吳 鋒   中國(guó)杭州低碳科技館 杭州 (310051)

摘 要：當(dāng)前我國(guó)正大力提倡節(jié)能、低碳與環(huán)保，基于這一發(fā)展理念，LED路燈作為新一代節(jié)能照明設(shè)備已成為首選。對(duì)大功率LED路燈而言，如何解決因產(chǎn)品功率不斷增大而引發(fā)的散熱問(wèn)題、控制路燈內(nèi)部溫度是提升路燈壽命的有效技術(shù)手段。因此，本文從整體上創(chuàng)新了一種大功率LED路燈的設(shè)計(jì)，進(jìn)而達(dá)到提升路燈整體壽命的效果，同時(shí)也利于路燈的管理和維護(hù)，有助于推動(dòng)照明行業(yè)整體發(fā)展。

關(guān)鍵詞：LED路燈 壽命 路燈桿 路燈罩 驅(qū)動(dòng)電源

發(fā)光二極管(LED)能耗低、環(huán)保、亮度高、壽命長(zhǎng)，被廣泛應(yīng)用于屏幕顯示、道路照明、景觀照明、室內(nèi)照明等方面，是節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)的重要組成部分。  

傳統(tǒng)光源的道路照明消耗著巨大的電能。我國(guó)作為能源消費(fèi)大國(guó)，在當(dāng)下節(jié)能環(huán)保理念趨勢(shì)下，LED因高效、節(jié)能、顯色指數(shù)高等優(yōu)勢(shì)成為了新一代的節(jié)能光源。但由于LED路燈工作在惡劣的室外環(huán)境，在LED產(chǎn)品功率不斷增大、產(chǎn)品尺寸不斷縮小以及集成度不斷提高的趨勢(shì)下，大功率 LED 路燈的散熱問(wèn)題愈發(fā)嚴(yán)重，熱量的積累會(huì)導(dǎo)致LED光衰嚴(yán)重、色溫偏移、光效降低甚至導(dǎo)致器件失效等一系列后果，極大的影響LED路燈的實(shí)際使用壽命^[1]。

一、大功率LED路燈壽命現(xiàn)狀

LED 芯片雖然有較長(zhǎng)的壽命，但是被封裝成 LED路燈后，會(huì)受到元器件的溫度和散熱等因素的影響，使用壽命大大降低^[2]。LED光源隨著時(shí)間的推移，輸出光效會(huì)逐漸衰減。目前業(yè)界對(duì) LED照明產(chǎn)品所采用的標(biāo)準(zhǔn)大部分都是根據(jù)《LED光源流明維持率測(cè)量》IES LM-80-08 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，一般是采用L70來(lái)判定，即當(dāng)LED的光通量衰減為初始光通量的70％的時(shí)間就是該LED的壽命^[3]。LED的結(jié)溫越高，越會(huì)嚴(yán)重影響LED的使用壽命甚至直接導(dǎo)致 LED 失效，所以降低 LED的結(jié)溫至關(guān)重要。隨著LED功率的不斷提高，產(chǎn)生的大量熱量如果不能及時(shí)排出會(huì)使LED結(jié)溫不斷升高，進(jìn)而導(dǎo)致 LED 發(fā)光效率降低并影響其使用壽命。相關(guān)研究表明，結(jié)溫平均每升高1℃，LED的發(fā)光強(qiáng)度降低1%, 結(jié)溫升高到120℃ ,LED平均光衰達(dá)到35%, 當(dāng)結(jié)溫超過(guò)125℃時(shí)，LED會(huì)在短時(shí)間內(nèi)失效^[4]。

雖然LED照明燈具在科技部“十城萬(wàn)盞”的推動(dòng)下，近幾年LED芯片耐熱有所提高，各種散熱創(chuàng)新也不斷出現(xiàn)，如熱電制冷技術(shù)、相變抑制傳熱、噴射式散熱、液態(tài)金屬散熱、離子風(fēng)散熱等新型技術(shù)手段^[5]，也有利用石墨烯等新材料制作的散熱器^[6]，但目前新技術(shù)仍不成熟，存在諸多需要解決的問(wèn)題，成本也高于傳統(tǒng)散熱方式。目前大部分LED還是傳統(tǒng)的散熱方式，通過(guò)鋁合金等導(dǎo)熱材料制成的鰭片增大散熱面積，利用空氣自然對(duì)流帶走熱量。

當(dāng)前大多數(shù)LED路燈的散熱方式主要是散熱片自然散熱^[7]，對(duì)大功率LED路燈而言不是長(zhǎng)久之計(jì)，隨著LED芯片功率逐步增大，散熱片需要越做越大，這與LED低碳環(huán)保理念不符。散熱片如同一個(gè)聚熱倉(cāng)庫(kù)，這個(gè)“倉(cāng)庫(kù)”在夏季可超過(guò)80度，會(huì)加快縮短燈具壽命，也會(huì)影響智能化控制的電子元器件壽命。

