前言

　　商品化的,、發(fā)光效率大于100 lm/W 的照明級(jí)高亮度白光LED（HBW-LED,，以下簡(jiǎn)稱(chēng)為L(zhǎng)ED）技術(shù)的飛速發(fā)展,，為第四代照明帶來(lái)了前所未有的機(jī)遇,，是一種具有廣泛應(yīng)用前景,、性能優(yōu)良的道路照明光源,。

　　雖然如此,，應(yīng)該看到在實(shí)際使用中，人們不僅對(duì)道路照明的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境,、照明舒適度以及照明節(jié)能的要求越來(lái)越高,，而且對(duì)品種豐富多樣、功率越來(lái)越大的LED 道路照明光源的光輸出特性要求也不同,。主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

　　●道路照明光環(huán)境的多樣性,，即從單一照明時(shí)段滿(mǎn)光輸出到根據(jù)需求不同時(shí)段的可變光的輸出；

　　●道路照明節(jié)能的要求,，即整個(gè)照明時(shí)段從全功率照明到某些時(shí)段的降功率照明,，這樣既可以滿(mǎn)足道路安全的要求，又可以節(jié)約大量的能源,。

　　因此,，針對(duì)上述兩點(diǎn)，需要對(duì)不同照明模式下LED道路照明光源的調(diào)光方案進(jìn)行專(zhuān)門(mén)研究,。

　　1 發(fā)光二極管道路燈具的調(diào)光特性分析

　　無(wú)論是從當(dāng)前道路照明的角度出發(fā)還是從節(jié)能方面的考量,，LED 道路照明的調(diào)光需求都是合理且必要的。由于LED 器件自身固有的特性,，調(diào)光不僅造成光輸出量減少的單一變化,，而且會(huì)帶來(lái)一系列相關(guān)聯(lián)的特性改變。主要的相互關(guān)聯(lián)有：LED 芯片的發(fā)熱溫升,、出光效率,、使用壽命的變化，以及照明光源的光輸出特性,、道路的照明效果,、驅(qū)動(dòng)器工作特性、壽命變化等等一系列的問(wèn)題,。

　　1.1 LED 道路照明光源的調(diào)光模式

　　從實(shí)際使用的角度來(lái)看,，LED 道路照明光源的調(diào)光模式主要分為有級(jí)型和無(wú)級(jí)型兩大類(lèi)，具體的分析如下：

　　1.1.1 LED 的有級(jí)型調(diào)光模式

　　LED 的有級(jí)型調(diào)光是最常見(jiàn)的,，也是最簡(jiǎn)單,、使用最方便的調(diào)光方式。

　　鑒于單片封裝LED功率的相對(duì)較小及光源整體散熱的限制,，LED 道路照明光源一般均采用多單元的陣列結(jié)構(gòu),。每一個(gè)LED 單元都具有獨(dú)立的配光特性，采用在驅(qū)動(dòng)器的輸出制式配合下,，單元分組調(diào)光這種最簡(jiǎn)單的形式或者借鑒傳統(tǒng)道路照明調(diào)光方式的路燈間隔照明的減光方式。不僅如此,，依據(jù)LED 道路照明光源調(diào)光對(duì)其光輸出特性的影響,，又可以細(xì)分為以下幾種：

　　1.1.1.1 LED 單元的均勻分組調(diào)光

　　對(duì)于具有滿(mǎn)足道路照明要求光輸出特性的LED單元,，其均勻分組調(diào)光只改變道路照明光源光輸出強(qiáng)度的大小，幾乎不改變其光輸出的特性,，可以獲得調(diào)光前后一致的整體光輸出特性,，是一種較為優(yōu)良的調(diào)光方式。在驅(qū)動(dòng)器的配合下,，可以實(shí)現(xiàn)多檔調(diào)光,。

