引言
近年來，為了保持國民經濟的持續(xù)健康發(fā)展，國家加大了基礎設施建役方面的投入，如鐵路、公路的建設。這樣隧道燈配備的需求量與日俱增。為了節(jié)約能源、保護環(huán)境，提高隧道照明的質量， 同時也為了適應隧道營運管理的可持續(xù)發(fā)展，結合隧道特殊的照明環(huán)境和觀感視覺，尋找合理新型照明理論和技能光源就顯得十分必要。
1 常規(guī)隧道燈與LED 隧道燈的功能比較選擇
目前隧道照明大都是采用高壓鈉燈作為光源，但是高壓鈉燈在輻射形式、顯色性、視覺敏感特性、功率規(guī)格、亮度控制等方面均存在許多不足，而新興的LED 隧道照明燈具以其優(yōu)異的性能，特別是亮度的可控性，克服了高壓鈉燈的諸多不足，正在成為當今世界隧道照明的主流燈具。國家還出臺了“十城萬盞”半導體照明工程的新舉措，為LED 隧道燈的發(fā)展帶來了前所未有的機遇。
LED(Light Emitting Diode)即發(fā)光二極管，是一種半導體發(fā)光技術。最早研制的LED 只能發(fā)出紅色的光，用于電子設備中的指示燈。隨著技術的發(fā)展，如今LED 燈已能發(fā)出各種顏色的燈光，并廣泛應用于多類行業(yè)，主要應用市場包括傳統(tǒng)的顯示屏和信號燈市場、背光源市場、路燈、隧道燈、汽車照明市場、室外景觀照明和室內裝飾照明市場、特種照明燈市場。LED 作為隧道燈光源具有其獨特的優(yōu)勢。
(1)LED 隧道燈功耗小、節(jié)能，與傳統(tǒng)的高壓鈉燈相比，其能耗節(jié)省超過40%。
(2)LED 隧道燈壽命長，在理想狀態(tài)下有10 萬h，而高壓鈉燈和熒光管的壽命只有1 萬~3 萬h。
(3)LED 隧道燈可靠性高，日常的養(yǎng)護和維修費用低，平均無故障工作時間(MTBF)高達2 萬h，而高壓鈉燈和熒光管的平均無故障工作時間(MTBF)不到1 萬h。
(4)降低了配電系統(tǒng)(電纜、變壓器、配電箱、橋架等)的建設成本，對于長隧道、遠距離供電的情況，電纜、配電設施所占成本的比例尤其大，采用LED 隧道燈由于節(jié)電可以大大降低電纜和配電設備等的投資。
(5)LED 隧道燈能實現瞬間啟動，便于亮度調節(jié)，具有無頻閃、啟動電壓范圍寬等優(yōu)點，可以實現多種節(jié)能方式，如根據道路、隧道的車流量智能調節(jié)照度等。
(6)高壓鈉燈、熒光燈、無極燈中含有汞、鉛等化學性污染物，而LED 隧道燈光源不含化學污染性物質，是綠色環(huán)保的光源。
2 大功率LED 隧道燈的設計要求
(1)隧道內不管是白天或夜間均需設置基本照明。白天車輛進入隧道時，路面亮度應逐漸下降，使司機的視覺有一個適應過程，將入口段分為引入段、適應段和過渡段。
(2)確定引入段、適應段和過渡段的長度(S)，通常按車速(V)以T=2s 的適應時間來確定，可用S=VT/3.6m 來估算;出口段也應設過渡照明，在雙向交通情況下和入口段相同。
(3)夜間出入口不設加強照明，洞外應設路燈照明，亮度不低于洞內基本亮度的1/2;隧道內應設應急照明，其亮度不低于基本亮度的1/10。
(4)根據中國JTJ 026-90《公路隧道設計規(guī)范》中的規(guī)定，隧道入口照明區(qū)間長度及路面最低亮度標準按如表1 要求設計。
3 大功率LED 隧道燈的設計方案
3.1 LED 光源的選擇
LED 單瓦流明輸出是決定LED 隧道燈是否具有實用價值的基本指標， 根據要求，LED 隧道燈所用LED 的單瓦流明數應達到80 流明以上， 在經過近三年LED 的發(fā)光效率的高速發(fā)展后，現階段可大批量供貨的LED 光效已達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大功率1W 白光LED 的主要技術參數?？刹捎肙SRAM 廠商LUWW5AM 為設計光源，利用LED光源有多種不同色溫可供選擇的特點，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。
3.2 配光設計
根據隧道照明要求， 依不同照明段采用不同的配光燈具，根據光學原理和LED 光源高指向性的特點，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，達到節(jié)能的目的。
