Основной отправной точкой при рассмотрении наружного освещения является определение основных целей проектирования. Традиционно уличное освещение было фундаментальной частью наружного освещения. Однако в современных городских условиях это в основном почтовые верхние полюсные фонари который определяет визуальную среду, обеспечивает гуманное освещение, создает идеальную атмосферу, обеспечивает чувство безопасности и способен выполнять различные задачи на открытом воздухе в ночное время. Уличное освещение предназначено для обеспечения улучшенной визуальной среды для людей, чтобы они могли безопасно использовать дорожную систему, в то время как зональное освещение подчеркивает видимость областей в определенных границах, таких как автостоянки, пешеходные улицы, площади в центре города, офисные здания, выставочные площади, жилые районы. , спортивные площадки, территории компаний, кампусы, парки, аэропорты, пункты взимания платы, железнодорожные станции, погрузочные платформы и окружающие здания.

Во многих случаях уличные фонари могут использоваться в качестве площадных светильников, если их схемы распределения света соответствуют требованиям площадного освещения. Зональные светильники более универсальны с точки зрения светоотдачи, оптического рисунка, высоты монтажа, стиля крепления, эстетических особенностей, количества и качества освещения. Системы зонального освещения разработаны с практичностью для наружного освещения промышленных, транспортных, спортивных объектов, парковок и больших открытых площадок. Эти системы освещения должны максимально экономично приспосабливаться к автомобильному и пешеходному движению, обеспечивать достаточную светоотдачу и выдерживать суровые условия эксплуатации. Зональные светильники для пешеходных зон часто обеспечивают функциональность, эстетически соответствуя архитектурной теме пространства. Их дневной вид привносит органичность в городскую среду. Высота опор и размеры светильников должны быть в идеальных пропорциях для эффективного пешеходного освещения и эстетики. Помимо обеспечения функционального освещения и улучшения застроенной среды парков, скверов и других открытых пешеходных зон, этот тип светильника также берет на себя роль уличного освещения пешеходных дорожек, велосипедных дорожек и узких дорог в частных пространствах.

 

Почтовые верхние огни

Верхний фонарь столба предназначен только для пешеходов, а высота установки светильника варьируется от 3 до 9 метров. В дополнение к характеристикам освещения и оптическому контролю, эстетика, масштабирование и стиль являются другими главными приоритетами в конструкции каждого светильника. Эти уличные фонари бывают разных традиционных и современных форм и хорошо сочетаются со многими сценариями, включая уличные пейзажи в центре города, городские парки, жилые районы, тротуары и велосипедные дорожки. Традиционная эстетика выражается в лампах в виде желудей и фонарей, которые устанавливаются на утопленных и / или конических стержнях с декоративными основаниями. В современном дизайне используются плавные линии и чистые геометрические формы, чтобы обеспечить архитектурную гармонию с окружающими структурами. Между мачтой и светильником должен быть установлен надлежащий баланс, чтобы весь светильник не выглядел непропорционально и не соответствовал друг другу.

 

Конструкция светильника

Учитывая энергоэффективность, оптический контроль, управление спектром и преимущества жизненного цикла светодиодов, светодиодные светильники сложнее проектировать и проектировать, чем традиционные системы освещения. Надежная система светодиодного освещения требует соответствующей интеграции тепловых, оптических, электрических и механических технологий, чтобы гарантировать, что все компоненты работают в пределах заданных параметров. Светодиод представляет собой полупроводниковое устройство, в котором свет генерируется излучательной рекомбинацией электронов в зоне проводимости отрицательно заряженного электрода и дырок в валентной зоне положительно заряженного электрода в p-n-переходе (положительный и отрицательный переход). Эти твердотельные источники света очень чувствительны к рабочей температуре и току возбуждения. Кроме того, светодиоды являются точечными источниками света, и их поток концентрируется на небольшой светоизлучающей поверхности (LES), что выглядит резко и добавляет бликовому профилю светильника.

 

Таким образом, системная инженерия светодиодных светильников обеспечивает жестко контролируемую среду для оптимальной работы светодиодов, эстетически изменяя внешний вид источника света и контролируя распределение излучаемого света с минимальными оптическими потерями. Как минимум, зональный светодиодный светильник состоит из светодиодного модуля, светодиодного драйвера, системы терморегулирования и вторичной оптики. Светодиодные модули обычно интегрируют оптическую линзу в сборку светодиодов, но отражатели, рефракторы, рассеиватели или другие оптические компоненты также могут использоваться для управления распределением света. Поскольку светодиодным системам освещения требуется конвективный отвод тепла с окружающим воздухом, светильники часто архитектурно интегрированы с радиатором системы управления температурным режимом. Драйвер светодиода регулирует мощность светодиода и может реагировать на управляющий сигнал, поступающий от датчика или контроллера освещения.

