LED路燈存在的問(wèn)題和解決方案

針對世界金融風(fēng)暴的應對，中央發(fā)改委拿出4萬(wàn)億連同地方財政的支持預計將有10多萬(wàn)億的資金投入到國家交通、扶持企業(yè)、完善基礎建設上。最近國家科技部在全國啟動(dòng)“十城萬(wàn)盞”LED路燈半導體照明應用工程，在這股強勁東風(fēng)下，一貫得到政府支持的半導體照明產(chǎn)業(yè)，將是一個(gè)大發(fā)展的契機。許多企業(yè)都看好這個(gè)朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展空間，特別是半導體戶(hù)外照明的明顯節能優(yōu)勢。近2年一哄而上的諸多企業(yè)，在還不甚了解半導體道路照明制作的特點(diǎn)下，模擬、仿造、沿著(zhù)現今的常規照明路燈多種“蛇頭”形狀制作，一時(shí)間“百家爭鳴，百花齊放”的產(chǎn)品紛紛推向市場(chǎng)。經(jīng)過(guò)這兩年上路實(shí)驗情況的檢驗，大部分的產(chǎn)品均存在不同程度的問(wèn)題。

具體表現在：

1.由于對LED光源工作條件的要求不甚了解造成光衰減嚴重甚至于死燈。

2.對道路照明要求感悟不足，科學(xué)性點(diǎn)光源光學(xué)配光難點(diǎn)及對色溫在道路照明中的重要性忽略，易造成眩光，斑馬效應和在空氣污染嚴重，下雨有霧天氣的環(huán)境中，造成燈亮地面不夠亮的現象。

3.對保證LED工作條件和對電源技術(shù)性的認知程度不足，造成產(chǎn)品在電源上的故障層出不窮。

4.對當今LED路燈實(shí)用性道路的應用概念不清，盲目的與大功率氣體放電燈“媲美”不計成本的制作超大功率LED路燈，造成不切合實(shí)際的價(jià)格昂貴的路燈產(chǎn)品難以推廣。

5.對道路照明要求模糊，實(shí)際使用維護的欠考慮，造成直接使用業(yè)主的抵制。

本人針對以上問(wèn)題與大家一起討論解決方案：

對LED光源的工作環(huán)境這個(gè)問(wèn)題的討論，需具備了解LED的基本常識；發(fā)光二極管其核心是PN結。因此它具有一般P-N結的I-N特性，即正向導通，反向截止、擊穿特性。此外，在一定條件下，它還具有發(fā)光特性。在正向電壓下，電子由N區注入P區，空穴由P區注入N區。進(jìn)入對方區域的少數載流子（少子）一部分與多數載流子（多子）復合而發(fā)光，其現今大功率LED發(fā)光效率約為30％，70％將是熱能，需要將其散熱處理。大功率白光LED的結溫TJ在亮度衰減70％時(shí)與壽命的關(guān)系可看出：TJ=50℃時(shí)，壽命為90000小時(shí)，TJ=80℃時(shí)，壽命降到34000小時(shí)，TJ=115℃時(shí)，其壽命只有13300小時(shí)了。TJ在散熱設計中要提出最大允許結溫值TJmax，實(shí)際的結溫值TJ應小于或等于要求的TJmax，即TJ≤TJmax。

從以上的測試數據圖示經(jīng)測試發(fā)光二極管可正常工作的環(huán)境溫度其結溫溫度應（＜85℃）。高于此溫度范圍效率將大大降低，甚至于燒毀?？梢钥闯鰷囟葘ζ渲苯佑绊懙闹匾?。特別值得一提的是，對散熱材料的熱平衡速度要求重視度，造成光源的熱得不到有效的處理引起光衰減嚴重?，F在許多生產(chǎn)廠(chǎng)家大功率LED的熱沉散熱殼體應用基本采用不同的合金鋁材料，其導熱系數不一，一些材料的散熱速率難以滿(mǎn)足LED工作條件。不可忽略的鋁基板及導熱硅膠，硅脂材料的導熱環(huán)節，使用材料的實(shí)際壽命質(zhì)量，將直接影響LED的工作散熱條件。如何減少中間環(huán)節，直接與熱沉散熱近距離接觸將熱量快速達到平衡的有效散熱，是現今高質(zhì)量的LED燈具產(chǎn)品開(kāi)發(fā)需考慮的方向。

