摘 要
本公司开发出一种低色温、高光效LED模块。此12W模块具有以下优点：色温低于3000K, 光效高于95lm/w; 发射的白光为面光源，照度均匀；点亮5000小时，其光衰小于1%；基于此模块，很容易设计出具有不同光强扩散角和照度形状的低色温、高光效LED模块，此模块可用于不同功率的路灯，隧道灯，泛光灯，投射灯和室内照明等的光源。
关键词：低色温、高光效、白光LED模块
１.引言
目前道路灯具中普遍采用的光源是高压钠灯或金属卤化灯，这两种光源的最大特点是，发光的电弧管尺寸小，由于尺寸很小的电弧管产生很大的光输出，并且具有很高的光效，前者包括配套电器，可达110lm/w，后者包括配套电器可达80lm/w。但这类光源应用在道路灯具中时，只有40%左右的光直接透过玻璃罩到达路面的，其它的光是通过灯具发射器再投射出灯具的，目前普遍采用此类光源的传统灯具基本都存在两个不足，一是灯具直接照射的方向上照度很高，在次干道上可达50lx以上，这一区域属于明显的过渡照明，而两个灯具的光照交叉处的照度仅为灯下照度的20%～40%。二是此类灯具的反射器的效率一般仅为50%～60%，所以有60%左右的光输出在灯具内，是在损失了40%～30%后再投射到路面上的。此类灯具的总体效率一般都在70%左右。并且上述的过渡照明区域中过多的照度也属于浪费。综合上述分析上述传统的道路灯具其综合的有效照明效率（扣除过度照明部分）仅为50%。也因为上述原因，目前我国次干道的照明效果（路面照度和照度的均匀度）基本都达不到CJJ45-2006和CIE31以及CIE115的标准要求[1]。而LED作为第四代光源，不但具有节能、环保作用，而且由于其自身特点（方向性、高显色性、结构易设计和控制方便等）引起了普遍的关注[2][3][4]，随着LED芯片发光效率的不断提高，尤其是100lm/w的芯片面世，LED道路灯将逐渐取代传统道路灯（钠制灯、卤素灯等）。而制造单个超过80W灯不切合实际，其主要原因是难以散热和难以设计光分布，故使用多个超过10W灯模块组合成不同功率的LED路灯成为了研究和市场主流。由于钠制路灯的色温一般低于3000K, 显色指数低于40，低色温光线具有穿透雾和水汽的能力强，光线柔和，温暖，路面反射率高等诸多优点。所以低色温高光效的LED模块成为目前市场研究热点。本论文着重介绍本公司开发的低色温、高发光效率和低光衰的12W路灯模块。
２.试验与测试
本公司研究人员针对目前市场上高功率LED模块衰减大，色温低于3000K的发光效率低等问题，开发了一种新型的LED路灯模块。其结构如图1所示。此结构独特之处是荧光粉涂敷层位于透镜中，通过小孔可将荧光粉注入特定形状的荧光粉槽中，此槽的形状依据芯片排列形状而变化。
 |  |
1、高折射透镜，2、芯片，3、金线，4、密封胶，5、支架，51、抛物线形支架槽，11、荧光粉涂敷层，12、灌荧光粉口
图1 本公司12W白光LED模块示意图和实物图
此结构的优点：1、荧光粉与芯片之间隔着密封胶和隔热透镜，荧光粉的温度可保持在40℃以下，而12W芯片温度却高达80-100℃，故荧光粉的衰减很小；2、荧光粉形状易设计，通过设计不同的荧光粉槽可以使得荧光粉被最高效率的激发，发光效率得到大幅度提高；3、透镜的形状和折射率易设计，使用高折射率的玻璃，可以做出不同扩散角的LED模块，；4、荧光粉形状使得每个1W芯片发射的点光源经过荧光粉层后成为了均匀的面光源。
采用台湾晶元功率型LED芯片，10颗芯片，其功率为12W。将制备的12W的LED模块，放入可靠性测试设备中，高低温循环测试（-40～80℃）100小时，然后有上海半导体照明工程技术研究中心抽样检测，采用杭州远方的LED300光色电综合测量系统和LED620光强分布测试仪分别测试样品的光电参数和平均光强扩散角，测试方式为恒流点亮5分钟后测试。（我们研究发现12瓦LED灯点亮5分钟后其电压不再变化，发光效率也基本不再变化，此法衡量LED的各项光学参数应更准确）。光衰测试采用点亮5000小时后测试。
３.结果与讨论
为了数据更具有说服力，本公司邀请上海半导体照明工程技术研究中心抽样检测，表一为上海半导体照明工程技术研究中心检测数据：
