從導(dǎo)熱和散熱方面都會大大的下降。
從對比上看，好的散熱材料也并不是鋁材。銅和鋁的對比中形成了一種新型的工藝——銅鋁結(jié)合。所謂的銅鋁結(jié)合就是把銅和鋁用一定的工藝完美的結(jié)合到一塊，讓銅快速的把熱量傳給鋁，再由大面積的鋁把熱量散去，這不但增充了鋁的導(dǎo)熱不及銅，還彌補(bǔ)了銅的散熱不如鋁，有機(jī)的結(jié)合從而達(dá)到急速傳熱快速散熱的效果。
多篇文章中都闡述了散熱是靠面積而不是看體積的大小，許多企業(yè)都了解了個中道理，殼體采用多層翅片散熱，但對熱沉散熱殼體的翅片忽略了防塵和積塵，日積月累將會影響殼體的散熱效果。應(yīng)從在自然條件下規(guī)避積塵的小化，不同方向的風(fēng)和雨的自然沖刷可易性和清除灰塵的粘敷性。保證熱沉殼體的散熱效果不受惡劣環(huán)境的影響，散熱通道的暢通，做到真正的長壽命。
大家共同來探討一個設(shè)計方式：散熱是靠面積的道理顯而易見，是否可以將散熱面做成柱狀或多面形錐體。（分析見附圖2）
在增加散熱面保證散熱效果的基礎(chǔ)上，解決了不同方向的風(fēng)和雨的自然沖刷可易性和清除灰塵的粘敷性的問題，保證了熱沉殼體的散熱效果不受惡劣環(huán)境的影響。
以現(xiàn)在的金屬加工技術(shù)來看，機(jī)械加工是不可能做出理想化的絕對的平整表面，即便是鏡面，也有很多細(xì)小的坑凹，只是肉眼不太容易發(fā)現(xiàn)，除了表面上存在坑凹外，還會有很多細(xì)小雜質(zhì)，如灰塵什么的。當(dāng)散熱器表面和芯片表面接觸時，存在的很多溝壑或空隙中都是空氣?？諝獾膶?dǎo)熱能力很差，因此必須用其它物質(zhì)來降低熱阻，否則散熱器的性能會大打折扣，甚至無法發(fā)揮作用。
作為解決辦法，導(dǎo)熱介質(zhì)就應(yīng)運而生了，它的作用就是填充兩個接觸表面之間大大小小的空隙，增大發(fā)熱源與散熱片的接觸面積。導(dǎo)熱硅脂是我們常見的導(dǎo)熱介質(zhì)。
導(dǎo)熱硅脂是用來填充鋁基板與散熱片之間的空隙的材料的一種，這種材料又稱之為熱界面材料。其作用是用來向散熱片傳導(dǎo)鋁基板散發(fā)出來的熱量，使鋁基板溫度保持在一個可以穩(wěn)定工作的水平，防止鋁基板因為散熱不良而損毀，并延長使用壽命。
作為一種化學(xué)物質(zhì)，導(dǎo)熱硅脂有著一些反映自身特性的相關(guān)性能參數(shù)。了解這些參數(shù)的含義，大致上可以判斷一款導(dǎo)熱硅脂產(chǎn)品的性能高低。
導(dǎo)熱系數(shù)（Thermal Conductivity）
導(dǎo)熱系數(shù)的單位為W/m·K（或W/m·℃），表示截面積為1平方米的柱體沿軸向1米距離的溫差為1開爾文（K=℃+273.15）時的熱傳導(dǎo)功率。數(shù)值越大，表明該材料的熱傳遞速度越快，導(dǎo)熱性能越好。
目前主流導(dǎo)熱硅脂的導(dǎo)熱系數(shù)均大于1W/m·K，優(yōu)秀的可達(dá)到6W/m·K以上，是空氣的200倍以上。但是和銅鋁這些金屬材料相比，導(dǎo)熱硅脂的導(dǎo)熱系數(shù)只有它們的1/100左右，換而言之，在整個散熱系統(tǒng)中，硅脂層其實是散熱瓶頸之所在。對于一個散熱系統(tǒng)而言，不僅是散熱器的事，導(dǎo)熱介質(zhì)也是很重要的組成部分：
散熱系統(tǒng)的總熱阻 = 散熱器熱阻 + 導(dǎo)熱介質(zhì)熱阻
導(dǎo)熱硅脂作為我們常用的導(dǎo)熱介質(zhì)，其重要性不言而喻了，要降低其熱阻，一方面取決于產(chǎn)品本身的性能，另一方面取決于對產(chǎn)品的使用。因此我們要盡量選用那些導(dǎo)熱性能好熱阻低的導(dǎo)熱硅脂，并在使用上多加注意，在保證硅脂完全填充熱源和散熱器表面空隙前提下，涂抹方式硅脂層盡可能地薄。
