【科技小论文】地铁LED照明系统设计及节能分析

[摘要]随着当前科技的不断发展，照明系统中LED节能灯逐渐代替了普通用的白炽灯，LED等在我们生活中有着广泛的应用，地铁照明系统中也采用了LED灯进行照明，本文就地铁LED照明系统设计及节能技术进行分析。

[关键词]地铁；LED；照明系统；设计；节能分析

一、前言

在地铁照明系统中目前普遍使用的是LED照明，在LED系统设计的过程中要考虑节能设计，减少能源的浪费。根据地铁使用的条件选择合适的照明设备。

二、LED介绍

发光二极管LED(lighte呱t吨diode)是一种能够将电能转化为光能的固态的半导体器件,具有体积小、耗电量低、使用寿命长、亮度高、热量低、环保、耐用等优良的特点。第一枚LED于20世纪60年代初期诞生于美国,颜色为红色。随着半导体材料、工艺、制造、封装等一系列技术的发展,作为第四代光源的LED已从光色、功率及亮度方面有了开创性的进展,目前LED己有红、橙、黄、绿、蓝、紫、白等各种光色,类型不仅有高亮度、低功率、中功率的,还再向高功率型转变。单个LED芯片功率也越来越丰富,从0.03W至IW都渐渐俱全。相较其他照明方式,发光效率提高了很多,白炽灯、卤钨灯可见光效率为12一24耐W,荧光灯可见光效率为30一701而W,钠灯可见光效率为90一1401耐W,至2012为止,LEn的发光效率从0.llln/w已发展到208lm/w。

三、LED节能灯具的主要分类

目前，供人们生产、生活所使用的灯具种类很多，一般可以分为稀土三基色紧凑型、荧光节能型以及日光型等。其中稀土三基色紧凑型荧光节能型是我们日常生活中，室内使用的主要灯具。三基色荧光节能灯按照灯管的外形进行分类，一般使用英文表示为H、2H形、U、2U、3U形、2D形、O形、T形和螺旋形等。灯具的设计成不同的形状，主要是为了满足不同的装配。而其中技术最先进最环保的要数LED型节能灯，LED节能灯具发光的角度大，多用于室内。从功率角度出发，LED节能灯具可以分为：大功率和小功率两种类型，大功率主要是指单颗光源功耗1W及其以上，现有的大功率LED节能灯具的常用型号有1W、3W、5W。与之相对应的小功率是指单科光源功率在1W以下，电流量也较小，只有几十毫安。小功率的LED节能灯在很早的时候开始使用，但是质量和寿命无法保证。而大功率的LED节能等是最近三年才逐年使用的，比小功率LED灯具，寿命长、效率高。

四、LED灯设计

大功率LED照明灯具成像光学在成像光学设计中，光学系统是作为主要的成像工具，主要通过几何光线的概念来研究光线传播的规律，对于光线传播中能量的传递产生的变化缺乏相应的研究，然而非成像光学则与成像光学是不同的，其从物理学的角度认为，光线在传播的过程之中携带着相应的辐射能，那么光线传播的方向也就是所对应的辐射能的传播方向。因此，当从研究能量变化的角度出发，光学系统本身也是传递对应的辐射能量的介质，光线的传播过程本身也就是是对应的能量的传输过程，非成像光学理论主要从这种能量传播的规律的角度对整个光学系统进行研究。非成像光学理论应用的主要目的是研究整个照明系统，但是这个照明系统本身是对光线传播过程中的光能的传递起到一种控制作用，而不是类似于成像光学理论中起到成像的作用，但是成像问题并不能被排除在非成像设计之外，非成像光学理论是主要是为了解决两大类问题而产生的，一类是如何使所传递的能量最大化，另一类是如何在目标平面上得到符合照明要求的照度分布，此两个问题在通用照明领域通常被称作集光和照明。聚光器通常可以分为两类，一类称为三维聚光器，另一类是二维聚光器，二维聚光器又可称为线性聚光器，线性聚光器的汇聚比通常用横断面上的输入与输出尺寸的比值表示。对于二维聚光器和三维聚光器(具有轴对称特性)来说，可以求得c的最大值，假设输入和输出媒介都有相同的折射率，当圆形光源在无穷远处以iθ的发散角发射光线。当通过光学系统的时候，汇聚比的最大值maxC达到21/siniθ，当出射光的角度和出射面汇聚成像二次配光。光学扩展量具有一定的物理意义：光学扩展量可以用来评价光学元件对于整个光学系统的能量利用率的影响，也可以用来描述光束本身的特性，对于具体的光学元件而言，光学扩展量则代表了光学元件对于光束的收束能力，利用光学扩展量的概念，

