俞安琪
國家電光源質量監督檢驗中心(上海) 國家燈具質量監督檢驗中心(200012)
摘 要：由於我國計劃經濟產業布局的影響，LED的專業知識和照明電器綜合知識在從業人員中普及的不足，造成了實際的設計
和應用中，沒有針對LED的特點進行揚長避短的應用，出現了許多不合理、不合格的應用產品。本文就LED應用於道路
照明燈具中目前存在的問題進行了分析，也給出了解決問題的思路和實例，供廣大行業人士參考。
關鍵詞：LED光源 道路照明 燈具設計 關註焦點
LED作為壹種新穎的固體照明光源，生產過程以及產品幾乎無汙染，不怕震動，可輕易實現0～100%的連續調光，能在安全特低電壓下工作，可連續工作於開關閃斷的工作狀態，其光輸出具有定向性——諸多獨特的優勢，是目前我國乃至世界照明界的熱門話題。通過從業人員的不斷努力，目前照明用白光LED在通常的照明工作條件下的系統效率（包括驅動電路），已達到40lm/w，再加上照明用LED制造成本的大幅下降，所以照明用白光LED已具備應用到壹些照明領域的商用條件。
但是，由於我國計劃經濟時代以來很多年的產業結構分布所造成的局面，使得目前制造照明LED的產業群體往往缺乏對照明電器基本知識和要求的了解，而傳統的照明燈具生產群體也往往缺乏對照明用LED特性的深入了解，在設計和應用中沒有充分地利用LED的特點，進行揚長避短的使用，所以造成了在照明LED應用到照明裝置中時，產生很多不合理的錯誤設計。本文就目前照明用LED應用於道路照明燈具中的壹些主要問題，提出如下的見解。
壹、LED在道路照明燈具中使用的特長
1．普通道路照明燈具的現狀和缺陷
目前道路照明燈具中普遍采用的光源是高壓鈉燈或金屬鹵化物燈，這兩種光源的最大特點是，發光的電弧管尺寸小，由尺寸很小的電弧管產生很大的光輸出，並且具有很高的光效，前者包括配套電器，可達110lm/w，後者包括配套電器可達80lm/w。但這類光源應用在道路照明燈具中時，只有40%左右的光是直接透過玻璃罩到達路面的，其他的光是通過燈具反射器再投射出燈具的，目前普遍采用此類光源的傳統燈具基本都存在兩個不足，壹是燈具直接照射的方向上照度很高，在次幹道上可達50lx以上，這壹區域屬於明顯的過度照明，而兩個燈具的光照交叉處的照度僅為燈下照度的40%～20%。二是此類燈具的反射器的效率壹般僅為50%～60%，所以有60%左右的光輸出在燈具內，是在損失了40%～30%後再投射到路面上的。
此類燈具的總體效率壹般都在70%左右（只有國際著名品牌的此類道路燈具其效率可達到80%），並且上述的過度照明區域中過多的照度也屬於浪費。綜合分析上述傳統的道路照明燈具其綜合的有效照明效率（扣除過度照明部分）僅為50%。也因為上述原因，目前我國次幹道的照明效果（路面照度和照度均勻度）基本都達不到CJJ45-2006和CIE31以及CIE115標準的要求。
2．目前采用LED光源的道路照明燈具的配光現狀
目前LED在道路照明燈具中使用的最普遍形式主要有兩類，壹類是采用傳統的道路照明燈具外殼，只是在燈具內，在壹個幾乎是平板的安裝面（也是反光面）上，裝上了矩陣式的LED，這種設計方式是不可能得到良好的燈具配光的。另壹類是把多個LED集成在壹個圓形的區域內（區域直徑大約為30mm～40mm），使這壹小區域的光輸出密度接近高強度氣體放電燈，再利用燈具反射其進行配光，但這種設計方式的燈具分布光度也不會優於傳統的道路照明燈具，並且由於在壹個很小的區域內集成了高密度的LED，使LED的散熱情況明顯不良，不僅影響到LED的發光效率，而且也往往影響到LED的使用壽命。
3．照明用LED的特長及應用
目前照明用LED的最大特點是具有定向發射光的功能，因為目前功率型LED幾乎都裝有反射器，並且這種反射器的效率都明顯高於燈具的反射器效率。另外，LED的光效檢測時已經包括了自身反射器的效率。采用LED的道路照明燈具應盡可能地利用LED的定向發射光的特性，使道路照明燈具中的各個LED分別直接把光線射向被照路面的各個區域，再利用燈具反射器的輔助配光，來實現很合理的道路照明燈具的綜合配光。應該說，道路照明燈具要真正做到符合CJJ45-2006和CIE31以及CIE115標準的照度和照度均勻度要求，燈具內應包含三次配光的功能才能比較好地實現。而帶反射器的並且具有合理的光束輸出角度的LED本身就具有良好的壹次配光功能。在燈具內，能按照路燈高度及路面寬度設計各個LED的安裝位置和發射光的方向就能實現良好的二次配光功能。在此類燈具中的反射器，只作為輔助的三次配光手段，來保證道路照度更好的均勻度。
