大功率白光LED路灯照明系统模拟设计

文章出处： 发布时间： 2011/08/31 | 459 次阅读 | 3次推荐 | 0条留言

　　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

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