因此，要從根本上提升大功率LED路燈壽命，關(guān)鍵是做好散熱。如何快速散熱、降低LED燈內(nèi)溫度，是當(dāng)下的研究重點(diǎn)。需要從整體上創(chuàng)新大功率LED路燈的設(shè)計(jì)，從而提升路燈整體壽命。

二、主動(dòng)散熱路燈桿與路燈罩設(shè)計(jì)

現(xiàn)有的LED路燈桿下部一般是封閉的，對(duì)LED光源只是起到支撐和安裝電線作用，上部裝有LED模塊化光源路燈或一體式二次配光路燈或COB路燈，這些大功率LED路燈均是依靠上部的散熱片，向燈罩四周的孔散熱，許多燈具元器件都是密封裝置，芯片結(jié)溫高。

在一些地區(qū)，LED路燈在烈日炎炎的夏秋季節(jié)，燈內(nèi)溫度高于環(huán)境溫度近40度，即使在白天不亮燈工作的情況下，燈內(nèi)驅(qū)動(dòng)電源中的電解液依然在高溫下蒸發(fā)，而高溫下電子元器件壽命也會(huì)縮短。對(duì)于大功率LED路燈，燈桿和燈罩的功能根本沒(méi)有得到充分利用。

因此，在路燈桿和路燈罩設(shè)計(jì)時(shí)，要充分利用燈桿作煙囪效應(yīng)對(duì)大功率LED路燈進(jìn)行降溫，起到良好的散熱作用，降低芯片結(jié)溫，從而提高光效、延長(zhǎng)LED芯片和電源的壽命。合理的路燈桿和路燈罩設(shè)計(jì)，可24小時(shí)低功耗的工作，將熱量不斷地帶出燈體外，能保持LED燈體內(nèi)與環(huán)境溫度大致相同，特別是在烈日炎炎的夏秋時(shí)節(jié)，對(duì)路燈內(nèi)的驅(qū)動(dòng)電源電子元件起到保護(hù)和延長(zhǎng)壽命的作用，從而延長(zhǎng)LED路燈整體壽命。

圖 1 主動(dòng)散熱型路燈桿與路燈罩

說(shuō)明：1. 路燈次桿 2. 路燈主桿 3a. 路燈上罩 3b. 路燈罩調(diào)角模塊 4. 二次配光透鏡 5. 模塊化LED 路燈下罩6. 鼓風(fēng)式出風(fēng)座 7. 防粘型煙道式散熱進(jìn)風(fēng)防蜂網(wǎng) 8. 進(jìn)風(fēng)防護(hù)罩 9. 太陽(yáng)能板 10. 向下彎鉤形上出風(fēng)罩10a. 出風(fēng)罩防護(hù)網(wǎng) 11. 噴氣式出風(fēng)罩 12. 排熱風(fēng)扇 13. 導(dǎo)熱片  14. 二次配光路燈泡 15. 防塵防蜂插板

如圖 1 所示的路燈桿與路燈罩，路燈桿下部設(shè)有防粘型煙道式散熱進(jìn)風(fēng)防蜂網(wǎng)，配套的路燈罩上罩中上部設(shè)有鼓風(fēng)式出風(fēng)座，并與右側(cè)上部設(shè)有向下彎鉤形的上出風(fēng)罩連接，構(gòu)成散熱效應(yīng)，其出口設(shè)有防粘型蜂鳥(niǎo)防護(hù)網(wǎng)，下部設(shè)有路燈下罩，并可按需安裝太陽(yáng)能板，可適配多種大功率LED二次配光路燈泡，如COB二次配光路燈泡、模塊化LED二次配光路燈泡、多個(gè)芯片二次配光路燈泡等。該路燈桿和路燈罩利用空氣動(dòng)力學(xué)、流體力學(xué)的煙囪效應(yīng)，可降低現(xiàn)有LED路燈芯片結(jié)溫，提高光效，大大地減少光衰，延長(zhǎng)LED芯片和電源的壽命。只要路燈罩內(nèi)溫度高于環(huán)境溫度，燈罩內(nèi)熱空氣就會(huì)向上排出，燈桿內(nèi)的空氣即會(huì)向燈罩內(nèi)補(bǔ)充，形成良性循環(huán)，達(dá)到極低功耗的散熱效果。特別是在炎熱地區(qū)及夏秋之際40多度情況下，即使白天不亮燈，路燈罩內(nèi)高溫對(duì)電子元件損壞也很大，即使現(xiàn)在LED芯片耐溫有了提高，但其中的熒光粉還是不可逆的。按圖示設(shè)計(jì)煙囪式散熱結(jié)構(gòu)，在不亮燈的情況下可使路燈罩內(nèi)溫度與環(huán)境溫度大致相同，可以大大減輕現(xiàn)有路燈散熱片的重量，節(jié)約材料與能源，達(dá)到低碳節(jié)能效果并降低成本。

