LED路灯灯具的模块化结构设计

LED路灯灯具的模块化结构设计

张忠健

龙腾照明集团股份有限公司

江苏省扬州高邮市   225600

摘要:目前，在“新旧照明”的大格局下，LED路灯作为新一代照明光源，不仅要解决灯具的光效、散热、驱动等相关技术问题，还要对组成灯具的元器件进行标准化，使不同品牌的产品具有良好的兼容性和互换性。过去，随着应用的深入，整体设计的LED路灯会表现出同样的严重缺陷:各厂家的产品规格无规可循，技术手段各不相同；产品无法更新，只能“一边倒”；维修和更换零件不像传统灯具那样方便。因此，从LED路灯的长期发展来看，灯具制造的标准化、元器件的兼容性和维护的互换性将是LED路灯广泛应用的必由之路。

关键词：LED道路灯具；模块化；设计；应用；

当前在道路照明中环境恶劣，灯具很容易出现故障，传统的灯具只能整体返厂维修或更换，检修困难，给人们带来许多不便，影响了灯具的发展。灯具制造的标准化，部件的兼容性以及维修的互换性将是LED道路灯具获得大规模应用的必由之路。模块化、系列化已逐步成为LED产业的发展趋势。

一、模块化设计的优势

1.安装维修的便利化。灯具模块化后，采用COB（ChipOnBoard）光源，灯具的组装将变得简单，只需将装配好的光源模块逐个安装到灯具散热器上，最后配上合适电源，测试、包装；灯具模块化后，如果只更换一个模块，如果灯具的一部分零件损坏，只需要将损坏的模块更换掉，不需要更换整盏灯具，这样不但可以快速的维修，而且成本较低。

2.降低灯具的制造成本。模块化设计后，不同瓦数的灯具不需要各自有对应的模具，而只需将不同的模组拼接组合，这样模具成本大大减小。另外模组可以集中加工，不需要经常更换模具，效率更高。

3.可靠性优势与易标准化。每个模块在结构均是相互独立的，这样整个灯具失效的可能想就很小了；模块化设计的灯具的物料标准化、通用化、匹配性和互换性好，有助于大幅降低备料风险，同时也便于不同厂家之间相应模块的互换。

二、LED路灯的发展与问题

随着世界经济的高速增长，全球能源短缺日益严重，节能减排、寻求低碳发展模式的呼声越来越响。照明用电占全世界总用电量的20％，在这个大背景下节能高效的半导体照明产业发展如火如荼，尤其是LED在道路照明方面的应用更是备受关注。美国能源部宣布成立城市固态照明路灯组织，用来收集、分析并共用LED路灯照明相关的技术资讯和实例；而在我国，科技部启动“十城万盏”半导体照明示范工程更是将LED路灯推向广阔市场。在LED路灯应用实践中，从路灯维护部门反馈的意见来看，LED路灯除存在效率、灯具散热、配光、驱动器寿命等问题外，在灯具的维护与检修方面，由于现有LED路灯多采用一体化集成式设计，即灯壳与LED光源粘接为一体并封闭在玻璃内，使得维护极其困难口。如果LED光源中有部分损坏，现场是无法更换的，而只能将灯具整体替换或返厂维修，既浪费资源又费时费力。实际上，按照当前思路设计的LED路灯，到了寿命期后，只能将一条路上的LED路灯全部抛弃，重新装一批。而传统的钠灯如果光源损坏，几分钟就可以解决问题，光源坏了，灯具仍然可以继续使用。另外，各个厂家生产的LED路灯的外形尺寸、功率均不一致，那就意味着LED路灯的通用性差，如果采购了实力弱的厂家的产品，将来维护的零部件也找不到。所以，在诸多LED路灯研讨会现场，许多路灯管理处的同行们都不约而同地指出，即使LED路灯寿命确实很长，那寿命结束之后怎么办?