值得大家注意的是普通導(dǎo)熱硅脂在高溫環(huán)境中使用一段時間后會出現(xiàn)“干化”或“硬化”現(xiàn)象，將會大大影響散熱效果。因此在鋁基板與熱沉之間的導(dǎo)熱環(huán)節(jié)需重視。
有關(guān)人士正研究在熱沉材料上進(jìn)行特殊的陶瓷化處理直接安裝線路，經(jīng)過這樣的優(yōu)化后將會根本解決散熱的導(dǎo)熱環(huán)節(jié)。
從國內(nèi)現(xiàn)有參與制作LED路燈的企業(yè)廠家來看，大部分是沒有制作過路燈，對路燈制作的技術(shù)具體要求較模糊，互相參照模仿，以常規(guī)傳統(tǒng)“蛇頭”形狀制作具多。當(dāng)今LED路燈矩形狀的重量與風(fēng)阻影響著路燈的改造安裝，在光學(xué)配光和維護(hù)要求上與其常規(guī)氣體放電燈燈具相比難度較大，特別是直接的使用方業(yè)主反應(yīng)強(qiáng)烈，給應(yīng)用推廣帶來了困難。
我從國家電光源檢測中心得到的相關(guān)信息，在諸多廠家送檢產(chǎn)品中就在IP防護(hù)這一項目上，絕大多數(shù)存在問題，而且意識不到問題的所在，認(rèn)為我們的產(chǎn)品在水里都浸泡過也沒有問題，怎么到檢測中心就出問題？相信也有些產(chǎn)品在使用一段時間暴露出光源腔體存有水氣。我看到許多廠家在檢測中心排隊送檢的產(chǎn)品，感到心痛，很多彎路是可以避免的。在燈體密封結(jié)構(gòu)上，在密封圈的材料選用上,飛利浦的燈具在這方面就做了專門的研究。
在路燈造型結(jié)構(gòu)設(shè)計上，不要跟著傳統(tǒng)路燈的模樣走。路燈的功能是要達(dá)到道路照明的要求，可以發(fā)揮LED光源的任意組合強(qiáng)項，可制作成“變形金剛”的特點，能真正做到“白天觀景，夜晚觀燈”的城市景觀效果。道路照明要求的是；一定的照度和路面均勻度與平均照度，常規(guī)照明燈具反射器的缺憾在路面平均照度上難以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。在燈具出光效率的有效利用上，傳統(tǒng)路燈的效率標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)≥70％為合格，但實際上有一部分溢散光不能準(zhǔn)確地控制在照射面上并且無法利用，造成光污染，有效利用率約50%，而LED路燈的光學(xué)配光可以準(zhǔn)確控制光線方向，有效利用率達(dá)60%以上。
從當(dāng)今大功率LED路燈點光源及光效的特點來看，要滿足道路照明的要求，必須要把有效的光強(qiáng)利用到有效的照明范圍，道路照明的燈桿間距基本在30—40m，要保證道路的平均照度要求，其點光源LED燈具配光要使得路面沒有斑馬效應(yīng)，需進(jìn)行相應(yīng)的二次光學(xué)系統(tǒng)配套設(shè)計。
以某款燈為例：見附圖；高質(zhì)量的大功率LED路燈用模塊化配套的二次光學(xué)系統(tǒng)可以有效控制路燈照明的平均照度，10米高時為34米×12米近似矩形光斑，光斑形狀與均勻度均能滿足道路照明要求。
?。ㄒ姼綀D3二次光學(xué)配光）
從以上兩點可以看出，只要LED路燈二次光學(xué)設(shè)計合理，投向目標(biāo)照射面的有效光通量和傳統(tǒng)路燈基本接近。
目前LED路燈的配光技術(shù)已經(jīng)有了很大的發(fā)展，有些廠家已經(jīng)開發(fā)出良好的二次配光系統(tǒng)，而不再是單純依靠光源排列來配光，但綜合看，配光還不能做到完全合理，有些在道路內(nèi)側(cè)的配光較亮，均勻度也能滿足要求，但人行道側(cè)環(huán)境光的亮度明顯不足，SR值明顯不符合要求，還是廠家設(shè)計人員對道路照明標(biāo)準(zhǔn)的要求理解不夠。