三、新型二次配光路燈泡設(shè)計(jì)

LED路燈作為功能性照明，相對(duì)一般照明，增加了二次配光。通過(guò)精準(zhǔn)配光可以降低LED輸出功率，減少散熱。適配的二次配光技術(shù)一般依據(jù)道路照明的形態(tài)特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，才可實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能^[8]。

如圖2 所示模塊化二次配光路燈泡，主要由燈上罩、下固定圈、下托圈、路燈用二次配光透鏡等組成，并設(shè)置模塊化插入式驅(qū)動(dòng)電源。旋轉(zhuǎn)座中設(shè)有進(jìn)風(fēng)通道，周圍設(shè)有防粘型防護(hù)網(wǎng)，上部中心設(shè)有風(fēng)扇及噴氣式出風(fēng)管，同時(shí)旋轉(zhuǎn)座中有長(zhǎng)條型導(dǎo)熱片或增加活動(dòng)式嵌入型高導(dǎo)熱片，高導(dǎo)熱片采用高導(dǎo)熱材料制成，并可將其加工有淺槽定位與長(zhǎng)條型導(dǎo)熱片配合連接，緊貼鋁基鈑。LED光源芯片由鋁基鈑壓框固定，為防止季節(jié)變化產(chǎn)生熱脹冷縮而生成間隙，長(zhǎng)條型導(dǎo)熱片上部設(shè)有彈簧，可保證與鋁基鈑始終良好接觸。路燈用二次配光透鏡由透鏡定位板固定，兩者也可合并成為一個(gè)部件。燈上罩內(nèi)可設(shè)有內(nèi)散熱虹吸孔，可降低驅(qū)動(dòng)電源溫度。

圖 2 主動(dòng)散熱二次配光路燈泡

說(shuō)明：1. 易損電子腔打開(kāi)手柄 2. 易損電子元件插入模塊 3. 模塊化插入式驅(qū)動(dòng)電源 4. 路燈用二次配光透鏡  5.鋁基鈑 6. 鋁基鈑壓框：7.LED光源芯片 8.上虹吸孔 9.噴氣式出風(fēng)管：10. 風(fēng)扇 11.AC 電源連接線 12. 長(zhǎng)條型導(dǎo)熱片 13. 活動(dòng)式高導(dǎo)熱片 14. 彈簧 15. 旋轉(zhuǎn)座 16. 二次配光透鏡定位板 17. 電源 AC 觸點(diǎn) 18. 下固定圈 19. 下托圈  20. 防粘型防護(hù)網(wǎng) 21. 下定位架 22. 燈上罩 23. 驅(qū)動(dòng)電源AC 連接插頭

當(dāng)與主動(dòng)散熱路燈罩配合使用時(shí)，因其上部按空氣動(dòng)力學(xué)原理設(shè)置噴氣式出風(fēng)管，進(jìn)風(fēng)通道切線方向與風(fēng)扇同向旋風(fēng)，由噴氣式出風(fēng)管排出。而路燈罩上部?jī)?nèi)設(shè)有鼓風(fēng)式旋風(fēng)出風(fēng)座，使路燈罩內(nèi)冷熱分隔不與進(jìn)風(fēng)通道混合在一起，從而使燈上罩排出LED芯片熱量，在燈罩上部與風(fēng)扇一起逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)向上部散熱罩排風(fēng)，引起旋轉(zhuǎn)疊加效應(yīng)，加強(qiáng)散熱。因此，該二次配光路燈泡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)與主動(dòng)散熱路燈罩上部鼓風(fēng)式旋風(fēng)出風(fēng)座配合，大大增加排風(fēng)速度，做到LED芯片產(chǎn)生的熱量即生即出，降低結(jié)溫，從而延長(zhǎng)LED路燈壽命。

四、驅(qū)動(dòng)電源模塊化設(shè)計(jì)

作為L(zhǎng)ED照明燈具的電源供應(yīng)器，LED驅(qū)動(dòng)電源能將外界一次電能轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)ED所需的二次電能，是LED照明燈具的核心部件，其品質(zhì)對(duì)LED照明燈具的可靠性具有重要影響，其穩(wěn)定性也是LED照明燈具使用壽命的關(guān)鍵因素。