Источник света

Светодиоды производят белый свет за счет преобразования люминофора, которое включает использование люминофорных покрытий. Люминофор преобразует часть электромагнитного излучения полупроводникового диода в свет с более короткой длиной волны, который смешивается с непреобразованным синим светом, образуя белый свет, воспринимаемый человеческим глазом. Этот процесс выполняется в пакетной архитектуре. Корпус светодиода также обеспечивает интерфейс для светодиодного чипа, обеспечивающий тепловой, электрический и механический контакт с рабочей средой. Третьей целью упаковки светодиодов является защита открытого кристалла от физического повреждения и загрязнения окружающей среды. Производительность, эффективность и надежность светодиодов зависят от эпитаксиальной структуры и материала пластин светодиодного чипа (полупроводникового чипа), а также конструкции корпуса и упаковочных материалов.

 

Вообще говоря, подавляющее большинство производителей светодиодов используют полупроводниковые формы с одинаковой эпитаксиальной структурой и материалом пластины для производства своей продукции. Только несколько производителей светодиодов пошли другим путем. Светодиоды Cree, например, упакованы с запатентованными полупроводниковыми чипами GaN-on-SiC, а не с наиболее распространенными, но менее эффективными и менее надежными устройствами GaN-on-Sapphire. Поэтому качество и производительность светодиодов на рынке во многом зависят от дизайна упаковки и упаковочных материалов продукта.

 

Светодиоды высокой мощности обеспечивают надежность, которую не могут обеспечить светодиоды PLCC средней мощности. Металлизированные керамические подложки обеспечивают эффективный и высоконадежный тепловой путь для операций с высокой плотностью потока. Конструкция корпуса исключает использование пластиковых материалов и выводных рамок, что значительно снижает коэффициент отказа светодиодов. По сравнению со светодиодами средней мощности, мощные светодиоды имеют относительно низкую светоотдачу, но имеют более длительный срок службы и более стабильную мощность. Однако светодиодам высокой мощности трудно конкурировать со светодиодами средней мощности, потому что не все пользователи ставят долгосрочные интересы выше сиюминутных.

Светодиоды Chip-on-Board (COB) имеют большие LES и состоят из массива полупроводниковых микросхем, обеспечивающих равномерное освещение для приложений с высоким световым потоком. Кристалл светодиода монтируется непосредственно на керамическую подложку или печатную плату с металлическим сердечником (MCPCB), чтобы можно было эффективно рассеивать тепло, отводимое от перехода светодиода. Светодиоды COB обычно используются в осветительных приборах, которым требуется широкий источник света с высокой однородностью на небольшой площади источника света. Однако светодиоды COB обычно не используются для зонального освещения, поскольку они требуют очень большого и дорогого оптического компонента для управления углом луча.

 

Управление температурным режимом

Долговечность является ключевым преимуществом светодиодных ламп. Но без терморегулирования срок службы светодиодов может быть таким же коротким, как у ламп накаливания. Светодиоды являются автоматическим нагревательным устройством, и более половины потребляемой им электроэнергии выбрасывается в виде отработанного тепла. Только небольшая часть электрической энергии преобразуется в энергию света. Отработанное тепло должно быть извлечено из перехода светодиода, иначе будут инициированы механизмы отказа, связанные с кристаллом, корпусом и межсоединениями. Типичные проблемы, вызванные перегревом полупроводниковых переходов и окружающих структур, включают термическую деградацию люминофора, растрескивание формы, разрыв соединительной проволоки, усталость паяного соединения, карбонизацию герметика, обесцвечивание пластиковых смол, электромиграцию атомов металла в слоях металлизации и многое другое.

 

Управление температурным режимом светодиодных осветительных систем предназначено для минимизации теплового сопротивления и повышения эффективности рассеивания тепла компонентами на тепловом пути от перехода полупроводника в окружающую среду. Для систем зонального освещения надежность теплового тракта так же важна, как и способность теплопередачи. Эти системы подвержены ударам и вибрации, которые могут вызвать механическую нагрузку на тепловой зазор между корпусом светодиода и тепловыми компонентами системы. Продукция для наружного применения требует дополнительных экологических соображений, а циклическое изменение температуры является основной причиной сбоев межсоединений в системах наружного освещения. Поэтому соответствие высокого коэффициента теплового расширения между теплопроводными элементами имеет решающее значение в теплотехнике. Целостность теплового пути в системах освещения, использующих светодиоды средней мощности, является серьезной проблемой, поскольку паяные соединения между корпусом светодиода и MCPCB особенно подвержены механической и термической усталости.