表一 12WLED路灯模组的光电参数(光谱准确度：+/-2nm; 色度准确度：+/-0.0015x, +/-0.001y)
电压(V) | 电流(A) | 倍增管工作温度(℃) | 光通量(lm) | 光效率(lm/w) | 相关色温(k) |
12.71 | 0.9001 | 22.7 | 1092.8 | 95.53 | 2656 |
从上表可以发现，12W LED路灯模组的色温只有2656K, 但是其发光效率却高达95.53lm/w, 虽然高压钠制灯的发光光效率高达110lm/w, 但是其发散角很大，有效利用的光通量约占50%，而LED路灯模块具有方向性，故其光通量几乎可被完全利用，相比较而言，此LED路灯模块的应用前景更好，加上LED芯片的发光效率不断提高，价格不断下降，LED道路灯必将逐渐取代高压钠制灯和其他相关道路灯。低色温高发光效率灯模块一直是研究难点，本公司开发的低色温模块，其色温可控范围为2000-4000K，可按照用户的要求来设计色温和发光效率。
通过继续合理的规划荧光粉涂敷形状、芯片的排列位置，增镀全反射薄膜和增透膜可大幅度的提高其发光效率，目前我们实验室已经开发出了发光效率高达105lm/w, 色温为2000-4000K的5W,12W,24W,30W等的路灯模块。
透过改变透镜和荧光粉涂敷形状，我们设计出了不同光强扩散角的12W白光LED路灯模块，现以平均光强扩散角θ(50%)为65o来说明这个问题。图1所示的结构制备出来的12W LED模块的照度分布为一个规则的圆，12W白光LED悬挂1米高，其中心照度为267lux,通过改变透镜的形状，可以设计出不同形状的照度图，目前本公司正在按照客户要求设计此类产品。如图2所示
 |  |
图2 经过配光设计的透镜及配光曲线
在实际应用中，只需要将此模块安装在灯具上就可以实现矩形光斑照明，此模块适合不同类型的灯具，解决了令灯具厂商头痛的灯具配光问题。
上海半导体照明工程技术研究中心抽样测试了本公司12W的路灯的光衰，结果显示点亮5000小时后，光衰小于1%，远低于市场上其他设计的大功率LED模块。其主要原因是1、荧光粉远离发热的芯片；2、荧光粉形状可控；3、性质稳定的高折射率密封材料和透镜。
此模块具有广泛的应用，本公司采用此模块开发了一系列的泛光灯，隧道灯、路灯以及室内照明灯具和投影机光源等，如图3所示。
 |  |  |
图3 基于12W低色温、高光效制备的隧道灯，室内照明灯，路灯和筒灯等照片
４.结论
本公司开发出一种新型的适合照明用的12W白光LED模块，此模块具有低色温、高光效尤其适合路灯、隧道灯，泛光灯和投影机等照明。本技术解决了目前低色温、高光效难以制备的难题。为LED室外照明开辟了一条新的思路和方法。12W模块已经投入市场，目前本公司研发人员又开发出了5W, 12W,24W,30W等系列的低色温(2000-4000K)、高光效的(实验室已可达到105lm/w)LED模块，此模块的光强扩散角(50%)可设计为30o, 45o, 60o 和70o；照度范围可设计为圆形，椭圆形和类矩形等。
参考文献
[1] 城市道路照明设计标准， CJJ45-2006, 2006-12-19发布，2007-07-01实施，中华人民共和国建设部
[2] Steigerwald D A, Bhat J C, Collins D, et al. Illumination with solid state lighting technology[J]. IEEE J. Selected Topics in Quantum Electron., 2002, 8(2):310-320
[3] Narendran N. Improved performance of white LED [J]. Proc. SPIE, 2005, 5941:1-6
[4] 钱可元，胡飞，吴慧颖，等.大功率白光LED封装技术研究[J],半导体光电，2005，26（2）：118-120
| 页面功能:【发表/查看 评论】【推荐】【字体:大 中 小 简 繁】【打印】【收藏】【浏览:】【关闭】 |