　　圖1 給出了在同一道路照明光源內(nèi)多單元LED（在采用透鏡配光的、單一的LED 單元就能夠滿(mǎn)足配光特性要求的前提下）的調(diào)光原理a 及光源內(nèi)LED 單元均勻分組排列的結(jié)構(gòu)示意b（一種樣式）,。由此可以得出,，調(diào)光前后的對(duì)比只是改變光源光強(qiáng)輸出的大小，而不改變本身的配光特性,，因此調(diào)光的效果是比較理想的,，但是調(diào)節(jié)明暗的平滑度稍差，不能隨意地調(diào)節(jié),。

　　1.1.1.2 LED 單元的非均勻分組調(diào)光

　　同一道路照明光源內(nèi)LED 單元的非均勻分組調(diào)光,，主要是每個(gè)LED 單元分別擔(dān)任不同的光輸出角色，總體用來(lái)形成滿(mǎn)足配光要求的光輸出特性,，具有構(gòu)成簡(jiǎn)單,、操控方便等特點(diǎn)。通過(guò)LED 單元非均勻分組排列的形式來(lái)獲得在調(diào)光模式下保證道路照明效果,。

　　圖2 給出了這種調(diào)光原理a 及調(diào)光前后的LED 單元組亮滅的變化情況b,。例如，城市道路照明中的前,、后半夜需要不同的照明模式：前半夜為主,、次車(chē)道全照明模式（組1 ＋組2），以保障主/快車(chē)道及次/慢車(chē)道的交通安全,；后半夜交通流量很小,，僅為主/快車(chē)道的道路照明模式（組2）。由此可見(jiàn)在同樣的照明光源功率下,，這種調(diào)光的方式較圖1 來(lái)說(shuō)就顯得更為簡(jiǎn)單明了,。

　　1.1.1.3 LED 道路光源的間隔調(diào)光

　　LED道路照明光源的間隔調(diào)光是仿照傳統(tǒng)道路照明，如高壓鈉燈（HPS）路燈的調(diào)光方式,，通過(guò)開(kāi)閉相隔的光源來(lái)達(dá)到調(diào)光/減光的目的,，方法簡(jiǎn)易、操控方便,。雖然單個(gè)光源的光輸出特性,、照明效果、芯片的發(fā)熱量、出光效率,、使用壽命以及驅(qū)動(dòng)器特性,、使用壽命等在調(diào)光前后沒(méi)有變化，并且也能夠獲得很高的節(jié)能效果（50%）,，但是其致命的缺點(diǎn)是對(duì)總體道路照明的光照均勻度影響較大,，易形成照明暗區(qū)即所謂的“斑馬效應(yīng)”， 嚴(yán)重影響到道路的行車(chē)安全,，達(dá)不到國(guó)家對(duì)道路照明的規(guī)范要求,，因此只適宜于對(duì)照明要求不太嚴(yán)格的次/慢車(chē)道和小道上使用。

　　1.1.2 LED 的無(wú)級(jí)型調(diào)光模式

　　LED道路照明的無(wú)級(jí)型調(diào)光方式是一種比較理想的,、在一定范圍內(nèi)隨意平滑的調(diào)光方式,。其主要特點(diǎn)是：參與調(diào)光的每個(gè)LED 單元的工作狀態(tài)不再是只有亮和滅兩種狀態(tài)，而是工作于其中的某一中間環(huán)節(jié),，LED 單元按照需要平滑的改變工作狀態(tài),，使得光源輸出的光通量在大范圍自由變化，可以得到良好的道路照明,、調(diào)光和節(jié)能效果,。

　　1.1.2.1 LED 的無(wú)級(jí)型線(xiàn)性調(diào)光

　　LED的無(wú)級(jí)型線(xiàn)性調(diào)光是基于恒壓驅(qū)動(dòng)器的條件下，通過(guò)在其輸出端串聯(lián)線(xiàn)性元件的方式來(lái)改變驅(qū)動(dòng)器輸出電流的大小值,，即調(diào)節(jié)LED 單元的發(fā)光亮度,。

