引言道路照明是城市照明的重要組成部分，傳統的路燈常采用，高壓鈉燈360度發光，光損失大的缺點造成了能源的巨大浪費。當前，全球的環境在日益惡化，各國都在發展清潔能源。而隨著國民經濟的高速增長，我國能源供需矛盾日漸突出，電力供應開始存在著嚴重短缺的局面，節能是所急需解決的問題。因此，開發新型高效、節能、壽命長、顯色指數高、環保的LED路燈對城市照明節能具有十分重要的意義。道路照明與人們生產生活密切相關，隨著我國城市化進程的加快，LED路燈以定向發光、功率消耗低、驅動特性好、響應速度快、抗震能力高、使用壽命長、綠色環保等優勢逐漸走入人們的視野、成為世界上最具有替代傳統光源優勢的新一代節能光源，因此，LED路燈將成為道路照明節能改造的最佳選擇。LED路燈與常規路燈不同的是，LED光源采用低壓直流供電、由GaN基功率型藍光LED與黃色合成的高效白光，具有高效、安全、節能、環保、壽命長、響應速度快、顯色指數高等獨特優點，可廣泛應用于道路。外罩可用制作，耐高溫達135度，耐低溫達-45.1、本身的特性--光的單向性，沒有光的漫射，保證光照效率。2、LED路燈有獨特的二次光學設計，將LED路燈的光照射到所需照明的區域，進一步提高了光照效率，以達到節能目的。3、LED的已達110-130lm/W，而且還有很大的發展空間，理論值達360lm/W。而高壓鈉燈的發光效率是隨功率增加才有所增加，因此，總體光效LED路燈比高壓鈉燈強;(這個總體光效是理論上的，實際上250W以上高壓鈉燈的光效高于LED燈)。4、LED路燈的光顯色性比高壓鈉燈高許多，高壓鈉燈顯色指數只有23左右，而LED路燈顯色指數達到75以上，從視覺心理角度考慮，達到同等亮度，LED路燈的光照度平均可以比高壓鈉燈降低20%以上，。5、光衰小，一年的光衰不到3%，使用10年仍達到道路要求，而高壓鈉燈光衰大，一年左右已經下降30%以上，因此，LED路燈在使用功率的設計上可以比高壓鈉燈低。6、LED路燈有自動控制節能裝置，能實現于滿足不同時段照明要求情況下最大可能的降低功率，節省電能。可實現電腦調光，分時間段控制，光線控制，溫度控制，自動巡檢等人性化功能。7、壽命長:能使用5萬小時以上，提供三年的質量保證。不足之處就是電源的壽命得不到保證。8、光效高:采用≥100LM以上的芯片，相對于傳統高壓鈉燈能節能75%以上。9、安裝簡便:無需加埋電纜無需整流器等，直接將安裝于燈桿接上或者將光源嵌套原有燈殼。10、散熱控制出色:夏天溫度控制在45度以下，并采用被動散熱方式，夏天的散熱保障不足。11、質量可靠:電路電源全部采用高質量元器件，每顆LED都有單獨過流保護，無需擔心損壞。12、光色均勻:不加透鏡，不以提高亮度而犧牲均勻光色，從而保證無光圈光色均勻。13、LED不含有害金屬汞，在報廢時不會對環境造成危害。綜合上述原理的節能效果顯著，代替高壓鈉燈可節電60%以上。維護成本低:相對于傳統路燈，LED路燈維護成本極低，經過比較，不到6年即可收回全部投入成本。缺點1、單個LED功率低。為了獲得大功率，需要多個并聯使用。2、顯色性低。在LED照射下顯示的顏色沒有白熾燈真實，這要從光譜分布上來分析，屬于技術問題。3、光斑。由于白光LED本身制造工藝上缺陷加上與反射杯或透鏡的配合誤差，容易造成"黃圈"問題。4、LED照射均勻度問題。如果不進行二次光學設計，LED的照射是比較集中，所以一定要進行二次光學設計，使其光強分布圖呈蝙蝠形。5、LED的光衰問題。相比小功率LED，大功率LED路燈的光衰就會要好很多。但是小功率LED熱量散發很小。而大功率的LED是存在散熱沒有辦法解決的問題，而且發熱后亮度會明顯降低，所以功率不能做大。市場銷售的SparkLED路燈最大的是360W。1、照明用LED的最大特點是具有定向發射光的功能，因為功率型LED幾乎都裝有反射器，并且這種反射器的效率都明顯高于燈具的反射器效率。另外，LED的光效檢測時已經包括了自身反射器的效率。采用LED的道路燈具應盡可能地利用LED的定向發射光的特性，使道路燈具中的各個LED分別直接把光線射向被照路面的各個區域，再利用燈具反射器的輔助配光，來實現很合理的道路燈具的綜合配光。