摘要:LED路灯是船闸照明系统的重要组成部分。本文对九圩港船闸一线闸的LED路灯进行了研究，分析了其灯罩与散热片、灯珠、驱动电源、线路板等主体结构及相应工作原理，并对其内部电路的连接方式进行了优化。
关键词：LED路灯；结构；工作原理；优化
引言
江苏省九圩港船闸位于南通市西郊，上连通扬、通吕运河，下接长江，是南通及苏北地区连接内河与长江的重要交通枢纽。随着地方经济的不断增长，大型船舶的增多，通过量不断增加，达到了超负荷运行状态。为了满足安全生产的需要，船闸引入了第四代照明光源LED照明作为夜间的闸室照明系统，使用效果良好。因为它有以下优点：
一：LED照明经过多年技术积累，现在技术上已经成熟。在照明行业已大规模应用，已步入了高速发展期，LED路灯、景观灯也开始广泛应用。
二：LED100W路灯可达到250W高压钠灯的照度。
三：LED是一种半导体二极管，它的寿命非常长，当光通量衰减80%时，其寿命达到25000小时。耗电少，减少维修成本。
1 LED路灯的结构
LED路灯的主要结构分为为灯罩与散热片、LED灯珠、驱动电源、线路板等。
1.1 灯罩与散热片
尽管LED属于冷光源，但长时间工作会产生大量的热，特别是对于大功率的LED更是如此。这些热量源于电子和空穴非辐射复合引发的点阵振动以及材料对光子的吸收，大约占LED消耗功率的85—90%，LED过热除了导致颜色漂移外，还使得LED的发光率降低，封装结构下降和封装体积增大，同时降低使用寿命。因此，LED灯具对环境温度具有严格要求，即灯具内温度小于60度，电源温度小于60度。工作环境温度过高或者散热环境不理想、空气密闭不流通等散热环境，都有可能触发LED驱动电源的过热保护电路，或者加速输出减弱，甚至完全失效，从而引起灯闪或损坏等现象。据有关资料分析，LED光源大约70%的故障来自于温度过高，并且在负载为额定功率一半的情况下，温度每升高20℃，故障率就上升一倍。因此必须有良好的散热。
九圩港船闸目前使用的LED路灯是灯罩与散热片分开，其特点是成本低，价格便宜，但散热效果不好，因为散热器在灯罩内，空气流动性不佳，降低了散热效果。
1.2 LED灯珠
LED三个字母就是发光二极管的英文缩写。LED灯珠有许多优点：节能、绿色环保、亮度大、寿命长、体积小、纳秒级的响应时间、无有害金属汞。
LED灯珠的种类很多，分类分法也很多，如按封装分，有直插式，贴片式等；按功率分，有大、中、小功率；按里面晶元形式分：单晶元、双晶元、多晶元等。选用灯珠时，要结合现场实际，结合灯珠的各项性能，如亮度，色温，漏电，波长，衰减等，不同情况采取不同选择。
灯珠电流范围一般从几十毫安到几安，改变电流大小能够改变其发光颜色。有时也可以通过光色可以推断灯珠的工作电压：一般情况下，红光代表1.5V-2.2V，黄光代表2.0V-2.4V，绿光代表2.2V-2.8V，蓝光和白光代表2.8V-3.5V。
一般用作照明的LED灯珠功率在0.5W-5W之间，工作电压在3.2V-3.8V，多数路灯都选择1wLED灯珠，船闸路灯也是如此。
1.3 驱动电源
LED灯珠对电流、电压有严格要求，驱动电源就是保证其电流和电压关键部件。
LED正向伏安特性非常陡，给LED简单供电是不行的，因为电压波动稍增大，电流就会增大到将LED烧毁程度，为稳住LED的工作电流，保证LED能正常可靠工作，就要稳定的驱动电源。
驱动电源按驱动方式可分为两大类：恒流式和稳压式。
一、稳压式驱动电源特点
1、当稳压电路中各项参数不确定时，输出电压是固定的，而输出的电流却随着负载增减而变化。
2、稳压电路不怕负载开路，怕完全短路。
3、以稳压驱动LED，每串需加电阻才能使LED亮度平均。
4、亮度会受整流而来的电压变化影响。
二、恒流式驱动电源特点
1、恒流驱动电路输出的电流是恒定的，而输出的直流电压随着负载阻值的大小不同在一定范围内变化，负载阻值小，输出电压低，负载阻值大，输出电压高。
2、恒流电路不怕负载短路，怕完全开路。
4、应注意所有使用最大承受电流及电压值，限制LED使用数量，因此，LED总功率必须和驱动电源匹配。
从上面对驱动电源类型比较，恒流式驱动电源较为理想。而恒流式驱动电源又分为线性恒流驱动电路和开关恒流驱动电路。
三、线性恒流驱动电路，虽具有电路简单、元件少、成本低、恒流精度高、工作可靠等优点，但也有不足：