先從材料分析：

金屬的熱傳導系數表：

銀 429銅 401金 317鋁 237鐵 80錫 67鉛 34.8

銀熱傳導系數比較好，但缺點(diǎn)就是價(jià)格太高，純銅散熱效果則次之，但已經(jīng)算是非常優(yōu)秀的了。不過(guò)銅也有缺點(diǎn)：造價(jià)高、重量重、不耐腐蝕等。所以現在大多數散熱片都是采用輕盈堅固的鋁材料制作的，其中鋁合金的熱傳導能力最好，好的風(fēng)冷散熱器一般采用鋁合金制作。至于銅，目前市場(chǎng)上也出現了純銅的散熱器，銅的導熱性能比起鋁要快的多，但銅的散熱沒(méi)有鋁快，銅可以快速的把熱量帶走，但無(wú)法在短時(shí)間內把本身的熱量散去，另外銅的可氧化性是銅本身最大的弊病。當銅一旦出現氧化狀態(tài)，從導熱和散熱方面都會(huì )大大的下降。

從對比上看，最好的散熱材料也并不是鋁材。銅和鋁的對比中形成了一種新型的工藝——銅鋁結合。所謂的銅鋁結合就是把銅和鋁用一定的工藝完美的結合到一塊，讓銅快速的把熱量傳給鋁，再由大面積的鋁把熱量散去，這不但增充了鋁的導熱不及銅，還彌補了銅的散熱不如鋁，有機的結合從而達到急速傳熱快速散熱的效果。

多篇文章中都闡述了散熱是靠面積而不是看體積的大小，許多企業(yè)都了解了個(gè)中道理，殼體采用多層翅片散熱，但對熱沉散熱殼體的翅片忽略了防塵和積塵，日積月累將會(huì )影響殼體的散熱效果。應從在自然條件下規避積塵的最小化，不同方向的風(fēng)和雨的自然沖刷可易性和清除灰塵的粘敷性。保證熱沉殼體的散熱效果不受惡劣環(huán)境的影響，散熱通道的暢通，做到真正的長(cháng)壽命。

大家共同來(lái)探討一個(gè)設計方式：散熱是靠面積的道理顯而易見(jiàn)，是否可以將散熱面做成柱狀或多面形錐體。

在增加散熱面保證散熱效果的基礎上，解決了不同方向的風(fēng)和雨的自然沖刷可易性和清除灰塵的粘敷性的問(wèn)題，保證了熱沉殼體的散熱效果不受惡劣環(huán)境的影響。

以現在的金屬加工技術(shù)來(lái)看，機械加工是不可能做出理想化的絕對的平整表面，即便是鏡面，也有很多細小的坑凹，只是肉眼不太容易發(fā)現，除了表面上存在坑凹外，還會(huì )有很多細小雜質(zhì)，如灰塵什么的。當散熱器表面和芯片表面接觸時(shí)，存在的很多溝壑或空隙中都是空氣?？諝獾膶崮芰懿?，因此必須用其它物質(zhì)來(lái)降低熱阻，否則散熱器的性能會(huì )大打折扣，甚至無(wú)法發(fā)揮作用。

作為解決辦法，導熱介質(zhì)就應運而生了，它的作用就是填充兩個(gè)接觸表面之間大大小小的空隙，增大發(fā)熱源與散熱片的接觸面積。導熱硅脂是我們最常見(jiàn)的導熱介質(zhì)。

導熱硅脂是用來(lái)填充鋁基板與散熱片之間的空隙的材料的一種，這種材料又稱(chēng)之為熱界面材料。其作用是用來(lái)向散熱片傳導鋁基板散發(fā)出來(lái)的熱量，使鋁基板溫度保持在一個(gè)可以穩定工作的水平，防止鋁基板因為散熱不良而損毀，并延長(cháng)使用壽命。

作為一種化學(xué)物質(zhì)，導熱硅脂有著(zhù)一些反映自身特性的相關(guān)性能參數。了解這些參數的含義，大致上可以判斷一款導熱硅脂產(chǎn)品的性能高低。

導熱系數（Thermal Conductivity）

導熱系數的單位為W/m?K（或W/m?℃），表示截面積為1平方米的柱體沿軸向1米距離的溫差為1開(kāi)爾文（K=℃+273.15）時(shí)的熱傳導功率。數值越大，表明該材料的熱傳遞速度越快，導熱性能越好。

