大功率白光LED路燈照明系統模擬設計

　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 模擬設計出滿(mǎn)足特定功率和照度要求的路燈照明系統， 并通過(guò)實(shí)驗驗證其可行性。該模擬系統對實(shí)際開(kāi)發(fā)具有指導意義。

　　1 引言

　　路燈是城市戶(hù)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(cháng)， 維修工作量較大。發(fā)光二極管（LED） 是一種半導體發(fā)光固體器件， 它具有工作電壓低、體積小、可靠性高、壽命長(cháng)、轉換效率高和環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)， 作為一種“綠色光源”， 其在路燈照明系統上的運用將一改傳統路燈的各種缺點(diǎn)， 是未來(lái)照明領(lǐng)域發(fā)展的趨勢。如今，將白光LED 運用在如路燈照明系統等戶(hù)外照明上的實(shí)例較少， 因此， 研制開(kāi)發(fā)一種節能型大功率LED路燈系統極具市場(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)行模型模擬設計很有必要， 能為接下來(lái)大功率LED 路燈的實(shí)際開(kāi)發(fā)提供指導性的理論基礎。

　　2 設計要求及思路

　　結合實(shí)際情況， 對大功率LED 路燈系統的設計提出以下設計要求： 如圖1 所示， 系統總功率低于150 W， 路燈安裝高度h=8 m， 垂直路面（O 點(diǎn)處附近區域） 最高照度達15 lx 以上， 距路燈安裝處的路面橫向距離s=15 m 處（P 點(diǎn)處小區域） 照度達3 lx以上， 距路燈安裝處的路面縱向距離r=10 m 處（Q 點(diǎn)處小區域） 照度達3 lx 以上。

圖1 路燈結構圖

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

　　所需陣列LED 數量決定于整個(gè)系統的總功率限制、目標面的光照度要求及照明光學(xué)系統的空間光強分布要求?？紤]到成本和節能， 在達到照明要求的前提下希望盡量減少LED 的數量， 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 系統模擬設計

　　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)光芯片的一面設為光強有角度分布的發(fā)光面， 總光通量設為55 lm， 外環(huán)氧樹(shù)脂折射率為1.55。實(shí)驗證明， LED 發(fā)光芯片的位置放置決定著(zhù)模型的出射光線(xiàn)的角分布特征。經(jīng)多次調整， 基本達到了樣品LED 的角分布參數， 最終模型如圖2 所示。

圖2 單顆LED 模擬模型（左） 及其光線(xiàn)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的照明效果。合理選擇LED間距可避免設計的盲目性， 模型如圖3 所示。

　　以?xún)蓚€(gè)LED 組合為例， 模擬不同間距下的光照度分布得出： 隨著(zhù)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(xiàn)變平坦（如圖4 所示）， 兩LED 之間區域的光照度均勻性較好。在對多LED 進(jìn)行陣列分布設計時(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