　　構(gòu)成的方式有兩種：一是串聯(lián)——可調(diào)電阻（手動(dòng)調(diào)節(jié)，見(jiàn)圖3a）,，二是串聯(lián)——工作于放大區(qū)域的大功率晶體管（可以利用小信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)）,。從LED 的正向電流與光輸出的對(duì)應(yīng)關(guān)系來(lái)看，在允許的范圍內(nèi),，這種對(duì)應(yīng)的關(guān)系幾乎是線(xiàn)性的,。圖3 給出了這種LED 線(xiàn)性調(diào)光的原理a 和對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線(xiàn)b。該方案存在的主要問(wèn)題是：基于白光LED 的特性使然,，調(diào)光時(shí)的色溫將發(fā)生變化,，不適合對(duì)色溫要求恒定的照明光源，但是對(duì)于不太重要的道路照明可能影響不大,，選用時(shí)需要慎重考慮,。另外輸出端引入的線(xiàn)性元件將帶來(lái)加大總體損耗、降低效率的不良后果,。

　　因此不是一種理想的道路照明調(diào)光方案,。

　1.1.2.2 LED 的無(wú)級(jí)型模擬調(diào)光

　1.2.1.1 LED 的光輸出及出光效率

　　目前，主流的,、照明用大功率白色LED 的工作原理都是利用藍(lán)光LED激發(fā)YAG熒光粉來(lái)獲得白光的,。

　　由圖7 可知藍(lán)光LED的光輸出隨著正向電流的增加呈近似的線(xiàn)性增加,，這說(shuō)明電流大小與光輸出多少成正比，而其光效＝ / （lm/W） 則隨著正向電流的增加而近似線(xiàn)性下降,，原因是其中相當(dāng)多的能量被晶格吸收轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃肯牡?，沒(méi)有發(fā)揮應(yīng)有的作用。

　　由此可見(jiàn),，由于道路照明的LED 在調(diào)光運(yùn)行模式下，電流的減小將帶來(lái)光輸出的減小和出光效率的增大,，對(duì)LED 道路照明的運(yùn)行有利,。再進(jìn)一步推斷：對(duì)于上述通過(guò)改變LED正向電流來(lái)進(jìn)行調(diào)光運(yùn)作的道路照明模式，照明光源中LED 的運(yùn)行也將處于較為有利的工作條件下,，對(duì)于采用PWM 模式來(lái)進(jìn)行調(diào)光的LED 由于間斷的運(yùn)行模式也對(duì)改善LED 的運(yùn)行條件有利,。

　　1.2.1.2 LED 的色溫變化

　　在調(diào)光運(yùn)行的模式下，由于白光LED 正向電流發(fā)生了變化,，因此依據(jù)不同的調(diào)光方式其色溫變化情況也不盡相同,。

　　在圖8 中，LED 的光輸出所對(duì)應(yīng)色坐標(biāo)x 和y 的值隨著LED 正向電流的變化而有規(guī)律地變化,。調(diào)光時(shí)LED 的電流減小,，此時(shí)x 值增大，y 值減小,，從而導(dǎo)致人們不希望的色溫變化的出現(xiàn),。對(duì)于采用PWM 調(diào)光模式運(yùn)行的情況，由于LED 工作時(shí)的瞬時(shí)電流不變,，因而可以較好地解決色溫的偏移問(wèn)題,，但是發(fā)光的效率有所降低。歸納起來(lái)就是,，白光LED 在道路照明應(yīng)用時(shí),，采用何種調(diào)光模式，需要基于道路照明的要求并根據(jù)人們對(duì)調(diào)光時(shí)白光LED電流減小導(dǎo)致色溫變化（紅移）的適用性（主要是辨識(shí)障礙物的能力）及容忍性的大小等來(lái)進(jìn)行選擇,。

　　1.2.1.3 LED 芯片的溫升和壽命

　　LED芯片的工作溫升與其使用壽命有著直接的關(guān)系,。相對(duì)而言，溫升越低,，其使用的壽命就越長(zhǎng),。例如：當(dāng)LED 芯片溫度45℃時(shí)，LED 的使用壽命為1×106 h,，而溫度在105℃時(shí),，其壽命銳減為2×105 h。

