3大功率LED隧道燈的設(shè)計(jì)方案
3.1LED光源的選擇
LED單瓦流明輸出是決定LED隧道燈是否具有實(shí)用價(jià)值的基本指標(biāo),根據(jù)要求,LED隧道燈所用LED的單瓦流明數(shù)應(yīng)達(dá)到80流明以上,在經(jīng)過近三年LED的發(fā)光效率的高速發(fā)展后,現(xiàn)階段可大批量供貨的LED光效已達(dá)90lm/W以上,且亮度還在不斷地提高。表2提供了代表目前國際最前沿的幾大廠商的已量產(chǎn)大功率1W白光LED的主要技術(shù)參數(shù)??刹捎肙SRAM廠商LUWW5AM為設(shè)計(jì)光源,利用LED光源有多種不同色溫可供選擇的特點(diǎn),選取跟日光相近色溫4000~6000K的LED光源,能有效減少“亮洞”和“黑洞”效應(yīng)。
3.2配光設(shè)計(jì)
根據(jù)隧道照明要求,依不同照明段采用不同的配光燈具,根據(jù)光學(xué)原理和LED光源高指向性的特點(diǎn),采用合理的配光,在滿足亮度或照度要求的情況下,降低燈具的功率,達(dá)到節(jié)能的目的。
(1)隧道進(jìn)口段的引入段、適應(yīng)段和過渡段以及出口段采用不對稱照明配光(逆光照明),在相同的照度條件下,與普通照明相比較,能夠提高路面亮度121%,同時(shí),利用了高指向性的優(yōu)勢,嚴(yán)格控制大角度方向的光強(qiáng),消除大部分眩光。
(2)在隧道的基本段,目前常見的配光分布型式有聚光型配光、側(cè)射型配光、朗伯型配光等。不同的應(yīng)用場合適用不同的配光形式,例如:道路照明宜選用蝙蝠翼型配光、射燈宜選用聚光型配光。由于隧道照明的特殊性,隧道照明中燈具的排布密度非常高,所以在隧道照明中對燈具的二次配光形式不同于一般的道路照明。在隧道照明中蝙蝠翼型配光、朗伯型配光都可以滿足照度均勻度的要求,這主要是由于隧道照明中燈距比較小。圖1給出了兩款LED隧道燈的C0方向配光圖,左邊為道路照明以及隧道照明中比較常用的蝙蝠翼型配光,右邊為朗伯型配光。采用蝙蝠翼配光,即寬光帶對稱照明配光,在相同的照度條件下,與普通照明相比較,能夠提高路面亮度64%,提高路面亮度均勻度。
3.3散熱設(shè)計(jì)
LED是個(gè)光電器件,以目前處于世界前沿的大功率LED來說,其工作過程中也只有15%~20%電能轉(zhuǎn)換成光能,其余大部分的電能轉(zhuǎn)換成熱能,使LED的溫度升高。另一方面,LED的流明輸出隨著LED結(jié)溫的升高而降低,而LED壽命隨著結(jié)溫升高而縮短。所以,LED的散熱處理得好不好將直接關(guān)系到隧道燈具的使用效果和壽命。
目前大功率LED的散熱主要有三種方式:①自然散熱、加裝風(fēng)扇強(qiáng)制散熱及熱管加散熱鰭片技術(shù)等。自然散熱利用自然對流和熱輻射,結(jié)構(gòu)可靠,易于做防水,但是對燈體本身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求高。②加裝風(fēng)扇強(qiáng)制散熱主要利用強(qiáng)制對流實(shí)現(xiàn)散熱,熱散速度快,但是成本和噪音高,難做防水。③熱管加散熱鰭片技術(shù)主要利用熱管將LED所產(chǎn)生的熱量迅速傳導(dǎo)至散熱鰭片而達(dá)到散熱的目的,無運(yùn)動(dòng)部件,系統(tǒng)穩(wěn)定,但是成本相對高。
由于隧道與一般道路相比,有其獨(dú)特的性質(zhì),我們采用熱管加散熱鰭片技術(shù)的方式進(jìn)行散熱處理,熱通道垂直設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)模塊化方式散熱,使LED結(jié)溫保持在70℃以下,保證LED長時(shí)間低光衰下穩(wěn)定的工作,提高燈具的維護(hù)系數(shù),節(jié)約維護(hù)成本。