通過(guò)對(duì)大功率LED路燈進(jìn)行跟蹤檢測(cè)，部分LED燈具陸續(xù)出現(xiàn)故障。通過(guò)對(duì)故障的分析，我們發(fā)現(xiàn)LED 驅(qū)動(dòng)電源損壞所占比例高達(dá)90%^[9]。雖然LED路燈理論使用壽命長(zhǎng)達(dá)5萬(wàn)小時(shí)(約12.5 年)，但其驅(qū)動(dòng)電路的壽命較短，約為1.2萬(wàn)小時(shí)(約3年)。驅(qū)動(dòng)電源成為制約LED路燈使用壽命的短板。另外，由于防水防塵等工況要求，LED路燈驅(qū)動(dòng)電源一般都封裝在產(chǎn)品內(nèi)部，給 LED路燈維修帶來(lái)不便，更換驅(qū)動(dòng)電源的費(fèi)用較高。因此，提高LED路燈驅(qū)動(dòng)電源的使用壽命、降低其維修成本，提升維護(hù)便利性將極大地提升LED路燈的實(shí)際使用壽命和價(jià)值。

LED驅(qū)動(dòng)電源電路中的電解電容是一種重要的電子元件，其使用壽命有公認(rèn)的近似計(jì)算法則：即溫度每下降10℃其使用壽命增加一倍^[10]。標(biāo)稱105℃壽命為2000小時(shí)的電解電容，在65 ℃下使用壽命大約是32000小時(shí)。而LED路燈工作場(chǎng)所為室外，在當(dāng)今全球變暖的環(huán)境下，我國(guó)大部分地區(qū)夏季的地面溫度已經(jīng)超過(guò)70℃，在這樣的條件下，電解電容的平均壽命已不到1.5萬(wàn)小時(shí)。

目前大功率LED路燈照明中的驅(qū)動(dòng)電源，電解電容均是焊接在電路板上，并且整個(gè)電器部分被封裝在內(nèi)部。在電解電容損壞、而其它電器元件完好的情況下，整個(gè)驅(qū)動(dòng)電源都將被換掉，形成了極大的浪費(fèi)。只要LED燈芯片結(jié)溫散熱達(dá)到要求，LED燈珠壽命就有近 5 萬(wàn)小時(shí)，但是幾乎所有LED路燈的驅(qū)動(dòng)電源均提早損壞。目前LED路燈的驅(qū)動(dòng)電源質(zhì)保時(shí)間一般均為三年，若按每天使用12小時(shí)、一年365天計(jì)算，也只使用了不到1.4萬(wàn)小時(shí)，質(zhì)保5年的也只有近2.2萬(wàn)小時(shí)。這與LED芯片燈5萬(wàn)小時(shí)的使用壽命相差甚大。經(jīng)智能控制，時(shí)控節(jié)能減少了功率而壽命得到了相對(duì)延長(zhǎng)，但與 LED芯片相比，其壽命仍然較短。

為節(jié)約資源，提高驅(qū)動(dòng)電源的利用率和整體壽命，除了降低LED路燈內(nèi)驅(qū)動(dòng)電源溫度外，還可以采用一種模塊化的設(shè)計(jì)方法。將電解電容等易損電器元件當(dāng)作與電路板分離的一種附件，不直接安裝在電路板上，利用一個(gè)外殼把相關(guān)易損元器件全部封裝進(jìn)一個(gè)模塊化電器接插件中，按需通過(guò)各種接插件組與電路板內(nèi)各個(gè)電解電容位子用電路板或線路連接，當(dāng)電解電容達(dá)到使用壽命時(shí)只需更換該模塊接插件，驅(qū)動(dòng)電源就可以再次使用。在LED路燈正常的使用壽命里，只需更換二次該模塊接插件即可，這樣可以使得LED路燈整體5萬(wàn)小時(shí)的使用壽命成為現(xiàn)實(shí)。而且該模塊化接插件可以通過(guò)相關(guān)線路與電路板連接，通過(guò)防水防塵防曬設(shè)計(jì)，其安裝地點(diǎn)可選余地更大，可以方便地進(jìn)行后續(xù)更換，無(wú)需高空作業(yè)，做到和普通家庭更換燈一樣方便。

五、結(jié)論

本文從整體上創(chuàng)新了一種大功率LED路燈的設(shè)計(jì)，通過(guò)主動(dòng)散熱路燈桿與路燈罩、新型二次配光路燈泡和模塊化驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)，利用煙囪效應(yīng)對(duì)大功率LED路燈進(jìn)行24小時(shí)低功耗工作，降低芯片結(jié)溫，從而提高光效、延長(zhǎng)LED芯片和驅(qū)動(dòng)電源的壽命，達(dá)到提升路燈整體壽命的效果。

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