高桅杆LED照明设计要求及应用

在商业航空运输的残酷业务中，机场运营商不断寻求解决方案，不仅可以降低运营成本，还可以提升乘客体验。基于LED的节能照明显然符合要求。 LEED（能源和环境设计领导力）计划提供额外的激励措施，机场可以获得节能照明的金牌认证，使其具有感知的竞争优势。因此，商业机场照明中的LED市场正在飙升。

机场照明可以大致细分为三个主要区域：高桅杆户外照明，用于围裙，道路和停车场的大面积照明;跑道，出租车道和进近道路的地面照明;和室内终端照明。

本文将重点介绍高桅杆照明，它与街道和道路照明的要求相似。不同之处在于桅杆通常更高，30米或更高，而路灯则为10至20米。机场的高桅杆户外区域照明，主要是飞机停放围裙和停车场，正在迅速转换为LED光源。

主要的动力是低能耗操作和减少维护所带来的成本节约，据称是50％或以上。然而，其他公认的好处包括提高安全性，因为更高的显色指数可以提高夜间能见度，并通过可调光性，可调光强度，可选色温，即时开启，无闪烁操作和整体可控性等功能提高光质量。

图1：慕尼黑机场是欧洲最大的机场之一，正在用LED模块取代其HPS高桅杆泛光灯，以节省能源成本和二氧化碳排放量。

本文将考虑两个LED系列广泛用于高桅杆照明应用：Cree的XLamp®XT-E系列和PhilipsLumiledsLUXEON®-K系列。将参考设计技巧，以了解如何估算每个模块所需光源的类型和数量。将进一步强调照度模拟的重要性，以展示和验证设计配置的光分布。还将包括有关热管理，特别是散热器要求的进一步指导。 TE Connectivity的无焊LED支架（217340）以及如何使用合适的热互连材料（TIM）进行组装，说明了这一点。例如Aavid Thermalloy的Ultrastick热化合物，以及专为LUXEON-K LED阵列设计的Ohmite和Nuventix散热器。

高桅杆，高可见性 - 机场的新装置通常利用LED进行高桅杆照明应用。与此同时，许多机场和机场正在寻求升级到LED照明，利用现有的基础设施。英国伯明翰机场正在寻求承包商将其高桅杆照明升级为LED。与此同时，慕尼黑机场是欧洲最大的国际枢纽之一，最近宣布将在飞机停机坪以及道路和停车场的基础上更换高压钠灯（HPS）和基于LED的解决方案。见上面的图1.

由于双重目标是节省能源成本并确保二氧化碳排放量不超过2005年的水平，慕尼黑机场预计将在第一阶段完成后将其年度能源消耗量减半并减少70吨二氧化碳排放量。进一步更换围裙泛光灯和外部灯预计每年可节省超过5000吨的二氧化碳。每个HPS高桅杆灯将更换为包含288个Cree XLamp XT-E LED的模块。然而，直到最近才能以合适的价格提供足够高亮度，高效率的LED，以满足高桅杆照明的需求。

显然，这些高功率，高能源的节能潜力-mast类型的应用程序是巨大的。通常使用1000 W HID，金属卤化物或HPS照明灯具的灯具可轻松更换为204，320或400 W LED灯具。光输出可以是16，000到多达40，000流量的光通量。使用LED，可以轻松实现70到95的CRI，这对于提高夜间能见度非常重要，因此被视为安全问题。颜色更自然地呈现，并且它们避免了HPS光源常见的黄色色调（CRI大约25），这在恶劣天气条件下可能是一个真正的问题。

选择色温的能力也很重要，无论是作为恒定或可编程功能。范围从3000K到6000K，可以指定光质量以匹配要照明的目标区域的精确性质。使用LED，光强度可以从100％到75％或更低，从而产生更大的节能效果。寿命通常保证超过50，000小时，保修期为5年，从而实现下一个显着的成本节约因素：减少维护。

设计高于地面30米的高桅杆灯与路灯有一些相似之处，但有些也有差异。高桅杆灯具设计师通常执行照度和亮度模拟计算，以证明所提出的装置在所需区域内提供均匀的泛光照明。在大多数改型应用中，设计仅限于使用现有的高杆电杆。

验证设计是否符合照明要求并消除整个照明区域的光晕和暗区以避免光污染同样重要。 。光线溢出到不需要的区域不仅浪费，而且往往是不合需要的。滋扰照明的例子包括附近住宅区和酒店综合体的溢出，夜间道路上的致盲司机，以及从未屏蔽的上照灯产生“天空发光”，特别是在农村地区。

设计方法

领先的LED供应商，Cree ，已经制作了许多应用笔记，设计指南和参考设计，旨在帮助照明设计师和指定人员确保他们为应用创造最合适的灯具。一个良好的开端是LED灯具设计指南， 1 一个通用文档，提供了作为六点设计过程组织的一般指南。另外，Cree发布了XLamp XT-E路灯参考设计。 2 XT-E LED不仅广泛用于路灯，还用于其他高桅杆照明应用，如机场停机坪照明，使本文档的大部分内容特别有用。它详细说明了顶灯照明的理想强度分布等问题，具体取决于要点亮的区域和IES-MLO定义的照明区域。它总结了用于评估室外照明装置的系统，使用背光，上照灯和眩光的最大流明水平 - 所谓的BUG值。