五、LED灯特点

经数十年技术改良，LED有着诸多特点:首先其发光效率高，同等照明效果下，耗电量是白炽灯泡的八分之一，一般荧光灯管的二分之一。一个LED灯在理想情况下可以使用50年，而且没有钨丝、玻壳等容易损坏的部件，非正常报废率很小。在LED的寿命期内，LED一般都能稳定地工作，维护工作量较小，有较好的电气安全性能。LED具备瞬时启动、无频闪、光色纯、无重影的特点，在使用时不会对人眼产生伤害，而且LED显色性能良好，耐震、耐冲击性能都超过了目前所有其它类型的电光源产品。此外，LED产品灯体内不含汞等对人体有害物质及各类有害惰性气体如纳、卤族元素等，使用时不会有碳排放、光源没有紫外线辐射，是真正意义上的绿色环保产品。未来应用于轨道交通照明的LED照明产品形式将多种多样。王钢认为，目前车厢内照明以日光灯管为主，今后可能会使用一些LED室内照明产品替代，车厢外用灯可能会出现LED筒灯等形式。LED在地铁照明氛围营造方面会发挥很大作用，新产品会出现，但总体会与LED的模组化、个性化等大方向一致。“应用于轨道交通的LED灯具，特别是车厢内照明灯具将向一体化集成光源模组方向发展，这种一体化集成光源模组是多芯片集成光源与具有扩散、配光功能的光学薄膜一体化封装的光源形态，用这种光源顺次排列，形成无缝连接的条状光源，可从封装层面解决光源亮度均匀性问题。”

六、LED节能灯元器件的选择

1、LED节能灯一般选用高亮度白光二极管，电压保持在3.0-3.6之间。图1以40颗LED节能灯为了，每盏灯的电压数为3V，总电压数为120V。

2、R1为电源进线中的一个300Ω/2W-5W的串联电阻，可以有效减少电路短路故障，避免故障扩大化，还可以便于测量电压计算电路消耗功率。

3、C1为整个LED灯运作带去电容降压，利用电容在交流信号的一定频率下产生的容抗来限制LED等的最大工作电流，如在50Hz的工频下，11uF电容产生的容抗大约为3180Ω，当220V的电压在电容器两端进行流通，其最大电流可产生至70mA，尽管有电流通过，但在电容器上不会进行消耗，电容达到理想度，其流动电流为虚部电流，所做功则为无功功率。

4、R3为限流电阻，一般在5K左右，防止电路电压和温度升高，限制LED电流。C2为滤波电容，能够对从C1通过的充电电流产生缓冲作用，减少电流对LED电路的损耗，要采用耐压250V以上的电容。C2是滤波电容，开灯的瞬间因为C1的存在会有一个很大的充电电流，该电流将会对LED产生损伤,有了C2的介入，开灯的充电电流完全被C2吸收起到了开灯防冲击保护，滤波电容要用耐压250v以上。

七、LED照明技术在地铁照明系统应用的优势

1、寿命长

常用的卤素灯、HID灯使用寿命在2000小时或3000小时左右，但是LED的使用寿命则可以达到100000小时以上，并且采用LED光源的灯具的使用寿命可达20000小时以上，减少了地铁更换灯具的次数，提高效率。在地铁长期使用中，在环境恶劣的情况下，照样可以正常工作，不易损坏，因此LED使用寿命较长。

2、安全、可靠性

卤素灯里面含有灯丝，在高强度震动的情况下特别容易发生损坏，而LED灯内没有易损、易爆的部件，因此LED灯的抗震强度性能很好，比较有安全、可靠性。

3、高效、节能环保

航行灯常用的卤素灯发光的效率是20~33lm/w，滑行灯、着陆灯谱表采用的HID灯发光的效率是80~100lm/w.而白光的LED灯发光效率则已经达到了120lm/w以上，节省了20%的电能。

4、光学设计的先进性

地铁照明系统对光的分布要求非常高，大面积的光源，光的利用率就很低。而LED采用了先进的光学设计，发光面积很小，是一种高性能的照明灯具。

5、可调颜色，显色性极好

荧光粉可以改变发光光谱，通过调整荧光粉的成分，因此白色的LED显色性很好，并且还可以调换不同色度的LED来适应各种场合的不同需求。

6、响应速度快

LED光源的灯具响应速度非常快，响应时间可以在纳秒量级，还可以对亮度进行方便控制，在地铁的照明系统中，比如频闪灯、防撞灯这些都需要闪光的频率一定要快。

八、结束语

由于LED灯具有长寿命、高效、节能等特点在地铁照明系统中被广泛的采用，但是，在设计安装的过程中要综合考虑地铁的运行情况，保证地铁运行的安全。

参考文献

[1]王希娟.LED照明智能控制系统设计[J].制造业自动化,2010

[2]谢艳生.基于TCP/IP&DMX512协议的LED装饰照明系统[J].照明工程学报,2012