應該說，道路燈具要真正做到符合CJJ45-2006和CIE31以及CIE115標準的照度和照度均勻度要求，燈具內應包含三次配光的功能才能比較好地實現。，而帶反射器的并且具有合理的光束輸出角度的LED本身就具有良好的一次配光功能。在燈具內，能按照路燈具高度及路面寬度設計各個LED的安裝位置和發射光的方向就能實現良好的二次配光功能。在此類燈具中的反射器，只作為輔助的三次配光手段，來保證道路照度更好的均勻度。在實際的道路照明燈具的設計中，可采用在基本設定每一個LED設射方向的前提下，把每一個LED用球形萬向節固定在燈具上，當燈具使用于不同的高度和照射寬度時，可通過調整球形萬向節使每一個LED的照射方向都達到滿意的結果。在確定每一個LED的功率、光束輸出角度時，可根據E(lx)=I(cd)/D(m)2(光強和照度距離平方反比定律)，分別計算出各LED在基本選定光束輸出角度時應該具備的功率，并且可以通過調整各LED的功率以及LED驅動電路輸出給每一個LED不同的功率來使每一個LED的光輸出都達到預計值。這些調整手段都是采用LED光源的道路燈具所特有的，充分利用這些特點就能實現于滿足道路路面的照度和照度均勻度的前提下降低照明功率密度,達到節能的目的。2、LED路燈的電源系統也與傳統光源不同，LED所特需的恒流驅動電源，是保證其正常工作的一大基石，簡單開關電源的方案常會帶來LED器件的損傷。如何使緊密壓縮在一起的一組LED安全、也是考察LED路燈的一個指標。LED對驅動電路的要求是能保證恒流輸出的特性，因為LED正向工作時結電壓相對變化區域很小，所以保證了LED驅動電流的恒定也就基本保證了LED輸出功率的恒定。對于我國電源電壓供應不穩定的現狀，道路燈具LED的驅動電路具有恒流輸出特性是十分必要，可保證光輸出恒定并且防止LED的超功率運行。要想使LED驅動電路呈現恒流特性，從驅動電路的輸出端向內看，其輸出內阻抗一定是高的。工作時，負載電流也同樣通過這一輸出內阻抗，如果驅動電路由降壓、整流濾波后加直流恒流源電路或通用的開關電源加電阻電路組成，在其上必定也消耗很大的有功功率，所以此兩類驅動電路在基本滿足恒流輸出的前提下，效率是不可能高的。正確的設計方案是采用有源電子開關電路或采用高頻電流來驅動LED，采用上述兩種方案可以使驅動電路在保持良好的恒流輸出特性的前提下，仍具有很高的轉換效率我國的道路燈具，基本都采用HID光源加配觸發器和電感鎮流器的模式，這一模式雖說存在能效較低及頻閃的問題。而采用電子驅動電路的LED燈具，在野外照明場合使用時，威脅其可塑性的一個重要方面是雷電感應問題。眾所周知，空中的閃電發射的是一廣譜的無線電波，而架空的道路燈具供電線路，是良好的接受無線。兩根電源線接收的同一閃電發出的無線電波，對驅動電路來講是屬于共模干擾信號，這種共模干擾對地可達數佰伏到數千伏，很容易擊穿驅動電路內的EMC接地電容或較小的對地(對外殼)的電氣間隙，造成驅動電路的損壞。另外由于我國的供電線路是三相四線制中性線接地的極性電源，所以在兩根架空供電線的各段，在感應到閃電的無線電波的瞬間，由于兩根供電線對地的瞬時阻抗不同而使兩根供電線間產生一個差模的干擾電壓，這一瞬時差模干擾電壓也可達到數百伏至3000多伏，這一電壓往往會擊穿驅動電路的電源整流二極管和印制線路板上的不同極性電極間的電氣間隙，LED控制器同樣會使驅動電路損壞。要解決這一問題，必須在LED的驅動電路中的輸入端，并接快速響應的壓敏電阻，以保證差模干擾的泄放。由于閃電的感應干擾是重復多次的，當干擾電壓高時，壓敏電阻瞬時導通泄放的電流可能很大，所以采用的壓敏電阻不僅應具有快速的響應能力，還應具備瞬時導通數十安培的泄放能力而不損壞。除了采用壓敏電阻外，LED的驅動電路的輸入端還應結合傳導干擾(EMI)的防護，設計有復合的LC網絡，使這些LC網絡不僅能阻礙內部的EMI對電網的泄露，而且能對閃電的干擾信號起到明顯的抑制作用。還有，LED驅動電路各點對地的電氣間隙應保持在7mm以上，EMI防護的接地電容以及驅動電路的對地絕緣強度，應達到強化絕緣(4V+2750V)的要求，這樣能使LED的驅動電路具有良好的抗差模和共模雷電感應的能力。