三、LED道路灯具模块化的构思及设计

LED道路灯具模块化的构思是将构成灯具的各功能部件进行单元化处理，各自形成具有单一功能的模块，通过标准接口的约束作用来使其具有标准化、兼容性和互换性，可以实现批量生产，获得规模应用。极大地降低灯具生产的准入门槛、加工制造及应用成本，已成为LED通用照明灯具的发展方向和研发、应用中的热点。

1.LED道路灯具模块化的要求。基于技术研发手段和应用上的实际要求，LED道路灯具模块化的一般要求如下。（1）模块功能的标准化对于构成同一类型LED道路灯具各单元的功能进行标准化处理，形成独立的单元模块。如：光源单元（含配光部分）、散热单元、驱动单元等。（2）模块接口的标准化。选用通用的接口形式和技术规范，对于构成同一类型LED道路灯具各模块的接口进行标准化处理，形成具有一定尺寸、结构要求的模块。如：各单元间的机械接口以及电气接口等。（3）安装检修的便利化。对于同一类型LED道路灯具各模块的安装检修提供方便，特别是便于不同厂家之间相应模块的互换。如：方便生产和装配，为灯具现场安装提供便利，方便故障灯具的现场快速检修和更换。（4）功能扩展的简易化。对于同一类型LED道路灯具各模块功能的扩展要方便，即通过简单的更换就能提升原有灯具的技术性能。如：功率、控制、光输出、散热等。

2.LED道路灯具模块化的构成。（1）功能模块。LED道路灯具的模块化主要是通过功能模块的合理组合来达到满足照明的功能要求，有以下几个部分：首先是光源模块，包含有LED照明光源及配光组件。其为LED照明应用的根本。其主要构成有：大功率直流LED分立器件及阵列组合、LED模组、LED COB灯板以及AC-LED等；同时，为了满足灯具光输出的光型要求，需要在LED光源上配套相应的配光组件，主要构成有：光学透镜、反射器、均光板（罩）以及格栅等。其次是散热模块，主要是将LED工作时产生的高热进行传导并散发掉，保证其工作时的结温在允许的范围内。主要的应用形式有：自然散热（翅片散热器、热管、导热均热板）、强制散热（风扇风冷、微泵循环、射流强化）以及两者的综合应用等。再次是驱动模块，为电源变换装置，主要是将通用的220V交流市电转变为符合LED工作要求的电流源，使得LED能够获得良好的驱动，此外还包含有PFC校正、多种输入输出保护功能（过压、过流、EMC、过热等）及调光、远控等操控功能。具体形式主要有：各种拓扑结构的高频开关恒流源、简单的线性恒流源等。最后是结构及防护，为以上的各功能模块进行组合，并形成具有实用功能灯具的支撑条件，且为实际使用提供必要的安全防护条件，满足国家对灯具进行强制认证的要求。在实际的LED道路灯具设计中，还将灯具结构与某些功能模块进行优化合并。这样既减少了部件数量和生产加工的工作量，又降低了总体成本。模块化LED道路灯具基本型的构成，主要由驱动模块、光源模块、散热模块及外壳防护4部分构成。在实际应用中，从产品工业设计工艺、加工制造、安全防护及成本等要求出发，其主要是将外壳防护部分分为两个部分：上半部分与光源模块的防护罩（透光罩）合为一体；下半部分与散热模块合为一体。（2）模块化的构成方式。LED道路灯具模块化主要为整体式结构。即各功能模块均集中于同一机械结构（灯具外壳）内，形成一个完整结构，对外仅有接于交流市电的电气接口和安装固定端口。在具体的LED道路灯具模块化构思中有不同的构成方式。最简单的“单驱动模块＋单光源模块＋单散热模块”的构成方式。整个灯具主要由3个模块构成，具有结构简单、应用方便等特点，适用于小功率灯具，如庭院灯等。较复杂的“单驱动模块＋多光源模块＋单散热模块”的构成方式。整个灯具主要由5个模块构成，具有结构较简单、光源配置灵活、散热条件较好等特点，适用于中功率灯具，如小型道路灯等。较复杂的“单驱动模块＋多光源模块＋多散热模块”的构成方式。整个灯具主要由7个模块构成，每组光源和散热模块分别独立，具有配置灵活、检修方便、散热良好等特点，适用于中大功率灯具，如次干道路灯等。复杂的“多驱动模块＋多光源模块＋单散热模块”的构成方式。整个灯具主要由7个模块构成，每组光源分别由各自的驱动模块分别驱动，具有配置灵活、检修方便、可靠性高及散热良好等特点，适用于大功率灯具，如广场灯、道路灯等。最复杂的“多驱动模块＋多光源模块＋多散热模块”的构成方式。整个灯具主要由9个模块构成，每组光源分别由各自的驱动模块分别驱动，并配有独立的散热模块，具有配置灵活、检修方便、可靠性高及散热良好等特点，适用于大功率灯具，如广场高塔灯、道路灯等。

