浅谈大功率LED隧道灯的应用分析

引言

近年来，为了保持国民经济的持续健康发展，国家加大了基础设施建役方面的投入，如铁路、公路的建设。这样隧道灯配备的需求量与日俱增。为了节约能源、保护环境，提高隧道照明的质量， 同时也为了适应隧道营运管理的可持续发展，结合隧道特殊的照明环境和观感视觉，寻找合理新型照明理论和技能光源就显得十分必要。

1 常规隧道灯与LED 隧道灯的功能比较选择

目前隧道照明大都是采用高压钠灯作为光源，但是高压钠灯在辐射形式、显色性、视觉敏感特性、功率规格、亮度控制等方面均存在许多不足，而新兴的LED 隧道照明灯具以其优异的性能，特别是亮度的可控性，克服了高压钠灯的诸多不足，正在成为当今世界隧道照明的主流灯具。国家还出台了“十城万盏”半导体照明工程的新举措，为LED 隧道灯的发展带来了前所未有的机遇。

LED(Light Emitting Diode)即发光二极管，是一种半导体发光技术。最早研制的LED 只能发出红色的光，用于电子设备中的指示灯。随着技术的发展，如今LED 灯已能发出各种颜色的灯光，并广泛应用于多类行业，主要应用市场包括传统的显示屏和信号灯市场、背光源市场、路灯、隧道灯、汽车照明市场、室外景观照明和室内装饰照明市场、特种照明灯市场。LED 作为隧道灯光源具有其独特的优势。

(1)LED 隧道灯功耗小、节能，与传统的高压钠灯相比，其能耗节省超过40%。

(2)LED 隧道灯寿命长，在理想状态下有10 万h，而高压钠灯和荧光管的寿命只有1 万~3 万h。

(3)LED 隧道灯可靠性高，日常的养护和维修费用低，平均无故障工作时间(MTBF)高达2 万h，而高压钠灯和荧光管的平均无故障工作时间(MTBF)不到1 万h。

(4)降低了配电系统(电缆、变压器、配电箱、桥架等)的建设成本，对于长隧道、远距离供电的情况，电缆、配电设施所占成本的比例尤其大，采用LED 隧道灯由于节电可以大大降低电缆和配电设备等的投资。

(5)LED 隧道灯能实现瞬间启动，便于亮度调节，具有无频闪、启动电压范围宽等优点，可以实现多种节能方式，如根据道路、隧道的车流量智能调节照度等。

(6)高压钠灯、荧光灯、无极灯中含有汞、铅等化学性污染物，而LED 隧道灯光源不含化学污染性物质，是绿色环保的光源。

2 大功率LED 隧道灯的设计要求

(1)隧道内不管是白天或夜间均需设置基本照明。白天车辆进入隧道时，路面亮度应逐渐下降，使司机的视觉有一个适应过程，将入口段分为引入段、适应段和过渡段。

(2)确定引入段、适应段和过渡段的长度(S)，通常按车速(V)以T=2s 的适应时间来确定，可用S=VT/3.6m 来估算;出口段也应设过渡照明，在双向交通情况下和入口段相同。

(3)夜间出入口不设加强照明，洞外应设路灯照明，亮度不低于洞内基本亮度的1/2;隧道内应设应急照明，其亮度不低于基本亮度的1/10。

(4)根据中国JTJ 026-90《公路隧道设计规范》中的规定，隧道入口照明区间长度及路面最低亮度标准按如表1 要求设计。

3 大功率LED 隧道灯的设计方案

3.1 LED 光源的选择

LED 单瓦流明输出是决定LED 隧道灯是否具有实用价值的基本指标， 根据要求，LED 隧道灯所用LED 的单瓦流明数应达到80 流明以上， 在经过近三年LED 的发光效率的高速发展后，现阶段可大批量供货的LED 光效已达90lm/W 以上，且亮度还在不断地提高。表2 提供了代表目前国际最前沿的几大厂商的已量产大功率1W 白光LED 的主要技术参数。可采用OSRAM 厂商LUWW5AM 为设计光源，利用LED光源有多种不同色温可供选择的特点，选取跟日光相近色温4000~6000K 的LED 光源，能有效减少“亮洞”和“黑洞”效应。

3.2 配光设计

根据隧道照明要求， 依不同照明段采用不同的配光灯具，根据光学原理和LED 光源高指向性的特点，采用合理的配光，在满足亮度或照度要求的情况下，降低灯具的功率，达到节能的目的。

(1)隧道进口段的引入段、适应段和过渡段以及出口段采用不对称照明配光(逆光照明)，在相同的照度条件下，与普通照明相比较，能够提高路面亮度121%，同时，利用了高指向性的优势，严格控制大角度方向的光强，消除大部分眩光。

