LED变色温隧道灯具的应用与研究

LED变色温隧道灯具的应用与 研究

黄丹

桂林海威科技股份有限公司，广西 桂林 541300

摘要：LED隧道灯具作为功能性照明灯具，有其特殊的照明设计特点，本文从色温可变对隧道照明的意义出发，研究了变色温隧道灯的影响和趋势，并深入研究了LED变色温隧道灯具的几项关键技术点：双色温LED光源、散热与结温管控、光学配光和色温的调节与控制，以便进一步促进LED变色温隧道灯具的理论研究与发展。

关键词：隧道 色温 散热 照明设计 控制

作者简介：黄丹（1987-）,女,广西桂林人,工程师.研究方向：LED智慧照明技术的研究

联系方式：桂林市七星区朝阳路12号信息产业园，海威科技股份有限公司，15277365803

1引言

近年来，随着智慧城市概念的推广，隧道照明也越来越倾向于更多人性化的设计考虑。LED隧道灯具作为一类特殊的功能性照明产品，在满足基本照明指标前提下，引入变色温的应用，将会是未来几年的应用方向和发展趋势，本文将对其应用特点与关键技术进行探讨。

2 变色隧道灯的应用背景

2.1隧道灯具的照明设计特点

LED隧道灯具的使用场合多为城市、公路隧道，其特点为狭长、幽深，有长段的全黑区域，因此在照明设计时，除了要考虑路面照明的各项指标，更要侧重驾驶员的视觉适应和环境感知。一般将整个隧道分为入口段、过渡段、基本段和出口段，通过合理的照明设计，将隧道内的亮度从洞外亮度逐步降低至基本照明标准^【1】。

入口段是进入隧道的第一段，须使驾驶员在进入隧道前看清路面情况，是整段隧道照明中照明亮度需求最高的一段，为避免出现黑洞效应和暗视觉变化，应布设加强照明灯具。
过渡段是进入隧道的第二段，经过入口段高亮度的照明后，再逐步降低到较低的亮度水平，应布设加强照明灯具。

中间段是进入隧道的第三段，受外部自然光影响最少的区域，这一阶段按照城市道路照明标准进行照明设计。

出口段是隧道的最后一段，视觉受隧道外部自然光照的影响，为避免白洞效应及明视觉的变化，应布设加强照明灯具。

2.2色温可变的意义

在功能性照明领域，变色温灯具已经广泛应用，其意义在于，引入了更为人性感知的元素，充分利用色温对人的影响。

色温在人体生命节律方面有着积极的影响。冷色温可提高对脑细胞的兴奋程度，有助于集中注意力和警觉性；暖色温柔和温暖，对人体的放松、疲劳缓解有益，有恢复引导作用。其次，色温对情绪有导向作用。当色温低于3000K，给人以温馨轻缓之感，情绪得以放松；当色温在3000-5700K时，给人以自然、舒适、安稳之感；当色温在5700K以上时，给人以严肃、清冷之感。另外，色温对健康也会产生影响。以近两年来的教室照明为例，《CQC 3155-2016中小学校及幼儿园教室照明产品节能认证技术规范》中明确要求教室照明产品额定相关色温取3500K、4000K、5000K，是因为3300K-5300K的色温光线柔和微黄适中，对人眼的健康是最有利的；色温偏高或偏低，都不适合教室内照明，有损人眼健康^【2】。

但随着智慧照明“人”的因素越来越重要，变色温灯具将是未来隧道照明的方向。隧道照明设计时，主要考虑到了灯光亮度的柔性过渡，但是无法做到灯光色温的过渡，更无法从人性感知上给予驾驶环境的补偿。将变色温的概念应用在隧道照明中，主要体现在两个方面：

隧道入口段的应用，入口段与外界环境色温保持一致，便于驾驶司机入眼适应和柔和过渡；

基本段/中间段冷暖色交替照明应用。冷色温照明区段，警觉驾驶员保持高度注意力，但长段的冷色温环境驾驶，会加重视觉疲劳，适当更换为暖色区段，适应新的照明环境不会降低警惕性，同时也让驾驶员缓解视觉疲劳。

3 变色温隧道灯具的关键技术

3.1 双色温LED光源

色温可变在于不同色温的LED引入，光源至关重要。由于中小功率的LED技术逐步完善，其光通量和光通维持率已远远满足整灯的使用寿命需求，但价格几乎不到大功率LED的三分之一，所以中小功率LED早已大范围应用在隧道灯具。像流明、科瑞、欧司朗等国际一线品牌，或天电、鸿利、聚飞等国内品牌，都有推出2200K、2700K、3000K、4000K、5000K、5700K、6500K典型色温的白光灯具，无论是两颗芯片合二为一的3030封装,还是八颗芯片合八为一的5050封装，或其他封装，都可以选用其中高低色温作为变色温隧道灯具的光源。