第1章課題整體框架 11.1課題任務 11.2課題要求 11.3研究意義 1第2章TracePro軟件簡介 22.1仿真軟件簡介 22.1.1TracePro簡介 2第3章設計方案 43.1功能實現及原理介紹 43.1.1功能實現描述 43.2LED選型 43.2.1LED選型 43.3建模及屬性參數設置 43.3.1單顆LED及參數設定 43.3.2路面建模 43.3.3LED陣列排布 43.3.4線路板建模 43.3.5線路板總成陣列 4第4章光學模擬及修改 134.1光學模擬 134.2模擬及結果查看 134.3原因查找及修改方案制定 134.4不同方案光學模擬及結構 134.5最終方案確認 134.6實現展示 25第5章總結 28參考文獻 29致謝 30附錄 311.1課題任務LED作為新一代光源，其已經大量普及，特別是在LED路燈市場，其節能，環保，壽命長，體積小等優點，加上政府重點工程采購及支持，LED路燈已加快更新替代白熾燈光源的路燈以及節能燈光源路燈。本論文將用TracePro軟件設計出滿足《CJJ45-2015城市道路照明設計標準》分類中機動車道路支路所使用的一款LED路燈。1.2課題要求本次課題要求用TracePro軟件設計LED燈具模型，并進行光學仿真。仿真結果必須符合路燈國家標準《CJJ45-2015城市道路照明設計標準》中機動車支路所使用的的LED路燈，照度平均在8lx—10lx，均勻度大于等于0.3,以及滿足國家標準《GB24827-2009道路與街路照明燈具性能要求》中短投射III類。如下圖所示1.3研究意義隨著技術的不斷成熟，LED路燈的節能效果日益凸顯，尤其是LED的智能控制特性不僅強化了LED路燈產品的優勢，更大大提升了道路照明系統節能的空間。因此，在當前節能減排的大背景下，各地政府廣泛推廣LED路燈產品。受益于政府重點工程采購、LED路燈建設繼續大規模推廣等利好因素，LED路燈照明系列指數近期整體呈現持續上揚態勢，大大地刺激了LED路燈照明市場在LED路燈中，反射鏡類路燈因結構簡單，所以在路燈市場有很大的優勢。LED路燈燈中關鍵部件為反射鏡，在其中占的成本比較高，因此對反射鏡的結構進行設計與優化具有重要的意義。隨著電腦的普及和光學設計軟件功能的逐步完善，使很多設計變成了可能，這也有效的推動了反射鏡設計技術的進一步發展。本文借助光學設計軟件Tracepro，采用矩陣分布，通過模擬仿真，將反射鏡結構進行了設計優化，從而達到出光面照度均勻。2.1仿真軟件簡介TracePro是美國LambdaResearchCo．所開發的一套光學仿真軟件，是一套普遍用于照明系統、光學分析、輻射度分析及光度分析的光學仿真軟件。與其它的光學設計軟件相比，TracePro既具有真實立體模型的建模方法，又兼具強大的光學分析功能。尤為可貴的是，它是第一套以符合工業標準的ACIS(立體模型繪圖軟件)技術為核心的光學軟件。設計一個照明系統，首要任務是建立一個實體模型，TracePro跟3D實體模型的兼容性非常的高，可以將AutoCAD、MechanicalDesktop、CADKEY等機械制圖軟件設計的模型直接導入，也可從非ACIS內核的光學設計程序（OSLO、ZEMAX、CodeV等）導入光學鏡頭。除此之外，你也可以自己創建一立體模型，TracePro自帶的建模功能，可以建立塊，柱，錐，球面和薄板，也允許你建立在光機一體機中常見的光學元件，如菲涅耳透鏡（Fresnellens），反射體（reflector），燈管（tube）等。一些非規則的復雜模型，可通過布爾運算建立，布爾運算包含：相交，相減，聯合。通過Sweep（填充延伸）和Revolve（旋轉）命令對可以模型進行修改。不僅如此，TracePro還具有強大的物件(Object)編輯功能，移動、選裝、縮放、剪切、復制、粘貼、插入等操作都非常方便直觀，操作風格與Windows基本相同。作為光學仿真軟件，實際物體與仿真結果中的光線的分布與光強一致或基本相同，才有實際意義。TracePro用“普適光線追跡”技術來追跡光線，這種技術允許你引入光線到一個模型，而在物件和表面相交處并沒有引起額外的損失。在每個交點，個體光線遵從吸收、反射、折射、衍射和散射定律。符合實際的光路走向，使所設計的模型都能正確的分析出來。TracePro同時還具有強大的光學分析功能。分析菜單提供多種方法來顯示光線追跡數據。DisplayingRays（顯示光線）和RaySorting（選擇光線），讓你觀察數據是否是你期待的結果。IrradianceMaps（光照分析圖）、RayTables（入射光線表格）和PolarizationMaps（光偏正分析圖）提供每一個表面的模擬結果。CandelaPlots（光強分布圖）顯示模型中光線數據的角度分配。VolumeFluxViewer（光通量）能夠觀察模型內部的流量分布。ReportsMenu（報告菜單）幫助你完成分析光線數據和模型的多種報告形式。Tools(工具)菜單包括附加的功能來幫助你完成光線追跡結果。TracePro主要功能1、光強分布