(2)在隧道的基本段，目前常见的配光分布型式有聚光型配光、侧射型配光、朗伯型配光等。不同的应用场合适用不同的配光形式，例如：道路照明宜选用蝙蝠翼型配光、射灯宜选用聚光型配光。由于隧道照明的特殊性，隧道照明中灯具的排布密度非常高，所以在隧道照明中对灯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、朗伯型配光都可以满足照度均匀度的要求，这主要是由于隧道照明中灯距比较小。图1 给出了两款LED 隧道灯的C0 方向配光图，左边为道路照明以及隧道照明中比较常用的蝙蝠翼型配光，右边为朗伯型配光。采用蝙蝠翼配光，即宽光带对称照明配光，在相同的照度条件下，与普通照明相比较，能够提高路面亮度64%，提高路面亮度均匀度。

3.3 散热设计

LED 是个光电器件，以目前处于世界前沿的大功率LED来说，其工作过程中也只有15%~20%电能转换成光能，其余大部分的电能转换成热能， 使LED 的温度升高。另一方面，LED 的流明输出随着LED 结温的升高而降低，而LED 寿命随着结温升高而缩短。所以，LED 的散热处理得好不好将直接关系到隧道灯具的使用效果和寿命。

目前大功率LED 的散热主要有三种方式： ①自然散热、加装风扇强制散热及热管加散热鳍片技术等。自然散热利用自然对流和热辐射，结构可靠，易于做防水，但是对灯体本身的结构设计要求高。②加装风扇强制散热主要利用强制对流实现散热，热散速度快，但是成本和噪音高，难做防水。③热管加散热鳍片技术主要利用热管将LED 所产生的热量迅速传导至散热鳍片而达到散热的目的，无运动部件，系统稳定，但是成本相对高。

由于隧道与一般道路相比，有其独特的性质，我们采用热管加散热鳍片技术的方式进行散热处理， 热通道垂直设计，实现模块化方式散热，使LED 结温保持在70℃以下，保证LED 长时间低光衰下稳定的工作， 提高灯具的维护系数，节约维护成本。

根据隧道内气流的流动特性，对散热腔进行不对称通风设计，保障空气对流散热，同时减少汽车产生的油烟等污质进入散热腔，吸附于散热结构导致散热效率降低。

3.4 结构设计

采用轻质的铝合金外壳，灯具重量在10kg 以下。LED 光源腔和电气腔防护等级按IP65 进行设计， 散热腔按IP23 进行设计;光源腔和散热腔采用合理的隔离方式，避免光源腔和散热腔热流的相互影响。由于隧道内空气不流通，汽车尾气掺杂其中，成分复杂，因此LED 隧道灯具应具有良好的耐腐蚀、废气、烟雾和隧道内大气中含有的其他化学物质，各结构组件外表面均进行防腐蚀处理，使其符合GB/T7000.5 的防腐要求。

3.5 电路设计

LED 的正向伏安特性和普通二极管类似，外加正向电压稍有变化，其正向电流将产生很大变化，致使LED 内部损耗及发热快速上升，严重影响LED 的正常工作和寿命。为了防止这种情况发生， 大功率LED 一般必须采用恒流方式供电。为了尽可能提高电流源的效率，减少发热，电流源的输入电压必须得到合理控制，使其最大值在扣除内部压降后同电流一样，也与LED 需要的总电压相匹配。内部损耗小了，电流源的可靠性才能得到保障。

隧道照明一般都需要大量的灯具，电力消耗巨大，为了节能和减少对电网的“污染”，LED 隧道灯的驱动器还要求其功率因数和产生的谐波必须满足相关的标准要求，并适当考虑电磁干扰和电磁兼容。

(1)采用高转换效率、高稳定性的电源，转换效率大于87%，功率因素大于95%，抗外界电网电压波动能力强的开关电源(96~264V)，配以恒流电路设计，以恒流方式驱动LED光源，保证LED 的使用寿命。

(2)采用适合隧道照明的控制电路，使灯具按隧道不同照明段和不同时间段进行功率的调节，达到良好的照明效果和节能的目的。对隧道进口段的引入段、适应段、过渡段以及出口段采用不同的电流进行驱动，使其尽量接近隧道照明曲线要求，达到最好的照明效果;对隧道进口段和出口段采用定时调节功能， 通过PWM 调光调节输出电流或是采用双电源供电，晚上则以单电源供电，使其功率降低为白天照明的50%，无论在白天和黑夜，都有效减小“亮洞”和“黑洞”现象。

4 结语

大功率隧道照明LED 光源的生产开发，设计应用，为国家铁路、公路隧道照明增添广扩的市场，它不但为我国隧道新光源的应用填补了空白，而且在低碳节能环保的道路上又迈进的一步，值得全面推广应用。