3.2 散热与结温

对于灯具而言，结温的管控都是至关重要的。LED光源从严格意义上来，就是半导体的PN结，这个PN结的温度为LED结温。结温越高，LED芯片内部累积无法导出的热量越多，导致LED的光衰加快，LED的寿命递减，整灯的寿命也随之缩短。如何降低LED的结温，可以从以下方面进行考虑：

选择一款低热阻的LED。热阻越高，传导出去的热量越小，本身的热量就越高，需要从LED封装结构、封装材料、制作工艺方面等综合考量；

严格控制LED的使用功率，避免LED大功率负荷，减少PN的功耗发热；

降低工作环境温度，由灯具的客观使用环境决定；

提高LED与铝基板之间的传热性，线路板的材料、LED布灯间距、LED与线路板焊接工艺等方面影响；

加强铝基板与散热主体的散热传导性能。这是灯具设计中最重要最有效的技术。LED的热量通过焊接传至铝基板，铝基板将热量传给铝基板与散热主体之间的导热介质（导热硅胶片或导热硅脂），热量到达散热主体后，再经由快速导热的材质散于空间中。铝基板导热系数有0.8、1.0、1.5、2.0选择，导热系数越高，导热性能越好。铝基板与散热主体之间的导热介质，效果较好的是导热硅脂，但由于其涂覆工艺及材质寿命受限，可使用导热系数较高的硅胶片代替。在整个热量散发过程中，前期以传热为主，热量到达散热主体后，最大限度地要将热量散出去。散热主体应采用导热系数高的材质，从性能、成本及实际使用考虑，多选择铝材。散热主体需表面平整无毛刺，内部无气泡暗孔等缺陷，也可考虑加强表面处理，增强散热能力。散热主体的结构多数由基体、散热鳍片、U型或V型的散热通道组成，其鳍片的数量、通道的宽度高度，都应综合考虑对散热性能的影响^【3】。

3.3 光学配光

隧道灯具的配光目的是一致的：达到照明指标。为满足隧道的照明指标，除了前文提到的隧道照明设计分段设计外，灯具应进行专业的二次配光设计。综合考虑平均亮度、平均照度、总均匀度、眩光和频闪各项指标要求，光学透镜的配光宜选用130x70°偏光类透镜。隧道内的粉尘、尾气等环境恶劣，还需增加考虑发光面的防尘积灰问题，一般将发光表面设计为表面平滑，或者在常规的蝙蝠翼透镜外增加一层平面透光罩，未来是否能够采用新型的防吸附材料作为平面材质将是重要的方向。另外，设计还应该考虑光线的混色均匀。高低色温的LED在点亮时，其发光位置不同，投射到路面上，会形成不同色温的光斑，为了获得良好的视觉感知，配光设计时要注意不同色温的糅合混光^【4】。

3.4 色温的调控

目前上层调控端尚未有统一的标准协议，无论哪种协议，到终端灯具受控的控制信息都应包含亮度和色温。亮度信息调节灯具的整体暗亮，一般接入到LED驱动器的调光受控端，色温信息包含上层调控端需求调节到的色温值，一般接入到灯具的色温控制器，色温控制盒与LED驱动器的输出端、光源的输入端相连接。也有控制信息、LED驱动器输入一并输入到控制盒，由控制盒解析后，再分别输出到LED驱动器和光源输入端。

4 结语

基于色温可变的积极意义，在隧道照明领域，LED变色温隧道灯将是未来隧道照明的趋势。本文通过研究分析其中的几项关键技术，对LED变色温隧道灯具的研究提供了理论支持和建议，有利于LED变色温隧道灯具的应用和推广。

参考文献

[1]赖伟，陈伟民，刘显明，雷小华.隧道照明的节能配光设计与实现[J].灯与照明，2014，38（04）：43-46

[2]中小学校及幼儿园教室照明产品节能认证技术规范:CQC 3155-2016

[3]张琦，陈旭．LED路灯热分析及散热结构设计[J].电子与封装，2009,9(5):44-50.

[4]李志航，高铁成．LED道路照明光源的散热与配光应用[J]．电器技术2008，4：95—98．