2006年9月下旬，筆者參加了由上海市照明學會組織的，對威海市次幹道采用LED光源燈具的試驗道路的驗收，試驗道路的燈具及布局就是采用上述原理設計的。從現場實測結果看，這壹試驗路段充分利用了LED合適的定向發光功能，采用了三次配光方式，不僅使次幹道道路的照度和路面的照度均勻度達到了國家標準的要求，而且在燈具的主要照明方向上，防止了局部的過度照明。由於充分利用了LED的特點，用合理的配光方式充分地利用了LED的光輸出，從而彌補了LED本身光效不如HID光源的不足，使整個道路單位面積在達到標準要求的前提下，其能耗僅為采用高壓鈉燈燈具的原照明設計能耗的70%左右，取得了明顯的節能效果。
目前各級政府都大力推行節能減排，在室內照明中，已經強制執行照明功率密度（LPD）的限值。我國道路照明節能認證的技術標準《道路照明燈具節能認證技術要求》將在明年初完成，該技術要求提出了道路照明功率密度（LPD）的考核要求，其核心部分是在滿足道路路面的照度和照度均勻度的前提下盡可能地降低照明功率密度（單位：W/m2），從而達到節能的目的。
上述采用LED的道路照明燈具的設計思路正是迎合了《道路照明燈具節能認證技術要求》的考核要求。目前加拿大政府已經按道路照明功率密度（LPD）的要求，推行其道路照明節能工作，估計在不遠的將來會有更多的國家按LPD的要求推行其道路照明節能工作。
在實際的道路照明燈具的設計中，可在基本設定每壹個LED投射方向的前提下，把每個LED用球形萬向節固定在燈具上，當燈具使用於不同的高度和照射寬度時，可通過調整球形萬向節使每壹個LED的照射方向都達到滿意的結果。在確定每壹個LED的功率、光束輸出角度時，可根據E(lx)=I(cd)/D(m)2（光強和照度距離平方反比定律），分別計算出各LED在基本選定光束輸出角度時應該具備的功率，並且可以通過調整各LED的功率以及LED驅動電路輸出給每壹個LED不同的功率來使每壹個LED光輸出都達到預計值。這些調整手段都是采用LED光源的道路照明燈具所特有的，充分利用這些特點就能實現在滿足道路路面的照度和照度均勻度的前提下降低照明功率密度，達到節能的目的。
二、采用LED的燈具設計的其他問題及解決方案
1．LED的散熱工況和IP防護
LED的工作工況和散熱不僅直接關系到LED實際工作時的發光效率，而且還關系到LED的使用壽命。因為在戶外使用的道路燈具，應具有壹定等級的防塵防水功能IP，良好的IP防護往往會妨礙LED的散熱。解決這相互矛盾但又都得解決的兩個問題是道路照明燈具設計時應關註的壹個重要方面。在這壹方面也是國內把LED應用於道路照明中時出現不合格、不合理的情況最多的。國內目前使用中出現的不合格、不合理的情況基本有：
對LED采用了散熱器，但LED連線的接線端子及散熱器的設計無法達到IP45及以上等級，無法滿足GB7000.5/IEC6598-2-3標準的要求。
采用普通的燈具外殼，在燈具出光面內用矩陳式LED，這種設計雖說能滿足IP試驗，但是由於燈具內不通風、會造成工作時燈具內腔的溫度升高到50℃—80℃，在如此高的溫度下，LED的發光效率是不可能高的，同時LED的使用壽命也將大打折扣。
在燈具內采用了儀表風扇對LED及散熱器進行散熱，其進風口設計在燈具的下方，以避免雨水的進入，出風口設計在下射LED光源的四周。這樣也能有效避免雨水的進入，另外散熱器和LED（光源腔）不處於同壹空腔內，這種設計如做得好，按燈具的IP試驗要求，能順利通過。（有壹企業采用了上述設計思路，其產品還通過了VDE的IP65試驗）這壹方案不僅解決了LED的散熱問題，而且同時滿足了IP等級的要求。但是這種看似良好的設計，實際上存在明顯的不合理情況。
因為在我國絕大多數道路照明燈具的使用場合，空中的飛塵量是較大的，有時會達到很大（例如起沙塵暴），這類燈具在壹般條件下使用壹段時間後（約三個月至半年），其內部散熱器的縫隙內就會塞滿灰塵，使散熱器效果大打折扣，最後還會使LED因工作溫度過高而使用壽命明顯縮短。這壹方案的不足使燈具不能持久良好地使用。
要兼顧道路燈具中的LED的散熱及IP防護，較合理的設計壹是關鍵的散熱問題，采用導熱板，在金屬板的內部均布有供冷媒流動的細導管，並在細導管內充有冷媒，當導熱板的某壹部位受熱時，細導管內的冷媒會快速流動而使熱量快速地傳導。好的導熱板的熱傳導系數可以達到同厚度銅材板的8～12倍，雖說價格較高，但如在關鍵部位使用，對LED的散熱將起到事半功倍的作用。二是把燈具的外殼設計成散熱器狀。目前大部分的道路燈具外殼是鋁材的，直接利用燈具外殼外面作為散熱器既可以保證IP防護等級的要求，也可以得到很大的散熱面積，另外，燈具外殼組成的散熱器在有落塵時，可通過自然風雨沖洗，可保證散熱器工作的持續有效性。