　　在道路照明中,，由于室外的環(huán)境條件較為惡劣,，位于光源內(nèi)（溫度有80~90℃以上）LED 的溫度較高,，極端條件下幾乎接近于其所允許的最高范圍，因此散熱問(wèn)題是LED 道路照明的核心問(wèn)題之一,，需要下工夫來(lái)解決,。具體可參見(jiàn)圖9 所示。

　　基于此,，在調(diào)光運(yùn)行模式下LED 所具有的較低運(yùn)行溫度對(duì)于提高其使用的壽命是非常有益的,。                                                                                                 1.2.2 LED 驅(qū)動(dòng)器的特性及壽命

　　要使LED 道路照明能夠有效地發(fā)揮其固有的優(yōu)勢(shì)，驅(qū)動(dòng)器的性能至關(guān)重要,，也就是說(shuō)驅(qū)動(dòng)器性能的優(yōu)劣直接關(guān)聯(lián)到LED 道路照明的使用和照明效果,。由于道路照明環(huán)境的嚴(yán)酷性和高可靠性的要求，通常驅(qū)動(dòng)器需要具備以下的基本性能：

　?、佥敵鲇嗔浚?0%~-40%,；

　　②輸入電壓：90~305 VAC,；

　?、坌剩?80%~92%；

　?、芄β室驍?shù)：0.90~0.99,；

　　⑤多級(jí)驅(qū)動(dòng)隔離,；

　?、?×104 h 耐久性測(cè)試；

　?、? 000 kV 浪涌測(cè)試,；

　　⑧內(nèi)外部防雷系統(tǒng),；

　?、岱浪燃?jí)：IP67~68。

　　特別是在要求調(diào)光的情形下,，LED 的表現(xiàn)更直接受制于驅(qū)動(dòng)器的性能優(yōu)劣,。目前對(duì)LED 器件及道路照明配光特性研究的文獻(xiàn)較多，而對(duì)其在實(shí)際照明光源條件下的工作條件,、整體輸出特性可靠性及使用壽命等的研究相對(duì)較少,。經(jīng)統(tǒng)計(jì)顯示，影響LED 驅(qū)動(dòng)電源壽命的一大主要因素是輸入濾波電解電容器在道路照明光源內(nèi)高溫環(huán)境下（80~90℃）的有效壽命問(wèn)題,，一般規(guī)律是：使用的環(huán)境溫度每升高10℃,，電解電容器壽命將會(huì)減少一半。通常電解電容器的使用壽命在5000 h 以下,，并且與使用的環(huán)境溫度有很大關(guān)系,。雖然目前市場(chǎng)上有一種105℃的高溫電解電容器的標(biāo)稱(chēng)壽命為1×105 h,，并且在85℃環(huán)境下理論工作壽命可達(dá)4×105 h。按每天LED 照明光源工作12 h 來(lái)計(jì)算,，理論上可用10 年,，但是其造價(jià)較高，并且不同廠家的產(chǎn)品差異也較大,?；诖耍芯繙p少直至取消電解電容器的LED 驅(qū)動(dòng)器是一課題方向,。

　　圖10給出了基于某種特定產(chǎn)品的LED 驅(qū)動(dòng)器的使用壽命與溫度的關(guān)系,、驅(qū)動(dòng)器輸出功率與其溫升的關(guān)系。

　　由圖10 所示,，LED 驅(qū)動(dòng)器的工作壽命與其溫度呈現(xiàn)出較大的衰減特性。在調(diào)光運(yùn)行的條件下,，由于LED 負(fù)載變輕導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)器輸出功率降低,，其內(nèi)部開(kāi)關(guān)等器件的溫升較低，因此從使用的角度來(lái)考量調(diào)光運(yùn)行對(duì)驅(qū)動(dòng)器的使用壽命是有利的,，即能夠在較大的程度上提高其使用壽命,，但是從其整體效率上來(lái)說(shuō)，由于輸出功率的減?。ㄌ貏e是在調(diào)光的最小輸出狀態(tài)下）,，而其自身功耗的減小程度相對(duì)輸出功率來(lái)說(shuō)比較小，因此將造成其整體效率的下降,，這需要特別注意,。