1、调整管工作在线性状态，工作时功耗高、发热大、不仅要求较大尺寸的散热器，而且降低了用电效率。
2、对电源电压及LED负载变化的适应性差。
3、仅能工作在降压状态。
4、一般要配开关稳压电源，不能直接用交流220V。
四、采用开关恒流驱动电路能较好解决上述问题，所以目前多数使用开关恒流驱动电源，九圩港船闸的LED路灯也是采用此类电源。
1.4 线路连接
在实际应用中，1W的LED灯珠就算大功率的，而单只1W大功率LED灯珠仅能做信号灯。用1W的LED要做成100多瓦的路灯要100多个灯珠。九圩港船闸用的LED路灯是120W、160W和200W。因此，120W的路灯就要有120个灯珠，这些灯珠是怎样连一起呢？驱动电源如何和它们匹配？一般来说，1 WLED额定工作电流在300mA-350mA，额定工作电压在3.2v—3.8v。如果将100多个LED单一并联或单一串联的接法，对驱动电源是不合理的。因此，通常将许多LED串联后，将若干条支路并联起来，构成整个灯具电路，这种接法简称为“串并”接法。
从图中可以看出，各串联支路中电流不变，总电压为各LED分电压之和，各并联支路电压不变，总电流为各并联支路电流之和，这样就可以根据LED灯珠的串联个数计算出总电压，也就是驱动电源的输出电压，根据LED灯珠的并联支路个数计算出总电流，也就是驱动电源的输出电流，有了输出电流，电压，驱动电源的输出电流，电压也就确定，驱动电源也就确定。计算公式：输出电流I=I1+I2+……+In；输出电压U =U1+U2+……+Un。
但是，此接法有一个明显缺点，即线路中的任意一只LED断路时，该支路所有LED灯珠都不亮，影响面大，也给维修带来了困难。
2 船闸LED路灯结构的优化
在研究了九圩港LED路灯的主要结构后，我们发现该结构存在着一些不合理之处，尤其是其灯罩与散热片结构及线路连接的模式。经过研究分析，我们对上述两方面做了一定的优化。
2.1 灯罩与散热片结构优化
在原有结构的基础上，我们进行了散热结构的优化，即将灯罩和散热片结合为一体。新的散热结构是，高导热率的铝基线路板上涂覆适量导热硅脂紧密粘结灯罩散热片，LED灯珠热沉上涂覆适量热导硅脂紧密焊接在线路板上，通过被动散热将LED工作时产生的热量有效快速散发出去。该方法通过灯珠与线路板、线路板与灯罩散热片的完全紧密接触，大大增加了散热面积和通风空间，有效提升了散热效果。
2.2 线路优化
在原有“串并”接法的基础上，我们改进为“串并串”接法，如图：
这样接法的优点在于，有一个LED灯珠损坏不会影响整条支路，只影响两个LED，大规模减少了影响面积。从图中可以得出：输出电流I =I1+I2+......+I20；输出电压U =U1+U2+......+U10。
考虑到对于LED而言，电压变化不是损坏的直接原因，电流增大才是LED损坏的直接原因。电流过小，发光强度不够。电流过大，发光强度也会减弱，发热大增，加快老化、寿命缩短，甚至损坏。1WLED在使用中驱动电源的电流一般选择300mA，因此，200WLED路灯驱动电源的电流最大值在6A多一点。因此，驱动电源的输出电压电流为：电压32—38V，电流5.25—6.25。下面两张图片就是九圩港二线闸200W路灯LED灯珠排布和选择的驱动电源。
驱动电源电流电压确定以后，还要考虑一些其他因素。由于路灯在户外，驱动电源还要考虑防水和防雷，驱动电源用灌封胶将驱动电源密封，驱动电源的金属外壳可靠接地。由于路灯是大电流驱动，因此驱动电源内部还配有大功率可控硅组件，和LED温度升高降低电流输出的保护电路等。
3 结论
近年来，LED路灯从光照度，使用寿命，节电，技术等方面已经逐步替代高压钠灯等路灯照明，船闸照明系统也基本以此路灯为主。通过此次研究，我们对九圩港船闸LED路灯有了深入了解，在此基础上进行了优化，使路灯的结构更加合理，使用寿命更长，更加适合实际的使用需要。
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[3] 张勇.LED光源在城市道路照明中的推广和应用[J].《江西建材》，2016年,(12):256-256.
论文作者:宋建华
论文发表刊物:《科技中国》2017年9期
论文发表时间:2018/2/9
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