大功率白光LED路灯照明系统模拟设计

　摘要： 以大功率白光发光二极管（LED）为光源， 利用光学软件Trace Pro 模拟设计出满足特定功率和照度要求的路灯照明系统， 并通过实验验证其可行性。该模拟系统对实际开发具有指导意义。

　　1 引言

　　路灯是城市户外照明中重要的一支， 目前， 路灯光源一般都采用高压钠灯或金卤灯， 功率都为几百瓦或以上， 耗电程度较大， 寿命不长， 维修工作量较大。发光二极管（LED） 是一种半导体发光固体器件， 它具有工作电压低、体积小、可靠性高、寿命长、转换效率高和环保等优点， 作为一种“绿色光源”， 其在路灯照明系统上的运用将一改传统路灯的各种缺点， 是未来照明领域发展的趋势。如今，将白光LED 运用在如路灯照明系统等户外照明上的实例较少， 因此， 研制开发一种节能型大功率LED路灯系统极具市场价值。为避免实际开发的盲目性，降低开发成本， 进行模型模拟设计很有必要， 能为接下来大功率LED 路灯的实际开发提供指导性的理论基础。

　　2 设计要求及思路

　　结合实际情况， 对大功率LED 路灯系统的设计提出以下设计要求： 如图1 所示， 系统总功率低于150 W， 路灯安装高度h=8 m， 垂直路面（O 点处附近区域） 最高照度达15 lx 以上， 距路灯安装处的路面横向距离s=15 m 处（P 点处小区域） 照度达3 lx以上， 距路灯安装处的路面纵向距离r=10 m 处（Q 点处小区域） 照度达3 lx 以上。

图1 路灯结构图

　　把LED 作为光源应用于照明领域， 一般将多个LED 以一定的形状阵列排布， 对每个LED 到达目标平面的光线叠加可以得到目标平面的光照度分布。

　　所需阵列LED 数量决定于整个系统的总功率限制、目标面的光照度要求及照明光学系统的空间光强分布要求。考虑到成本和节能， 在达到照明要求的前提下希望尽量减少LED 的数量， 这就涉及到LED 阵列的合理排布， 包括选取LED 间隔尺寸及确定LED的出光角度。

　　3 系统模拟设计

　　3.1 单颗LED 建模

　　选择1 W 大功率贴片LED 为光源， 按1∶1 比例构建其模拟模型。模型由LED 发光芯片、外环氧树脂封装、底座三部分组成。LED 发光芯片的一面设为光强有角度分布的发光面， 总光通量设为55 lm， 外环氧树脂折射率为1.55。实验证明， LED 发光芯片的位置放置决定着模型的出射光线的角分布特征。经多次调整， 基本达到了样品LED 的角分布参数， 最终模型如图2 所示。

图2 单颗LED 模拟模型（左） 及其光线模拟图（右）

　　3.2 光照均匀度模拟

　　LED 间的间距选择在很大程度上影响路面光照度的均匀性及照明系统的照明效果。合理选择LED间距可避免设计的盲目性， 模型如图3 所示。

　　以两个LED 组合为例， 模拟不同间距下的光照度分布得出： 随着LED 间距的增大， 参考平面中心的照度缓慢下降， 间距d 为90 mm 时， 照度分布曲线变平坦（如图4 所示）， 两LED 之间区域的光照度均匀性较好。在对多LED 进行阵列分布设计时， 出于光照度均匀性的考虑， 尽量要做到LED 间的间距不超过90 mm。

图3 两个LED 模拟模型

图4 LED间距d=90 mm时的照度图

　3.3 路灯LED 阵列方案设计

　　路灯系统安装时的仰角θ 和悬挑长度d 选定为目前普通路灯的θ 和d 的取值（θ=15°和d=1.5 m）。结合路面照明在纵向的照度要求的设计方案， 阵列采用以横向对称结构， 由130 颗LED 组成， 左右两边各65 颗， 每颗LED 的光通量为55 lm， 因此每边的总光能量为3 575 lm。设计的重点在于使这些光尽量多地投射在有效的目标平面。每边结构由2 块底板和3 个反光板组成。选定LED 间距d=60 mm， 靠近灯杆的底板1 上7 列×5 颗的LED 阵列均匀排布， 另一底板2 为7 列×5 颗均匀排布； θ＝0°时底板1 和2与路面夹角分别为65°和60°。两底板两侧配装两个与板垂直的反光板， 伸出长度均为300 mm。底板2左侧再附上一块当θ＝0°时与路面成120°， 长700 mm的反光板。系统外观如图5 所示。[!--empirenews.page--]

图5 系统左右边结构外观图

　　4 系统模拟分析

　　设定每颗LED 的出光光线为20 000， 8 m 远处20 m×32 m 区域的照度分布如图6 所示。显然， 图6对应于图2-1 中O， P 和Q 点处的照度要求都达到了预期设计目的。为便进一步分析， 在图7 中勾勒出3 lx 以上点的区域。

　　在（-15 000， 10 000） 小区域内， 即离灯的最远端为照明区域的最暗区， 照度在3 lx 以下。这其实并无影响， 因为实际应用中并非只有一盏灯工作。

　　对要求最苛刻的一种交错排列安装路灯排列方式进行分析， 选择两个路灯系统相邻的各一边结构进行路面照度模拟， 结果如图8。

　　同样勾勒出路面上照度＞3 lx 的区域， 如图9，效果更加令人满意。

图6 路灯系统在路面区域的模拟照度分布

图7 图6中照度＞3 lx的区域

图8 两个路灯系统交错安装的路面模拟照度分布

图9 图8中照度＞3 lx的区域。

　　5 总结与分析

　　（1） 功率： 整个系统由130 颗1 W LED 组成，功率总消耗130 W， 满足低于150 W 的设计要求。

　　对比传统的基于高压钠灯或金卤灯的路灯系统， 耗电不到传统路灯的26%， 大大节约了电能。而且，基于LED 封装的路灯系统寿命可达10 万小时， 是传统路灯远远不能及的， 前景非常乐观。

　　（2） 照度： 该系统能达到在几个预期点的照度要求。系统在路面所能达到照明区域的各项照度亮度参考值为： 平均照度8.7 lx； 照度均匀度0.345；平均亮度0.484 cd/m2； 亮度均匀度0.345。对比公路路面照明水平标准[3]可知， 该模拟系统基本可达到次于公路的照明要求。由系统模拟分析可知， 结合多盏路灯在路面上的交错排列安装方式， 能达到更佳的照明效果。

　　（3） 实验： 我们选取模拟系统LED 阵列中的两列共10 颗LED 进行实际制作， 把测得的数据和相对应的模拟数据进行对比分析（鉴于篇幅， 这部分实验和模拟数据没有列出）， 结果无论从具体数据差值和大致的趋势变化上看， 模拟模型和实际系统在各个参数上都达到了很好的一致性。因此得出结论， 整个路灯系统模拟模型具有实际开发指导作用。

　　综上所述， 基于大功率LED 的路灯照明模拟系统很好地满足了设计之前提出的各项要求， 并通过实验验证了其可行性， 给课题接下来的路灯实际开发应用奠定了基础， 起到了指导性作用。