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摘要：  以大功率白光發(fā)光二極管(LED)為光源， 利用光學(xué)軟件Trace Pro 模擬設(shè)計(jì)出滿足特定功率和照度要求的路燈照明系統(tǒng)， 并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其可行性。該模擬系統(tǒng)對(duì)實(shí)際開(kāi)發(fā)具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵字：  白光LED，  芯片，  光源

1 引言

路燈是城市戶外照明中重要的一支，目前，路燈光源一般都采用高壓鈉燈或金鹵燈，功率都為幾百瓦或以上，耗電程度較大，壽命不長(zhǎng)，維修工作量較大。發(fā)光二極管(LED) 是一種半導(dǎo)體發(fā)光固體器件，它具有工作電壓低、體積小、可靠性高、壽命長(zhǎng)、轉(zhuǎn)換效率高和環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，作為一種“綠色光源”，其在路燈照明系統(tǒng)上的運(yùn)用將一改傳統(tǒng)路燈的各種缺點(diǎn)，是未來(lái)照明領(lǐng)域發(fā)展的趨勢(shì)。如今，將白光LED 運(yùn)用在如路燈照明系統(tǒng)等戶外照明上的實(shí)例較少，因此，研制開(kāi)發(fā)一種節(jié)能型大功率LED路燈系統(tǒng)極具市場(chǎng)價(jià)值。為避免實(shí)際開(kāi)發(fā)的盲目性，降低開(kāi)發(fā)成本，進(jìn)行模型模擬設(shè)計(jì)很有必要，能為接下來(lái)大功率LED 路燈的實(shí)際開(kāi)發(fā)提供指導(dǎo)性的理論基礎(chǔ)。

2 設(shè)計(jì)要求及思路

結(jié)合實(shí)際情況，對(duì)大功率LED 路燈系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出以下設(shè)計(jì)要求：如圖1 所示，系統(tǒng)總功率低于150 W，路燈安裝高度h=8 m，垂直路面(O 點(diǎn)處附近區(qū)域) 最高照度達(dá)15 lx 以上，距路燈安裝處的路面橫向距離s=15 m 處(P點(diǎn)處小區(qū)域) 照度達(dá)3 lx以上，距路燈安裝處的路面縱向距離r=10 m 處(Q 點(diǎn)處小區(qū)域) 照度達(dá)3 lx 以上。

圖1 路燈結(jié)構(gòu)圖

把LED 作為光源應(yīng)用于照明領(lǐng)域，一般將多個(gè)LED 以一定的形狀陣列排布，對(duì)每個(gè)LED 到達(dá)目標(biāo)平面的光線疊加可以得到目標(biāo)平面的光照度分布。

所需陣列LED 數(shù)量決定于整個(gè)系統(tǒng)的總功率限制、目標(biāo)面的光照度要求及照明光學(xué)系統(tǒng)的空間光強(qiáng)分布要求?？紤]到成本和節(jié)能，在達(dá)到照明要求的前提下希望盡量減少LED 的數(shù)量，這就涉及到LED 陣列的合理排布，包括選取LED 間隔尺寸及確定LED的出光角度。

3 系統(tǒng)模擬設(shè)計(jì)

3.1 單顆LED 建模

選擇1 W 大功率貼片LED 為光源，按1∶1 比例構(gòu)建其模擬模型。模型由LED 發(fā)光芯片、外環(huán)氧樹(shù)脂封裝、底座三部分組成。LED 發(fā)光芯片的一面設(shè)為光強(qiáng)有角度分布的發(fā)光面，總光通量設(shè)為55 lm，外環(huán)氧樹(shù)脂折射率為1.55。實(shí)驗(yàn)證明，LED 發(fā)光芯片的位置放置決定著模型的出射光線的角分布特征。經(jīng)多次調(diào)整，基本達(dá)到了樣品LED 的角分布參數(shù)，最終模型如圖2 所示。

圖2 單顆LED 模擬模型(左) 及其光線模擬圖(右)

3.2 光照均勻度模擬

LED 間的間距選擇在很大程度上影響路面光照度的均勻性及照明系統(tǒng)的照明效果。合理選擇LED間距可避免設(shè)計(jì)的盲目性，模型如圖3 所示。

以兩個(gè)LED 組合為例，模擬不同間距下的光照度分布得出：隨著LED 間距的增大，參考平面中心的照度緩慢下降，間距d 為90 mm 時(shí)，照度分布曲線變平坦(如圖4 所示)，兩LED 之間區(qū)域的光照度均勻性較好。在對(duì)多LED 進(jìn)行陣列分布設(shè)計(jì)時(shí)，出于光照度均勻性的考慮，盡量要做到LED 間的間距不超過(guò)90 mm。

圖3 兩個(gè)LED 模擬模型

圖4 LED間距d=90 mm時(shí)的照度圖

3.3 路燈LED 陣列方案設(shè)計(jì)