根據(jù)隧道內(nèi)氣流的流動(dòng)特性,對散熱腔進(jìn)行不對稱通風(fēng)設(shè)計(jì),保障空氣對流散熱,同時(shí)減少汽車產(chǎn)生的油煙等污質(zhì)進(jìn)入散熱腔,吸附于散熱結(jié)構(gòu)導(dǎo)致散熱效率降低。
3.4結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
采用輕質(zhì)的鋁合金外殼,燈具重量在10kg以下。LED光源腔和電氣腔防護(hù)等級按IP65進(jìn)行設(shè)計(jì),散熱腔按IP23進(jìn)行設(shè)計(jì);光源腔和散熱腔采用合理的隔離方式,避免光源腔和散熱腔熱流的相互影響。由于隧道內(nèi)空氣不流通,汽車尾氣摻雜其中,成分復(fù)雜,因此LED隧道燈具應(yīng)具有良好的耐腐蝕、廢氣、煙霧和隧道內(nèi)大氣中含有的其他化學(xué)物質(zhì),各結(jié)構(gòu)組件外表面均進(jìn)行防腐蝕處理,使其符合GB/T7000.5的防腐要求。
3.5電路設(shè)計(jì)
LED的正向伏安特性和普通二極管類似,外加正向電壓稍有變化,其正向電流將產(chǎn)生很大變化,致使LED內(nèi)部損耗及發(fā)熱快速上升,嚴(yán)重影響LED的正常工作和壽命。為了防止這種情況發(fā)生,大功率LED一般必須采用恒流方式供電。為了盡可能提高電流源的效率,減少發(fā)熱,電流源的輸入電壓必須得到合理控制,使其最大值在扣除內(nèi)部壓降后同電流一樣,也與LED需要的總電壓相匹配。內(nèi)部損耗小了,電流源的可靠性才能得到保障。
隧道照明一般都需要大量的燈具,電力消耗巨大,為了節(jié)能和減少對電網(wǎng)的“污染”,LED隧道燈的驅(qū)動(dòng)器還要求其功率因數(shù)和產(chǎn)生的諧波必須滿足相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)要求,并適當(dāng)考慮電磁干擾和電磁兼容。
(1)采用高轉(zhuǎn)換效率、高穩(wěn)定性的電源,轉(zhuǎn)換效率大于87%,功率因素大于95%,抗外界電網(wǎng)電壓波動(dòng)能力強(qiáng)的開關(guān)電源(96~264V),配以恒流電路設(shè)計(jì),以恒流方式驅(qū)動(dòng)LED光源,保證LED的使用壽命。
(2)采用適合隧道照明的控制電路,使燈具按隧道不同照明段和不同時(shí)間段進(jìn)行功率的調(diào)節(jié),達(dá)到良好的照明效果和節(jié)能的目的。對隧道進(jìn)口段的引入段、適應(yīng)段、過渡段以及出口段采用不同的電流進(jìn)行驅(qū)動(dòng),使其盡量接近隧道照明曲線要求,達(dá)到最好的照明效果;對隧道進(jìn)口段和出口段采用定時(shí)調(diào)節(jié)功能,通過PWM調(diào)光調(diào)節(jié)輸出電流或是采用雙電源供電,晚上則以單電源供電,使其功率降低為白天照明的50%,無論在白天和黑夜,都有效減小“亮洞”和“黑洞”現(xiàn)象。
4結(jié)語
大功率隧道照明LED光源的生產(chǎn)開發(fā),設(shè)計(jì)應(yīng)用,為國家鐵路、公路隧道照明增添廣擴(kuò)的市場,它不但為我國隧道新光源的應(yīng)用填補(bǔ)了空白,而且在低碳節(jié)能環(huán)保的道路上又邁進(jìn)的一步,值得全面推廣應(yīng)用。
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