淺談大功率LED隧道燈的應(yīng)用分析

引言

近年來(lái)，為了保持國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)健康發(fā)展，國(guó)家加大了基礎(chǔ)設(shè)施建役方面的投入，如鐵路、公路的建設(shè)。這樣隧道燈配備的需求量與日俱增。為了節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境，提高隧道照明的質(zhì)量， 同時(shí)也為了適應(yīng)隧道營(yíng)運(yùn)管理的可持續(xù)發(fā)展，結(jié)合隧道特殊的照明環(huán)境和觀感視覺(jué)，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(jué)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(dāng)今世界隧道照明的主流燈具。國(guó)家還出臺(tái)了“十城萬(wàn)盞”半導(dǎo)體照明工程的新舉措，為L(zhǎng)ED 隧道燈的發(fā)展帶來(lái)了前所未有的機(jī)遇。

LED(Light Emitting Diode)即發(fā)光二極管，是一種半導(dǎo)體發(fā)光技術(shù)。最早研制的LED 只能發(fā)出紅色的光，用于電子設(shè)備中的指示燈。隨著技術(shù)的發(fā)展，如今LED 燈已能發(fā)出各種顏色的燈光，并廣泛應(yīng)用于多類行業(yè)，主要應(yīng)用市場(chǎng)包括傳統(tǒng)的顯示屏和信號(hào)燈市場(chǎng)、背光源市場(chǎng)、路燈、隧道燈、汽車照明市場(chǎng)、室外景觀照明和室內(nèi)裝飾照明市場(chǎng)、特種照明燈市場(chǎng)。LED 作為隧道燈光源具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

(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(guò)40%。

(2)LED 隧道燈壽命長(zhǎng)，在理想狀態(tài)下有10 萬(wàn)h，而高壓鈉燈和熒光管的壽命只有1 萬(wàn)~3 萬(wàn)h。

(3)LED 隧道燈可靠性高，日常的養(yǎng)護(hù)和維修費(fèi)用低，平均無(wú)故障工作時(shí)間(MTBF)高達(dá)2 萬(wàn)h，而高壓鈉燈和熒光管的平均無(wú)故障工作時(shí)間(MTBF)不到1 萬(wàn)h。

(4)降低了配電系統(tǒng)(電纜、變壓器、配電箱、橋架等)的建設(shè)成本，對(duì)于長(zhǎng)隧道、遠(yuǎn)距離供電的情況，電纜、配電設(shè)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(shè)備等的投資。

(5)LED 隧道燈能實(shí)現(xiàn)瞬間啟動(dòng)，便于亮度調(diào)節(jié)，具有無(wú)頻閃、啟動(dòng)電壓范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)多種節(jié)能方式，如根據(jù)道路、隧道的車流量智能調(diào)節(jié)照度等。

(6)高壓鈉燈、熒光燈、無(wú)極燈中含有汞、鉛等化學(xué)性污染物，而LED 隧道燈光源不含化學(xué)污染性物質(zhì)，是綠色環(huán)保的光源。

2 大功率LED 隧道燈的設(shè)計(jì)要求

(1)隧道內(nèi)不管是白天或夜間均需設(shè)置基本照明。白天車輛進(jìn)入隧道時(shí)，路面亮度應(yīng)逐漸下降，使司機(jī)的視覺(jué)有一個(gè)適應(yīng)過(guò)程，將入口段分為引入段、適應(yīng)段和過(guò)渡段。

(2)確定引入段、適應(yīng)段和過(guò)渡段的長(zhǎng)度(S)，通常按車速(V)以T=2s 的適應(yīng)時(shí)間來(lái)確定，可用S=VT/3.6m 來(lái)估算;出口段也應(yīng)設(shè)過(guò)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(shè)加強(qiáng)照明，洞外應(yīng)設(shè)路燈照明，亮度不低于洞內(nèi)基本亮度的1/2;隧道內(nèi)應(yīng)設(shè)應(yīng)急照明，其亮度不低于基本亮度的1/10。

(4)根據(jù)中國(guó)JTJ 026-90《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中的規(guī)定，隧道入口照明區(qū)間長(zhǎng)度及路面最低亮度標(biāo)準(zhǔn)按如表1 要求設(shè)計(jì)。

3 大功率LED 隧道燈的設(shè)計(jì)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(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(guò)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(guó)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(guò)渡段以及出口段采用不對(duì)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(shì)，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(jiàn)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(chǎng)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(duì)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(duì)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(lái)說(shuō)，其工作過(guò)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(duì)流和熱輻射，結(jié)構(gòu)可靠，易于做防水，但是對(duì)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(duì)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(wú)運(yùn)動(dòng)部件，系統(tǒng)穩(wěn)定，但是成本相對(duì)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(zhǎng)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。[!--empirenews.page--]

根據(jù)隧道內(nèi)氣流的流動(dòng)特性，對(duì)散熱腔進(jìn)行不對(duì)稱通風(fēng)設(shè)計(jì)，保障空氣對(duì)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(jí)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(duì)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(kāi)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(duì)隧道進(jìn)口段的引入段、適應(yīng)段、過(guò)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(duì)隧道進(jìn)口段和出口段采用定時(shí)調(diào)節(jié)功能， 通過(guò)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(wú)論在白天和黑夜，都有效減小“亮洞”和“黑洞”現(xiàn)象。

4 結(jié)語(yǔ)

大功率隧道照明LED 光源的生產(chǎn)開(kāi)發(fā)，設(shè)計(jì)應(yīng)用，為國(guó)家鐵路、公路隧道照明增添廣擴(kuò)的市場(chǎng)，它不但為我國(guó)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。