(1)隧道進口段的引入段、適應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，利用了高指向性的優(yōu)勢，嚴格控制大角度方向的光強，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、側射型配光、朗伯型配光等。不同的應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 散熱設計
LED 是個光電器件，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%電能轉換成光能，其余大部分的電能轉換成熱能， 使LED 的溫度升高。另一方面，LED 的流明輸出隨著LED 結溫的升高而降低，而LED 壽命隨著結溫升高而縮短。所以，LED 的散熱處理得好不好將直接關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、加裝風扇強制散熱及熱管加散熱鰭片技術等。自然散熱利用自然對流和熱輻射，結構可靠，易于做防水，但是對燈體本身的結構設計要求高。②加裝風扇強制散熱主要利用強制對流實現散熱，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主要利用熱管將LED 所產生的熱量迅速傳導至散熱鰭片而達到散熱的目的，無運動部件，系統(tǒng)穩(wěn)定，但是成本相對高。
由于隧道與一般道路相比，有其獨特的性質，我們采用熱管加散熱鰭片技術的方式進行散熱處理， 熱通道垂直設計，實現模塊化方式散熱，使LED 結溫保持在70℃以下，保證LED 長時間低光衰下穩(wěn)定的工作， 提高燈具的維護系數，節(jié)約維護成本。[!--empirenews.page--]
根據隧道內氣流的流動特性，對散熱腔進行不對稱通風設計，保障空氣對流散熱，同時減少汽車產生的油煙等污質進入散熱腔，吸附于散熱結構導致散熱效率降低。
3.4 結構設計
采用輕質的鋁合金外殼，燈具重量在10kg 以下。LED 光源腔和電氣腔防護等級按IP65 進行設計， 散熱腔按IP23 進行設計;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。由于隧道內空氣不流通，汽車尾氣摻雜其中，成分復雜，因此LED 隧道燈具應具有良好的耐腐蝕、廢氣、煙霧和隧道內大氣中含有的其他化學物質，各結構組件外表面均進行防腐蝕處理，使其符合GB/T7000.5 的防腐要求。
3.5 電路設計
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，其正向電流將產生很大變化，致使LED 內部損耗及發(fā)熱快速上升，嚴重影響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部壓降后同電流一樣，也與LED 需要的總電壓相匹配。內部損耗小了，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)能和減少對電網的“污染”，LED 隧道燈的驅動器還要求其功率因數和產生的諧波必須滿足相關的標準要求，并適當考慮電磁干擾和電磁兼容。
(1)采用高轉換效率、高穩(wěn)定性的電源，轉換效率大于87%，功率因素大于95%，抗外界電網電壓波動能力強的開關電源(96~264V)，配以恒流電路設計，以恒流方式驅動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間段進行功率的調節(jié)，達到良好的照明效果和節(jié)能的目的。對隧道進口段的引入段、適應段、過渡段以及出口段采用不同的電流進行驅動，使其盡量接近隧道照明曲線要求，達到最好的照明效果;對隧道進口段和出口段采用定時調節(jié)功能， 通過PWM 調光調節(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”現象。
4 結語
大功率隧道照明LED 光源的生產開發(fā)，設計應用，為國家鐵路、公路隧道照明增添廣擴的市場，它不但為我國隧道新光源的應用填補了空白，而且在低碳節(jié)能環(huán)保的道路上又邁進的一步，值得全面推廣應用。
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