2、系統光效、亮度、照度分布

3、光照實景渲染

4、熒光粉熒光效應

5、在照明和成像系統中光的分布情況

6、系統每個元件及物面上流明的入射、吸收及照度分布情況

7、對照明精確的建模和性能分析

8、界面簡潔直觀，易于操作，友好的設計便于分析師和工程師的運用

9、能與CADSolidworksAutoCadProEngineer等格式3D模塊接TracePro應用范圍TracePro具有廣泛的應用領域能模擬所有的類型的顯示系統、照明系統，從背光到前光、光管、光纖以及LCD投影系統，目前廣泛應用于汽車照明系統（前頭等、尾燈、內部及儀表照明）、望遠鏡、照相機、紅外線成像系統、導光管、投影顯示系統、背光源系統等。TracePro可以同時或個別考慮反射、折射、吸收、雙向散射(BSDF)、體散射(bulkscatter)、漸變折射(gradientindex)、光學薄膜(thinfilmstack)、熒光粉(Fluorescence)及偏振膜(polarization)等光學材料行為。搭配MonteCarlo的統計采樣計算方法，其光線追跡的結果十分可靠，能夠準確地預測光學行為。TracePro是一套與工業設計軟件可以快速而輕易接軌的光學分析軟件，能顯著提升企業對產品研發創新的能力；而其準確可靠的分析能力，使其在全球與臺灣的市場占有率都非常的杰出，并被各項產業廣泛地使用。3設計方案3.1功能實現及原理介紹3.1.1實現功能描述此LED路燈采用LED直接照射發方式來實現，通過陣列幾塊不同角度線路板上的LED直接照射來實現，每塊線路板上陣列排布多顆LED。此LED路燈包含燈罩、多個線路板、燈殼、底座組成成。LED均勻布置在線路板上，每個線路板之間有角度。如圖下所示。3.2LED選型及排布3.2.1LED選型LED英文為（lightemittingdiode），LED燈珠就是發光二極管的英文縮寫簡稱LED，這是一個通俗的稱呼。LED分類：分為插件式和貼片式插件式LED貼片式LED隨著LED產業的反發展，以及自動化的應用，貼片式LED的焊接和自動化程度要優于插件式LED，并且貼片LED直接通過SMT設備高速自動化焊接質量及效率要高于插件式LED，采用自動化SMT貼片焊接，使得制造工藝簡化，大大節約人力、節約成本。故此LED路燈采用貼片LED.根據國家標準《CJJ45-2015城市道路照明設計標準》中4.1.3的要求，當采用發光二極管（LED）燈光源時，應符合，光源的顯色指數不宜小于60，并且光源的相關色溫不宜高于5000K，優先選擇中或者低色溫光源。所以最終選擇CREE公司的XBDAWT-00-0000-00000LBE7為本次路燈設計用LED，具體參數如下：1、規格尺寸2、配光曲線3、光通量及色溫3.3建模及屬性參數設置3.3.1LED建模及參數設置本次路燈設計用LED選擇CREE公司的XBDAWT-00-0000-00000LBE7,LED模型根據規格書來設置第一步●從“插入”下拉菜單中，選擇“幾何物件”命令。●選擇“方塊”模型，輸入寬度X=2.45，Y=2.45，Z=0.76，中心位置（0,0，-0.38）點擊“插入”創建第一個方塊。第二步●從“插入”下拉菜單中，選擇“幾何物件”命令。●選擇“球體”模型，輸入半徑1.09，中心位置（0,0，0）點擊“插入”創建球體。第三步●從“插入”下拉菜單中，選擇“幾何物件”命令。●選擇“方塊”模型，輸入寬度X=3，Y=3，Z=3，中心位置（0,0，-1.5）點擊“插入”創建第二個方塊。