3.LED道路灯具模块化的接口。LED道路灯具模块化的接口主要是为了满足LED道路灯具中对各种功能模块的标准化、互换性及通用化的要求。给出了LED道路灯具模块化的接口关系。（1）机械接口，主要满足各模块间所需要的机械连接的尺寸和公差配合的要求，一般按照既有的规范来处理。其主要应用在LED光源与配光器件之间，光源模块与散热模块之间以及灯具上下两半的灯壳之间。（2）电气接口，主要满足电力的输入、输出之间的连接，可选用标准的电气连接件。其主要应用在220V交流市电与驱动模块之间，驱动模块与LED光源之间。

4.LED道路灯具模块化的设计。目前LED道路灯具模块化的设计在各大厂家的产品上已经有所体现，尤其在用于环境严峻、更换维修不便的道路照明灯具上。依据LED道路灯具模块化的设计思路，给出两款LED道路灯具的设计原理（含正面视图的剖面原理和俯视图原理）。用于中小功率的“单驱动模块＋单光源模块＋单散热模块”路灯原理，为上下封闭式结构。驱动模块为外置式独立的部分，安装在灯具左侧的电源室内，分别以电气接口与交流市电和LED光源模块连接；散热模块为铝制翅片式，与灯具的上半外壳合为一体，通过铰链可以方便开合。关闭时散热器的平面与光源模块通过机械接口完全贴合，起到良好的导热、传热和散热作用；光源模块包含有配光透镜等构成一体，通过机械接口与散热模块连接，并且外加安全防护玻璃。此外也可将配光透镜与防护玻璃合为一体，减少光输出的损耗。维护检修时，只要打开上盖就可以方便更换相应的功能模块；性能升级时，在设计的功率范围内，接口的尺寸统一不变，只需要配套更换相应的模块就可以提升原有灯具技术指标，如：功率、光色、配光等。用于中大功率的“单驱动模块＋多光源模块＋多散热模块”路灯结构。整个灯具为镂空式结构，每一单元均由光源模块、散热模块及安全防护等构成，单元之间有一定的间隔。整个单元自身完成安全及防护的强制性要求。驱动模块为外置式独立的部分，安装在灯具左侧的电源室内，分别以电气接口与交流市电和LED光源模块相连接；每一单元散热模块为铝制翅片式，通过机械接口与光源模块连接；每一单元光源模块包含有安全防护罩（可以与配光透镜等构成一体），通过机械接口与散热模块连接。其投射角度依据照明要求可以分别调整。维护检修时，每一单元散热模块和光源模块均可方便拆卸，有利于更换故障的功能模块；同样在性能升级时，只需要配套更换相应的具有同一接口的功能模块即可。

总之，通过对LED路灯的分析和设计，模块化的设计思路更符合长远的发展需求。LED路灯的模块化和系列化设计可以降低路灯在生产和维护方面的成本，可以有效降低生产成本。是一种合理、有效、可行的路灯设计方案。路灯的模块化设计在散热、路灯光效、检查维护等方面，甚至在未来路灯的升级设计方面都具有明显的优势。此外，路灯的模块化设计将使安装步骤更容易。对于路灯来说，模块化设计在日常维护中效率更高。在维护期间，没有必要在维护前拆除所有灯具。通常，检测路灯的模块以发现故障，然后只需要修理或更换故障模块。路灯的模块化设计可以使其对各种环境具有很强的适应性，模块化设计更接近市场的需求，可以加速LED路灯的产业化发展。

参考文献：

[1]刘颖.LED“模块化制造”的多维度视角.2020.

[2]王海云.LED路灯灯具的模块化结构设计探讨.2023.