大功率白光LED路燈照明系統(tǒng)模擬設(shè)計(jì)

　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。

　　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。[!--empirenews.page--]

圖5 系統(tǒng)左右邊結(jié)構(gòu)外觀圖

　　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

　?。?） 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。

　?。?） 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。

　?。?） 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。