大功率白光LED路燈照明系統模擬設計

　摘要： 以大功率白光發光二極管（LED）為光源， 利用光學軟件Trace Pro 模擬設計出滿足特定功率和照度要求的路燈照明系統， 并通過實驗驗證其可行性。該模擬系統對實際開發具有指導意義。

　　1 引言

　　路燈是城市戶外照明中重要的一支， 目前， 路燈光源一般都采用高壓鈉燈或金鹵燈， 功率都為幾百瓦或以上， 耗電程度較大， 壽命不長， 維修工作量較大。發光二極管（LED） 是一種半導體發光固體器件， 它具有工作電壓低、體積小、可靠性高、壽命長、轉換效率高和環保等優點， 作為一種“綠色光源”， 其在路燈照明系統上的運用將一改傳統路燈的各種缺點， 是未來照明領域發展的趨勢。如今，將白光LED 運用在如路燈照明系統等戶外照明上的實例較少， 因此， 研制開發一種節能型大功率LED路燈系統極具市場價值。為避免實際開發的盲目性，降低開發成本， 進行模型模擬設計很有必要， 能為接下來大功率LED 路燈的實際開發提供指導性的理論基礎。

　　2 設計要求及思路

　　結合實際情況， 對大功率LED 路燈系統的設計提出以下設計要求： 如圖1 所示， 系統總功率低于150 W， 路燈安裝高度h=8 m， 垂直路面（O 點處附近區域） 最高照度達15 lx 以上， 距路燈安裝處的路面橫向距離s=15 m 處（P 點處小區域） 照度達3 lx以上， 距路燈安裝處的路面縱向距離r=10 m 處（Q 點處小區域） 照度達3 lx 以上。

圖1 路燈結構圖

　　把LED 作為光源應用于照明領域， 一般將多個LED 以一定的形狀陣列排布， 對每個LED 到達目標平面的光線疊加可以得到目標平面的光照度分布。

　　所需陣列LED 數量決定于整個系統的總功率限制、目標面的光照度要求及照明光學系統的空間光強分布要求。考慮到成本和節能， 在達到照明要求的前提下希望盡量減少LED 的數量， 這就涉及到LED 陣列的合理排布， 包括選取LED 間隔尺寸及確定LED的出光角度。

　　3 系統模擬設計

　　3.1 單顆LED 建模

　　選擇1 W 大功率貼片LED 為光源， 按1∶1 比例構建其模擬模型。模型由LED 發光芯片、外環氧樹脂封裝、底座三部分組成。LED 發光芯片的一面設為光強有角度分布的發光面， 總光通量設為55 lm， 外環氧樹脂折射率為1.55。實驗證明， LED 發光芯片的位置放置決定著模型的出射光線的角分布特征。經多次調整， 基本達到了樣品LED 的角分布參數， 最終模型如圖2 所示。

圖2 單顆LED 模擬模型（左） 及其光線模擬圖（右）

　　3.2 光照均勻度模擬

　　LED 間的間距選擇在很大程度上影響路面光照度的均勻性及照明系統的照明效果。合理選擇LED間距可避免設計的盲目性， 模型如圖3 所示。

　　以兩個LED 組合為例， 模擬不同間距下的光照度分布得出： 隨著LED 間距的增大， 參考平面中心的照度緩慢下降， 間距d 為90 mm 時， 照度分布曲線變平坦（如圖4 所示）， 兩LED 之間區域的光照度均勻性較好。在對多LED 進行陣列分布設計時， 出于光照度均勻性的考慮， 盡量要做到LED 間的間距不超過90 mm。

圖3 兩個LED 模擬模型