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中性白光LED改进街道照明 |
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作者：安华高科技德国分公司 Andreas Pohl |
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本文将介绍在街道照明应用中使用中性白光LED取代冷白光LED的好处，包括街道上液体的能见度、皮肤和花朵的色调表现等。另外，本文也将探讨温度和光学设计的解决方法，例如强迫通风方法、炫光和亮度大小等。由于LED技术具有体积小和多样化等优势，因此可以轻松地实现崭新的路灯设计。
基于预算紧张的考量，采用LED的照明可以通过更少的维护周期和省电的创新调光技术节省电费。
近几年来经过技术的演进，LED在光度输出、发光效率和使用寿命上已经有了明显的改善，因此对于各种过去使用其他光源的广大应用越来越具吸引力，特别是路灯就是目前可以使用LED技术加以解决的应用。
基于LED的路灯首先于几年前在街道上出现，尽管它们主要被用于展示设计概念或是校园测试灯。黄色荧光粉在当时是唯一可用且稳定的、用以搭配蓝光芯片产生白光输出的荧光粉之一。大部分这些路灯都采用冷白光LED设计，色温约在6000K甚至更高。不幸的是，大部分人并不喜欢这些路灯发出的冷白光线，部分甚至抱怨冷白光会带来寒冷的感觉。另外，还有人觉得色彩在冷白光源的照射下显得苍白。
LED和荧光粉制造商听到了对于第一代原型设置的反馈，并且开始面向街道照明应用开发出使用较为自然、4000K色温的新型中性白光高亮度输出LED。举例来说，安华高科技(Avago)的ASMT-JN32-NVV01就能以350mA电流提供100lm或700mA电流提供160lm的最低典型4000K相关色温(CCT)光度输出。
LM-80 LED寿命测试建议标准要求LED光源必须要有最少35,000小时的寿命，较新的大功率LED在高结温下最少可以达到60,000小时(L70, B10)。以每天平均12个小时(一年大约4400小时)的使用时间来看，使用最新LED技术的路灯可以轻易达到10年寿命而不需要更换光源。
由产品封装的角度来看，现代LED封装拥有6~9℃/W(K/W)的低热阻。这有助于尽可能把热量从结点传递到散热片。另外，不同结温下的光度输出也非常稳定，25oC到110oC结温范围内的变化不到20%(见图1)。
图1：中性白光LED光度输出和结温的关系图
另一个采用中性白光大功率LED的好处是它使用了先进的荧光粉技术，可以带来较好的光谱分布。与冷白光LED比较，中性白光LED发出的光线具有较多的黄色与红色波长(见图2)。这样的光谱分布有助于分辨柏油路表面不同的液体。冷白光LED基本上会使街道上的油、水或樱桃汁非常难以分辨——如果您在开车，可以辨别地面上的油渍会很有帮助！另一方面，中性白光源可以使棕色的油渍或红色的樱桃汁非常容易分辨。
图2：中性白光和冷白光的光谱分布比较
另外，在中性白光LED光源下的皮肤色调比较自然。街道旁住家的彩色花圃和绿色草皮看起来也会更加讨人喜欢和觉得温暖。社区保安和个人安全也会因为更明亮的路灯而得以提高。全球统计数字指出，在较好的街道照明下，窃盗和汽车偷窃案件会大幅度减少。
LED的使用非常简单并且应用广泛，可以带来许多崭新和迷人的路灯设计，例如超薄设计和长条形或方形灯壳等。设计人员和工程师必须考虑所有设计面向(包括温度、光学和电气等)，以完成成功的商业路灯项目工程。
温度设计
LED的光度输出不管是在工作20分钟或者5年后，都主要由照明模块的温度特性支配。一个经验法则是，LED耗散掉1W的热量大约需要1in2的金属芯印刷电路板。因此，3W的光源就需要大约3in2或1935mm2的MC-PCB，以承受高达85oC的环境工作温度。