目前主流導熱硅脂的導熱系數均大于1W/m?K，優(yōu)秀的可達到6W/m?K以上，是空氣的200倍以上。但是和銅鋁這些金屬材料相比，導熱硅脂的導熱系數只有它們的1/100左右，換而言之，在整個(gè)散熱系統中，硅脂層其實(shí)是散熱瓶頸之所在。對于一個(gè)散熱系統而言，不僅是散熱器的事，導熱介質(zhì)也是很重要的組成部分：

散熱系統的總熱阻 = 散熱器熱阻 + 導熱介質(zhì)熱阻

導熱硅脂作為我們最常用的導熱介質(zhì)，其重要性不言而喻了，要降低其熱阻，一方面取決于產(chǎn)品本身的性能， 另一方面取決于對產(chǎn)品的使用。因此我們要盡量選用那些導熱性能好熱阻低的導熱硅脂，并在使用上多加注意，在保證硅脂完全填充熱源和散熱器表面空隙前提下，涂抹方式硅脂層盡可能地薄。

值得大家注意的是普通導熱硅脂在高溫環(huán)境中使用一段時(shí)間后會(huì )出現“干化”或“硬化”現象，將會(huì )大大影響散熱效果。因此在鋁基板與熱沉之間的導熱環(huán)節需重視。

有關(guān)人士正研究在熱沉材料上進(jìn)行特殊的陶瓷化處理直接安裝線(xiàn)路，經(jīng)過(guò)這樣的優(yōu)化后將會(huì )根本解決散熱的導熱環(huán)節。

從國內現有參與制作LED路燈的企業(yè)廠(chǎng)家來(lái)看，大部分是沒(méi)有制作過(guò)路燈，對路燈制作的技術(shù)具體要求較模糊，互相參照模仿，以常規傳統“蛇頭”形狀制作具多。當今LED路燈矩形狀的重量與風(fēng)阻影響著(zhù)路燈的改造安裝，在光學(xué)配光和維護要求上與其常規氣體放電燈燈具相比難度較大，特別是直接的使用方業(yè)主反應強烈，給應用推廣帶來(lái)了困難。

我從國家電光源檢測中心得到的相關(guān)信息，在諸多廠(chǎng)家送檢產(chǎn)品中就在IP防護這一項目上，絕大多數存在問(wèn)題，而且意識不到問(wèn)題的所在，認為我們的產(chǎn)品在水里都浸泡過(guò)也沒(méi)有問(wèn)題，怎么到檢測中心就出問(wèn)題？相信也有些產(chǎn)品在使用一段時(shí)間暴露出光源腔體存有水氣。我看到許多廠(chǎng)家在檢測中心排隊送檢的產(chǎn)品，感到心痛，很多彎路是可以避免的。在燈體密封結構上，在密封圈的材料選用上,飛利浦的燈具在這方面就做了專(zhuān)門(mén)的研究。

在路燈造型結構設計上，不要跟著(zhù)傳統路燈的模樣走。路燈的功能是要達到道路照明的要求，可以發(fā)揮LED光源的任意組合強項，可制作成“變形金剛”的特點(diǎn)，能真正做到“白天觀(guān)景，夜晚觀(guān)燈”的城市景觀(guān)效果。道路照明要求的是；一定的照度和路面均勻度與平均照度，常規照明燈具反射器的缺憾在路面平均照度上難以達到標準要求。在燈具出光效率的有效利用上，傳統路燈的效率標準應≥70％為合格，但實(shí)際上有一部分溢散光不能準確地控制在照射面上并且無(wú)法利用，造成光污染，有效利用率約50%，而LED路燈的光學(xué)配光可以準確控制光線(xiàn)方向，有效利用率達60%以上。

從當今大功率LED路燈點(diǎn)光源及光效的特點(diǎn)來(lái)看，要滿(mǎn)足道路照明的要求，必須要把有效的光強利用到有效的照明范圍，道路照明的燈桿間距基本在30—40m，要保證道路的平均照度要求，其點(diǎn)光源LED燈具配光要使得路面沒(méi)有斑馬效應，需進(jìn)行相應的二次光學(xué)系統配套設計。

以某款燈為例：見(jiàn)附圖；高質(zhì)量的大功率LED路燈用模塊化配套的二次光學(xué)系統可以有效控制路燈照明的平均照度，10米高時(shí)為34米×12米近似矩形光斑，光斑形狀與均勻度均能滿(mǎn)足道路照明要求。