LED路燈的色溫問題：
目前大功率LED路燈基本上是采用5000K 左右所在色溫的白光。作為道路照明光源，視覺感過分陰冷，同時遠(yuǎn)視時觀察能力會下降，在這方面路燈使用單位有發(fā)言權(quán)，3000K左右的黃光或暖白光是比較適合道路照明的，因此日光色的LED路燈不適合做路燈使用。
當(dāng)今LED路燈在產(chǎn)品規(guī)格方面缺少統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，目前還沒有統(tǒng)一的LED路燈生產(chǎn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，每個廠家按自己的標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)自己的產(chǎn)品，彼此間是很難通用的，另外LED路燈生產(chǎn)廠家的燈具自成體系，光源電器組裝和燈具捆綁在一起，各自不同的工作特性難以維護(hù)，維護(hù)時必須使用原廠產(chǎn)品。而高壓鈉燈由于技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一，燈具、光源、電器方面通用性較強(qiáng)，不同廠家之間的產(chǎn)品可以互用，從維護(hù)角度考慮，這是非常重要，而維護(hù)對于路燈管理單位來說則又是重中之重，只有這樣才可以及時對故障路燈進(jìn)行維護(hù)，保證完好的亮燈率（上級部門對路燈管理考核中重要的一項內(nèi)容），同時大大降低維護(hù)成本?？梢哉f在LED路燈目前的發(fā)展?fàn)顩r下，一旦出現(xiàn)故障時，只能整個燈具進(jìn)行更換，除了高額成本外，而維護(hù)的時間也要大大廷長，這對使用單位來說的非常不利的。對燈具的維護(hù)，常規(guī)照明燈具要簡易的多，可在現(xiàn)場直接更換光源電器，成本也較低。而當(dāng)今許多生產(chǎn)廠家的LED路燈，可能廠家認(rèn)為是免維護(hù)的，所以現(xiàn)場的維護(hù)就無法進(jìn)行了，維修方面真正的負(fù)擔(dān)還是交給了生產(chǎn)廠家。殊不知；造成產(chǎn)品難以推廣的瓶頸還是來之于直接使用單位。
針對當(dāng)今LED路燈應(yīng)用推廣其中的兩大難題：
1. 維護(hù)困難
2. 大功率LED電源的瓶頸
根據(jù)這兩大難點我個人建議；從安全、維護(hù)方便更換，規(guī)避大功率電源的質(zhì)量風(fēng)險。模塊化組合式設(shè)計一定是發(fā)展的方向。做成標(biāo)準(zhǔn)模塊化，諸如30w，40w，50w連同適合本功率電源一體化。不但解決了大功率電源的風(fēng)險，而且遇到故障換用方便。單組模塊又可以一款燈多用途，可改裝為LED隧道燈、LED頂棚燈、LED洗墻燈、LED投光燈、LED隧道燈等，一套方案多款燈具。
?。ㄒ姼綀D4）
散熱材料，導(dǎo)熱環(huán)節(jié)和科學(xué)化的造型結(jié)構(gòu)設(shè)計，在現(xiàn)今大功率LED路燈的制作中，值得大家去感悟。從LED路燈市場的置疑甚至排斥，走到了現(xiàn)在的嘗試與接納，我們看到了前景的曙光，但我們還需要一段路要走。隨著大功率LED光效的不斷提高和硅基LED日新月異的發(fā)展，將根本解決半導(dǎo)體照明光源高價格的瓶頸，讓我們共同攜起手來摸索與探討，相信在大家的努力下，用第四代光源做出更好的LED路燈照明燈具，取代高壓鈉路燈這段路不會很遠(yuǎn)！