如果在设计上无法为每个LED提供大面积的MC-PCB，那么也可以使用额外的散热片来帮助散热。基本上主要有两种类型的被动式散热片：一种是使用如铝这类的挤压成型金属，另一种则是使用优质的金属鳍片。通常使用金属鳍片的散热片热阻最低但价格最高。如果设计对于成本较为敏感，并且空间比较不受限制，挤压成型金属散热片是一个合适的选择。
另一个LED散热的方法是采用主动式的冷却系统。传统的主动式冷却系统使用水或油等液体或采用强迫通风的方法来散热。强制风冷通常采用风扇，它可能是最适合LED冷却的解决方案。
新的做法包括使用薄膜式冷却器，据称它可以达到与LED相近的使用寿命(达60,000小时以上)。
不论是采用主动式或被动式冷却方式，都必须使用导热界面材料(TIM)将电路板连接到散热片上，甚至如MC-PCB或多层FR-4 PCB看起来貌似是直接贴在散热片上。然而，表面极微小的不平整都将产生微小的气隙，而使热阻增加。因此必须使用散热胶、油脂或导热胶带来支持散热。
光学设计
欧洲的EN 13201标准为不同区域的街道照明定义了规范，包括公路、市区道路、交叉路口和人行道等。可接受的亮度和均匀度取决于LED的使用情况。对于交通流量较大的街道和交叉路口，必须要有足够的亮度和均匀度。就安全性而言，也必须避免对驾驶人员产生炫光。
所有这些因素都可以简单地通过第二级光学产品来进行调整。第二级光学产品的制造商对于绝大部分常用的LED封装都提供有现成的解决方案或具有定制能力。
某些街道区域(例如，人行横道、环形交叉路口或危险的交叉路口)在法律上都有特别的照明要求。过去，这些通常使用黄色的高压钠灯来提供；目前，这些灯具也可以使用单色黄光LED或是暖白光和黄光大功率LED的组合(例如安华高科技的ASMT-JA30-ARS01或ASMT-JY32-NTV01)来取代。
电气设计
LED为使用电流操作的器件，驱动电路必须能够以固定输出电流来调整输出电压。例如，加到Avago ASMT-JN32-NVV01上的电流可以是300mA或700mA的直流电流或高达2400mA的脉冲电流，主要依使用的频率和占空比决定(图3)。
图3：环境温度下的最大脉冲电流。(a)：环境温度为25oC时的最大脉冲电流。(b)：环境温度为85oC时的最大脉冲电流
为了可以随时间调整LED的亮度输出或带来智能街道照明功能，LED驱动电路必须能够依输入信号来调整电流。智能街道照明可以进一步地节省电费。例如，街道或人行道只在有人使用时才提供法律要求的照明量，其他时间则可以调暗。这样做还可以降低夜晚的光害并带给居民可以观赏星空的更大空间。
虽然LED路灯的安装成本目前还高于传统路灯，但从另一个角度来看，节省电力成本是一个必须被计入的重要因素。发光品质也是考虑的因素之一。虽然荧光灯或高强度放电(HID)灯具有良好的发光效率，但是发光品质和中性白光LED相比还是有极大的差异。
相较于传统街道照明，采用LED的街道照明可以节省的能源大约在每年25%到50%(依采用的技术和原先安装的年限而定)。如果以每年节省15%能源的最坏情况来看，LED路灯的安装费用可以在7年内摊销。如果社区采用了能够依据实际使用状况自动调整的智能街道照明，则还可进一步节省电费，将电力消耗控制在最低。相较于荧光灯或HID灯，LED不需要任何预热时间，因此可以立即提供全亮度照明输出。
另外，由于LED的老化速度非常缓慢，并且可以很容易达到60,000小时工作寿命而又维持平均高于原始光度70%的输出，因此可以把LED路灯视为无需花费维护费用。这将有助于降低社区的维护预算。
还有一点非常重要：欧盟已经启动了新的能源浪费或有害灯管的逐步淘汰计划。这也将影响到水银蒸气灯，虽然这类灯管由于可以产生如白昼般的光输出，而自推出以来就普遍流行于住宅区的道路照明上。水银灯计划将在2015年完成淘汰。
本文小结
更换新型高能效光源将很快在欧洲和其他地区成为许多社区和当局的热门话题。目前，中性白光大功率LED已经准备就绪，可以很容易地应用到住宅区街道照明当中。(end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(9/6/2012) |
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