從以上兩點(diǎn)可以看出，只要LED路燈二次光學(xué)設計合理，投向目標照射面的有效光通量和傳統路燈基本接近。

目前LED路燈的配光技術(shù)已經(jīng)有了很大的發(fā)展，有些廠(chǎng)家已經(jīng)開(kāi)發(fā)出良好的二次配光系統，而不再是單純依靠光源排列來(lái)配光，但綜合看，配光還不能做到完全合理，有些在道路內側的配光較亮，均勻度也能滿(mǎn)足要求，但人行道側環(huán)境光的亮度明顯不足，SR值明顯不符合要求，還是廠(chǎng)家設計人員對道路照明標準的要求理解不夠。

LED路燈的色溫問(wèn)題：

目前大功率LED路燈基本上是采用5000K 左右所在色溫的白光。作為道路照明光源，視覺(jué)感過(guò)分陰冷，同時(shí)遠視時(shí)觀(guān)察能力會(huì )下降，在這方面路燈使用單位最有發(fā)言權，3000K左右的黃光或暖白光是比較適合道路照明的，因此日光色的LED路燈不適合做路燈使用。

當今LED路燈在產(chǎn)品規格方面缺少統一的技術(shù)標準，目前還沒(méi)有統一的LED路燈生產(chǎn)技術(shù)標準，每個(gè)廠(chǎng)家按自己的標準生產(chǎn)自己的產(chǎn)品，彼此間是很難通用的，另外LED路燈生產(chǎn)廠(chǎng)家的燈具自成體系，光源電器組裝和燈具捆綁在一起，各自不同的工作特性難以維護，維護時(shí)必須使用原廠(chǎng)產(chǎn)品。而高壓鈉燈由于技術(shù)標準的統一，燈具、光源、電器方面通用性較強，不同廠(chǎng)家之間的產(chǎn)品可以互用，從維護角度考慮，這是非常重要，而維護對于路燈管理單位來(lái)說(shuō) 則又是重中之重，只有這樣才可以及時(shí)對故障路燈進(jìn)行維護，保證完好的亮燈率（上級部門(mén)對路燈管理考核中最重要的一項內容），同時(shí)大大降低維護成本?？梢哉f(shuō)在LED路燈目前的發(fā)展狀況下，一旦出現故障時(shí)，只能整個(gè)燈具進(jìn)行更換，除了高額成本外，而維護的時(shí)間也要大大廷長(cháng)，這對使用單位來(lái)說(shuō)的非常不利的。對燈具的維護 ，常規照明燈具要簡(jiǎn)易的多，可在現場(chǎng)直接更換光源電器，成本也較低。而當今許多生產(chǎn)廠(chǎng)家的LED路燈，可能廠(chǎng)家認為是免維護的，所以現場(chǎng)的維護就無(wú)法進(jìn)行了，維修方面真正的負擔還是交給了生產(chǎn)廠(chǎng)家。殊不知；造成產(chǎn)品難以推廣的瓶頸還是來(lái)之于直接使用單位。

針對當今LED路燈應用推廣其中的兩大難題：

1. 維護困難

2. 大功率LED電源的瓶頸

根據這兩大難點(diǎn)我個(gè)人建議；從安全、維護方便更換，規避大功率電源的質(zhì)量風(fēng)險。模塊化組合式設計一定是發(fā)展的方向。做成標準模塊化，諸如30w，40w，50w連同適合本功率電源一體化。不但解決了大功率電源的風(fēng)險，而且遇到故障換用方便。單組模塊又可以一款燈多用途，可改裝為L(cháng)ED隧道燈、LED頂棚燈、LED洗墻燈、LED投光燈、LED隧道燈等，一套方案多款燈具。

散熱材料，導熱環(huán)節和科學(xué)化的造型結構設計，在現今大功率LED路燈的制作中，值得大家去感悟。從LED路燈市場(chǎng)的置疑甚至排斥，走到了現在的嘗試與接納，我們看到了前景的曙光，但我們還需要一段路要走。隨著(zhù)大功率LED光效的不斷提高和硅基LED日新月異的發(fā)展，將根本解決半導體照明光源高價(jià)格的瓶頸，讓我們共同攜起手來(lái)摸索與探討，相信在大家的努力下，用第四代光源做出更好的LED路燈照明燈具，取代高壓鈉路燈這段路不會(huì )很遠！