第四步●求差集，選擇要預留的球體，按住Ctrl鍵，選擇第二個方塊，最后點擊差集，求差第五步●求交集，選擇求差集后的球體，按住Ctrl鍵，選擇第一個個方塊，最后點擊交并集，求和LED光源參數設定，●從“定義”下拉菜單中，選擇“表面光源設定”命令，并選擇LED發光面,由于此LED是通過芯片發光，發出的光線經過LED上的球面折射，使LED發出的光線成180°，此處將球面作為發光面來定義表面光源參數。根據LED選型得知LED的光通量，選擇Q3，光通量選擇133m。在表面光源中，發射形式選擇“光通量”，單位選擇“光度學”，場角分布選擇“Lambertian發光型場”總光線數設置10000條，光通量設置133lm，波長為0.5461，點擊“應用”，完成LED表面光源參數設置。3.3.2路面建模國家標準《GB24827-2009道路與街路照明燈具性能要求》中短投射III類，橫向距高比1.75~2.75，取1.875；縱向距高比1~2.25取1.625；路燈高度按照10m，并且預留5m寬的人行道。得知，路面的尺寸如下，●從“插入”下拉菜單中，選擇“幾何物件”命令。●選擇“方塊”模型，輸入寬度X=30000，Y=18000，Z=1，中心位置（0,5000，8000）點擊“插入”創建路面。3.3.4LED陣列排布參考相關論文文獻可知，LED是一種非相干光源，幾個LED對平面上某一區域的光照度為單個的疊加。如果要讓兩個同一平面的LED光照度均勻性較好，要滿足d=0.21×z，其中d為兩個LED之間的最大距離，z為LED與接受面的距離。由于路燈照射到地面上的距離比較遠，以及考慮到LED散熱等問題，所以設置LED的間距為15mm，共布置在5塊線路板上，每塊線路板上布置10顆LED，即LED總數量設置為50顆，●選擇LED，點擊右鍵“移動”移動距離，移動方向為Y向，移動距離為15mm，點擊復制，依次創建10顆LED的陣列排布3.3.5線路板建模及參數設置●選擇“方塊”模型，輸入寬度X=12，Y=160，Z=1.6，中心位置（0,67.5，-1.6）點擊“插入”創建線路板●線路板屬性設置，為了提高LED散熱效果，并增加LED光利用率，線路板采用鋁基板，上面涂刷白色油漆。通過“點選物面”命令，選擇線路板表面，點擊右鍵，選擇“屬性”命令，在應用特性“表面”中，目錄選擇“Default”，名稱選擇“flatwhitepaint”。將表面設置成白色噴漆面。點擊應用，完成線路板屬性設置。3.3.6線路板總成陣列●按住Ctrl選擇剛才設置好的線路板,以及選擇后的10顆LED，點擊右鍵“移動”移動距離，移動方向為X向，分布向+X向陣列兩塊線路板總成，向-X向整理兩塊線路板總成，移動距離為40mm，點擊復制，依次創建5塊線路板總成的陣列排布。4光學模擬及修改4.1光學模擬●點擊“光線追跡”命令，等待完成。4.2模擬及結果查看●選擇路面為接受面，并點擊“輻照度分析圖”命令，查看照度分布。通過分析得知，LED路燈的照射到地面上，平均照度為7Lx＜8Lx，均勻度為0.06＜0.3，均勻度和平均照度都不滿足國家標準。4.3原因分析及修改方案制定通過初步分析得知，LED都在同一平面上，LED發出的光線，基本上集中在LED正向照射區域，離LED越近，照度越高，反之，離LED越遠的區域，其照度就越低，那么，有什么方法可以改善以上情況。由結果可以看出，導致光線聚焦的原因是LED在同一平面上，那么只要LED不在同一平面上，以上結果就可以得到改善。通過4種不同角度