进一步考虑热要求（散热片），满足光束模式的二次光学器件要求，以及IP65级驱动电子设备。有用的是，Cree有一个在线产品特性描述工具（pct.cree.com），可用于确定设计的驱动电流，给定目标光学效率和驱动器效率。它还将计算实现设计中指定的光输出所需的LED数量。可以考虑设计约束，例如功率，效率，尺寸（最小化每个灯具的LED数量），甚至成本。

图2：左图：DIALux模拟路灯设计，包含四个LED模块，每个模块每个灯具有十四个Cree XLamp XT-E LED，产生的光输出接近11，000流明。模拟显示在道路两侧以30米间隔的10米高桅杆的光分布。右图：典型高桅杆照明应用的DIALux可视化。

Cree建议可以使用德国公司Dial，www.dial.de上免费提供的DIALux软件模拟原型设计。评估高桅杆照明设计的有效性不仅需要考虑桅杆的高度和到达地面的光量，还要考虑表面的类型，无论是深色柏油路面还是轻质混凝土铺路。请参见上面的图2.

Cree提供XT-E系列中的多种高亮度LED选择，但对于高桅杆户外照明应用，使用更高CCT额定值的设备可实现最大流明输出。 XT-E AWT-F51和XT-E AWT-G51的CCT为6200K，分别提供高达126 lm/W和135 lm/W的光输出。

散热器和支架

与传统光源不同，LED不需要热量来产生光。然而，与其他半导体器件一样，随着结温升高，会产生热量。在这种情况下，在产生光的有效区域。虽然安装在基板上的LED阵列可以合理地热效率，但是由于基板通常传导热量，因此更有效和理想的解决方案是将基板安装到散热器上。

飞利浦Lumileds Luxeon-K系列LED阵列广泛用于高桅杆照明应用。该器件具有高光通量，系列中的某些部件可达4000 lm，色温可选择3000至5000K以上。 LXK8-PWxx-0024处于该系列的最高端，可提供2475流明的中性白光（4000K）光。这些阵列被描述为在空间受限的改装和筒灯应用中轻松组装的理想选择。该公司已经制作了一个有用的应用笔记 3 ，其中包括这些阵列的装配和处理信息，以及如何最好地安装它们以实现最佳热管理和电气互连的详细信息。

金属芯PCB基板由铝制成，用于LED之间的良好热路径，具有用于附接到散热器的机械安装件，以及用于将电线馈送到基板顶部上的电焊盘的槽。 TE Connectivity提供特殊的LUXEON-K无焊LED插座LK2173470，可用于将LED阵列电气，机械和热固定到散热器上。见下面的图3。或者，发射器可以直接安装在散热器上。

图3：TE Connectivity无焊LED插座设计用于Philips Lumileds Luxeon-K LED阵列，在这种情况下， LXK8-PWxx-0012。

Philips Lumileds建议使用热界面材料（TIM）将发射器热连接到散热器。目的是填补两个表面之间的任何微小间隙。 TIM有多种形式，包括浆料，油脂，石墨片和垫。该公司警告称，过厚的材料（如某些焊盘）可能会产生不可接受的热阻，而某些材料在非常高的温度下可能效果不佳，从而在热路径中产生空隙。

Aavid Thermalloy的Ultrastick相变TIM等产品可以有效地使用，因为它在方便的涂布棒中提供，可以均匀，快速地涂抹薄涂层。它是一种基于石蜡的化合物，它在60°C时发生相变，同时具有填充间隙的体积膨胀。工作温度范围为-40至200°C。

对于散热器本身，Philips Lumileds强调其设备必须安装在适当大小的散热器上，以确保结温保持低于LUXEON规定的最大值 - K数据表。应用笔记详细介绍了如何通过在设备上安装热电偶来测量结温。

在内部测试中，Philips Lumileds展示了Ohmite SA-LED-113E散热器的有效性，黑色阳极氧化单元，可与一系列星形LED阵列配合使用。但是，也可以使用专为LUXEON-K系列设计的其他散热器;来自Nuventix的NX301113。

更广泛的应用

高桅杆LED照明不仅适用于机场停机坪和道路。许多需要高桅杆照明的联合应用也转向LED技术以获得这些和其他好处。设施包括水处理工程等大型工业用地。 Cree已经制作了一个有趣的案例研究 4 ，说明美国水回收设施如何改善夜间能见度，以及通过将现场照明从HPS升级到LED高桅杆灯来降低能耗。类似的应用可以在运输和集装箱设施，铁路站场，惩教设施和卡车站，以及体育和娱乐体育场中找到。在更新高速公路交汇处和收费站广场等区域时，改善夜间能见度的好处被证明是有吸引力的。总之，商业机场业务可能被认为是世界上最大的污染者之一，这可能具有讽刺意味。二氧化碳的条款是最大声颂扬基于LED的节能照明减少碳排放的优点之一。