 

В то время как светодиодные светильники редко выходят из строя катастрофически, большое количество недорогих продуктов склонны к ускоренному спаду светового потока. Это связано с тем, что оптимизация затрат на эти продукты, скорее всего, достигается за счет сокращения затрат на радиатор. Радиатор обеспечивает теплопроводность, передавая тепло от перехода светодиода к границе, а затем к окружающему воздуху за счет конвекции. Поэтому при проектировании типичного радиатора учитывается максимизация теплопроводности материала и эффективной площади теплового пути для эффективной теплопроводности, а также оптимизация граничных условий для эффективной тепловой конвекции за счет увеличения воздушного потока и максимизации общей площади. контакта с окружающей средой. Большинство радиаторов светильников изготовлены из литого под давлением алюминия, который обеспечивает хорошую теплопроводность и обеспечивает гибкость дизайна для эстетических целей и целей тепловой конвекции. Остерегайтесь продуктов с легкими или пластиковыми радиаторами.

Светодиодный драйвер

Драйвер представляет собой электронное устройство, которое преобразует мощность переменного тока в мощность постоянного тока для активации светодиодов, управляемых током. В дополнение к регулированию выхода постоянного тока при изменении напряжения питания или нагрузки, драйвер светодиода должен быть сконфигурирован для компенсации изменений прямого напряжения светодиода. На прямое напряжение светодиода легко влияет температура перехода самого светодиода, что приводит к большим изменениям прямого тока и колебаниям светоотдачи. Светодиодные светильники оснащены светодиодными драйверами постоянного тока. Вместо того, чтобы регулировать напряжение, драйвер светодиода управляет подачей постоянного тока в светодиод и гарантирует, что светодиод не получает больше тока, чем его номинальный ток. Превышение номинальной производительности светодиодов может вызвать скучивание по току и привести к высокой вероятности локального перегрева эпитаксиального слоя и теплового разгона.

 

Как и эффективность источника света, эффективность драйвера светодиода может существенно повлиять на общее энергопотребление системы. Современные драйверы светодиодов в основном основаны на импульсных источниках питания (SMPS), которые регулируют выходную мощность светодиодов посредством операций высокоскоростного переключения. Драйверы светодиодов на основе SMP очень эффективны в преобразовании энергии. Они могут быть разработаны для обеспечения изолированной и регулируемой выходной мощности постоянного тока с хорошей коррекцией коэффициента мощности (PF) и низким общим гармоническим искажением (THD). Однако электромагнитные помехи (ЭМП), создаваемые импульсными стабилизаторами, должны быть подавлены за счет тщательной конструкции печатной платы, экранирования и фильтрации, чтобы соответствовать требованиям электромагнитной совместимости (ЭМС). Дополнительные схемы подавления электромагнитных помех могут значительно увеличить общую стоимость и увеличить объем и без того громоздкого и дорогого светодиодного драйвера.

 

Драйверы светодиодов, используемые в системах уличного и районного освещения, должны выдерживать суровые переходные условия, которым они подвергаются. Некоторые драйверы светодиодов имеют встроенную молниезащиту, обеспечивающую невосприимчивость подключенных светодиодных модулей к дифференциальному и синфазному режимам. В зависимости от местных условий вход переменного тока светильника или драйвера светодиодов должен обеспечивать дополнительную защиту от чрезмерных переходных перенапряжений для поглощения высокой энергии импульса. Грозозащитными разрядниками могут быть металлооксидные варисторы (MOV), газоразрядные трубки (GDT) или диоды для подавления переходных напряжений (TVS).

Управление освещением

Драйверы светодиодов играют жизненно важную роль не только в работе светодиодов, но и в управлении световым потоком светодиодов. Драйверы светодиодов с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) или диммированием с постоянным уменьшением тока (CCR) позволяют реализовать различные стратегии управления освещением в наружных светильниках. Светодиодные зональные светильники могут быть автоматически основаны на времени, окружающем освещении и / или на основе присутствия, затемнения и включения-выключения с использованием часов, фотоэлементов и / или датчиков движения. Сетевое управление освещением через централизованную систему управления (CMS) позволяет размещать светильники и управлять ими по отдельности или группами. Добавление возможностей Интернета вещей (IoT) к зональным осветительным приборам открывает многочисленные возможности для расширенного управления освещением и интеллектуальных городских услуг.

 

Распределение света

Зональные светильники имеют множество применений и предъявляют различные требования к распределению света. Эти системы должны быть спроектированы так, чтобы распределять свет по площади, обычно распределенной по его боковому (вдоль дороги) и боковому (поперек дороги) направлениям.

Боковое распределение света с максимальным излучением в канделах происходит при более высоких вертикальных углах, что позволяет увеличить расстояние между светильниками. Светильники с боковым распределением, расстояние до которых в 3,75-6,0 раз превышает высоту установки, относятся к светильникам с дальним распределением. Боковое распределение света с максимальным излучением в канделах с меньшим вертикальным углом имеет более короткое расстояние между светильниками, но значительно снижает блики системы. Когда длина горизонтального распределения света лампы в 1,0–2,25 раза превышает высоту установки, это короткая конфигурация. Когда поперечная длина светораспределения светильника в 2,25-3,75 раза превышает высоту установки, он относится к светильнику со средним светораспределением.