路燈系統(tǒng)安裝時(shí)的仰角θ 和懸挑長(zhǎng)度d 選定為目前普通路燈的θ 和d 的取值(θ=15°和d=1.5 m)。結(jié)合路面照明在縱向的照度要求的設(shè)計(jì)方案，陣列采用以橫向?qū)ΨQ結(jié)構(gòu)，由130 顆LED 組成，左右兩邊各65 顆，每顆LED 的光通量為55 lm，因此每邊的總光能量為3 575 lm。設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于使這些光盡量多地投射在有效的目標(biāo)平面。每邊結(jié)構(gòu)由2 塊底板和3 個(gè)反光板組成。選定LED 間距d=60 mm，靠近燈桿的底板1 上7 列×5 顆的LED 陣列均勻排布，另一底板2 為7 列×5 顆均勻排布; θ=0°時(shí)底板1 和2與路面夾角分別為65°和60°。兩底板兩側(cè)配裝兩個(gè)與板垂直的反光板，伸出長(zhǎng)度均為300 mm。底板2左側(cè)再附上一塊當(dāng)θ=0°時(shí)與路面成120°，長(zhǎng)700 mm的反光板。系統(tǒng)外觀如圖5 所示。

圖5 系統(tǒng)左右邊結(jié)構(gòu)外觀圖

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4 系統(tǒng)模擬分析

設(shè)定每顆LED 的出光光線為20 000，8 m 遠(yuǎn)處20 m×32 m 區(qū)域的照度分布如圖6 所示。顯然，圖6對(duì)應(yīng)于圖2-1 中O，P 和Q 點(diǎn)處的照度要求都達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目的。為便進(jìn)一步分析，在圖7 中勾勒出3 lx 以上點(diǎn)的區(qū)域。

在(-15 000，10 000) 小區(qū)域內(nèi)，即離燈的最遠(yuǎn)端為照明區(qū)域的最暗區(qū)，照度在3 lx 以下。這其實(shí)并無(wú)影響，因?yàn)閷?shí)際應(yīng)用中并非只有一盞燈工作。

對(duì)要求最苛刻的一種交錯(cuò)排列安裝路燈排列方式進(jìn)行分析， 選擇兩個(gè)路燈系統(tǒng)相鄰的各一邊結(jié)構(gòu)進(jìn)行路面照度模擬， 結(jié)果如圖8。

同樣勾勒出路面上照度>3 lx 的區(qū)域， 如圖9，效果更加令人滿意。

圖6 路燈系統(tǒng)在路面區(qū)域的模擬照度分布

圖7 圖6中照度>3 lx的區(qū)域

圖8 兩個(gè)路燈系統(tǒng)交錯(cuò)安裝的路面模擬照度分布

圖9 圖8中照度>3 lx的區(qū)域。

5 總結(jié)與分析

(1) 功率：整個(gè)系統(tǒng)由130 顆1 W LED 組成，功率總消耗130 W，滿足低于150 W 的設(shè)計(jì)要求。

對(duì)比傳統(tǒng)的基于高壓鈉燈或金鹵燈的路燈系統(tǒng)，耗電不到傳統(tǒng)路燈的26%， 大大節(jié)約了電能。而且，基于LED 封裝的路燈系統(tǒng)壽命可達(dá)10 萬(wàn)小時(shí)，是傳統(tǒng)路燈遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能及的，前景非常樂(lè)觀。

(2) 照度：該系統(tǒng)能達(dá)到在幾個(gè)預(yù)期點(diǎn)的照度要求。系統(tǒng)在路面所能達(dá)到照明區(qū)域的各項(xiàng)照度亮度參考值為：平均照度8.7 lx; 照度均勻度0.345;平均亮度0.484 cd/m2; 亮度均勻度0.345。對(duì)比公路路面照明水平標(biāo)準(zhǔn)[3]可知，該模擬系統(tǒng)基本可達(dá)到次于公路的照明要求。由系統(tǒng)模擬分析可知，結(jié)合多盞路燈在路面上的交錯(cuò)排列安裝方式，能達(dá)到更佳的照明效果。

(3) 實(shí)驗(yàn)：我們選取模擬系統(tǒng)LED 陣列中的兩列共10 顆LED 進(jìn)行實(shí)際制作，把測(cè)得的數(shù)據(jù)和相對(duì)應(yīng)的模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析(鑒于篇幅，這部分實(shí)驗(yàn)和模擬數(shù)據(jù)沒(méi)有列出)，結(jié)果無(wú)論從具體數(shù)據(jù)差值和大致的趨勢(shì)變化上看，模擬模型和實(shí)際系統(tǒng)在各個(gè)參數(shù)上都達(dá)到了很好的一致性。因此得出結(jié)論，整個(gè)路燈系統(tǒng)模擬模型具有實(shí)際開(kāi)發(fā)指導(dǎo)作用。

綜上所述，基于大功率LED 的路燈照明模擬系統(tǒng)很好地滿足了設(shè)計(jì)之前提出的各項(xiàng)要求，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性，給課題接下來(lái)的路燈實(shí)際開(kāi)發(fā)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，起到了指導(dǎo)性作用。