　　1.2.3 LED 光源的光輸出特性及道路照明效果

　　一般來(lái)說(shuō)，LED 道路照明光源的光輸出特性是依據(jù)道路照明規(guī)范的要求來(lái)確定的,。在LED 道路照明光源光輸出特性的設(shè)計(jì)上,，主要是采用LED 的一次配光（自身的封裝透鏡形成LED 器件）、二次配光（外加配光透鏡形成LED 單元）和三次配光（光源內(nèi)安裝的排列方式）或其中的一,、二次配光方式來(lái)獲得滿(mǎn)意的道路照明效果,。而在調(diào)光的運(yùn)行模式下，LED 光源的光輸出特性及道路照明效果就變得較為復(fù)雜,，要分別加以分析,。

　　1.2.3.1 LED 道路光源的光輸出特性

　　對(duì)于滿(mǎn)足道路照明要求的、具有獨(dú)立的光輸出特性的單個(gè)LED（單元）而言,，有兩種情況需要考察：

　?、俨捎脽o(wú)級(jí)調(diào)光（線(xiàn)性、模擬或PWM）的方式,，即所有LED 均參與調(diào)光,，調(diào)光的結(jié)果只改變光源的整體光輸出的大小,，而不改變其光輸出的特性，因此是一種理想的調(diào)光方式,；

　?、谕ㄟ^(guò)LED（單元）來(lái)分組調(diào)光的情形，由于不是每個(gè)LED（單元）都參與調(diào)光運(yùn)行的,，因此調(diào)光后光源的光輸出特性是改變的,，此時(shí)光源的光輸出特性有可能不能滿(mǎn)足道路照明的相關(guān)要求，需要分門(mén)別類(lèi)地加以認(rèn)真考慮和選擇,。

　　1.2.3.2 LED 道路光源的照明效果

　　在上述光輸出特性中提到,，在調(diào)光模式下LED 道路照明光源的配光曲線(xiàn)有可能發(fā)生改變，而光源的光輸出特性對(duì)道路照明的效果起到?jīng)Q定性的作用,，因此撇開(kāi)采用間隔照明在道路上形成的連續(xù)暗區(qū),、嚴(yán)重影響道路交通安全不說(shuō)，單單就上述的具有不同的光輸出特性的LED 道路照明光源來(lái)說(shuō),，光源的光輸出特性都是在全功率輸出條件下獲得的,，因此凡是調(diào)光后光輸出特性改變的，不管改變多少,，程度如何,，對(duì)道路的照明都存在著一定的影響。因此,，LED 道路照明的調(diào)光問(wèn)題是一個(gè)綜合性的問(wèn)題,，實(shí)際運(yùn)用時(shí)應(yīng)該以保證道路的照明效果和交通安全為前提，不能為了節(jié)能而節(jié)能,，忽視了道路的交通安全,，否則將是得不償失。

　　2 結(jié)束語(yǔ)

　　總之,，社會(huì)經(jīng)濟(jì)及城市化進(jìn)程的快速發(fā)展,，使得LED 道路照明在實(shí)際使用過(guò)程中，人們不僅滿(mǎn)足于對(duì)其光輸出特性的要求,，而且對(duì)道路照明光源所提供的照明品質(zhì),、照明環(huán)境、照明舒適度和照明節(jié)能等也提出了更高的要求,，特別是對(duì)LED 道路照明條件下的交通安全,、治安環(huán)境等要求也很高。這就要分別加以認(rèn)真分析和仔細(xì)研究,。特別是要依據(jù)不同調(diào)光方式下LED道路照明光源所所具有的各自特點(diǎn)以及相適用的道路照明現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境,，對(duì)LED 道路照明光源的設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。這樣,，對(duì)今后LED 道路照明光源大范圍的推廣和應(yīng)用都具有積極的意義,。