2．LED驅動電路的效率和輸出特性
LED對驅動電路的要求是能保證恒流輸出的特性，因為LED在工作時結電壓相對變化區域很小，所以保證了LED驅動電流的恒定也就基本保證了LED輸出功率的恒定。對於我國電源電壓供應不穩定的現狀，道路照明燈具LED的驅動電路具有恒流輸出特性是十分必要的，可保證光輸出恒定並防止LED的超功率運行。
要想使LED驅動電路呈現恒流特性，從驅動電路的輸出端向內看，其輸出內阻抗壹定是高的。工作時負載電流也同樣通過這壹輸出內阻抗，如果驅動電路由降壓、整流濾波後加直流恒流源電路或通用的開關電源加電阻電路組成，在其上必定也消耗很大的有功功率，所以此兩類驅動電路在基本滿足恒流輸出的前提下，效率是不可能高的。正確的設計方案是采用有源電子開關電路或采用高頻電流來驅動LED，采用上述兩種方案可以使驅動電路在保持良好的恒流輸出特性的前提下，仍具有很高的轉換效率。
3．室外照明燈具中電子驅動電路的防雷電感應
目前我國的道路照明燈具，基本都采用HID光源加配觸發器和電感鎮流器的模式，這壹模式雖說存在能效較低及頻閃的問題，但其可靠性是很高的。而采用電子驅動電路的LED燈具，在室外照明場合使用時，威脅其可靠性的壹個重要方面是雷電感應問題。
控制閃電發射的是壹個廣譜的無線電波，而架空的供電線路，是良好的接收天線。兩根電源線接收的同壹閃電發出的無線電波，對驅動電路來講是屬於***模幹擾信號，這種***模幹擾對地可達數百伏到數千伏，很容易擊穿驅動電路內的EMC接地電容或較小的對地（對外殼）的電氣間隙，造成驅動電路的損壞。
另外由於我國的供電線路是三相四線制中性線接地的極性電源，所以在兩根架空供電線的各段，在感應到閃電的無線電波的瞬間，由於兩根供電線對地的瞬時阻抗不同而使兩根供電線間產生壹個差模的幹擾電壓，這壹瞬時差模幹擾電壓也可達到數百伏至3000多伏，這壹電壓往往會擊穿驅動電路的電源整流二極管和印制線路板上的不同極性電極間的電器間隙，同樣會使驅動電路損壞。
要解決這壹問題，必須在LED的驅動電路中輸入端並快速響應的壓敏電阻，以保證差模幹擾的泄放。
由於閃電的感應幹擾是重復多次的，當幹擾電壓高時，壓敏電阻瞬時導通泄放的電流可能很大，所以采用的壓敏電阻不僅應具有快速的響能力，還應具備瞬時導通數十安培的泄放能力而不損壞。除了采用壓敏電阻外，LED的驅動電路的輸入端還應結合傳導幹擾（EMI）的防護，設計有復合的LC網絡，使這些LC網絡不僅能阻礙內部的EMI對電網的泄露，而且能對閃電的幹擾信號起到明顯的抑制作用。
還有，LED驅動電路各電對地的電氣間隙應保持在7毫米以上，EMI防護的接地電容以及驅動電路的對地絕緣強度，應達到強化絕緣（4V+2750V）的要求，這樣能使LED的驅動電路具有良好的抗差模和***模雷電感應的能力。
結論
LED作為壹種新穎的固體光源，具有生產過程及產品幾乎無汙染、不怕震動、可實現0～100%的連續調光，可在特低電壓下工作，可連續工作於開關、閃斷的狀態及輸出光具有定向性等諸多的獨特優勢。近年來在其光效和光色上的明顯進步已使它能進入商業化應用，但是在設計使用時壹定要充分了解LED的特點，揚長避短，才能取得預期的應用效果。
目前的LED應用在道路照明燈具中，應充分發揮其具有定向光輸出的功能，利用每壹單個LED特定光束輸出角度和不同的光強輸出以及安裝方向的合理設計和燈具的作用，實現三次配光，最大限度地利用LED的直射光和定向性來保持LED發射光的充分利用，保持道路照明的均勻性，防止局部區域的過度照明，彌補自身發光效率的不足，使系統效率得到可觀的提高，在次幹道上可取得在照度滿足標準要求的前提下，其單位面積的照明能耗比采用高壓鈉燈的燈具節能約30%的成績。但LED就現在的能效水平以及輸出光強水平，應用在主幹道路作為主照明，尚有不少差距。
另外，采用LED作為光源的道路照明燈具，在設計時應在滿足IP防護的前提下，保證散熱的可靠和持續有效，LED驅動電路應具有高效率且完善的EMI和EMS的防護特性。具備這些特點的LED道路照明燈具不僅照明功率密度（LPD）指標好，而且具有輸出光無頻閃的優點，這對於運動物體的照明是十分有益的。
（摘自《中國照明》2008.No.7）