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            LED照明设计基础

            LED照明设计
            CYBERNET 应用系统事业部 市泽俊介 2009/12/17

            LED照明作为新一代照明受到了广泛的关注。仅仅依靠LED封装并不能制作出好的照明灯具。本文主要从电子电路、热分析、光学方面对LED照明进行介绍,首先介绍LED照明设计。


            随着近年来人们对环境关注度的提高,LED照明作为新一代照明受到了广泛的关注。展会上,只要是与LED照明有关的展位都是人头攒动,同时,LED照明也更多的出现在我们的日常生活中。一般家庭能够消费的LED灯都是由各大照明制造商销售的灯泡型LED灯。另外,很多公司也都陆续研发出了荧光灯型的LED灯。在这种情况下,势必有更多的公司参与到LED照明行业中。

            LED灯与白炽灯、荧光灯等传统光源有着不同的特性。仅仅依靠LED封装并不能制作出良好的照明灯具。为了设计出更好的LED照明灯具,必须对LED进行区别于传统光源的正确的光学设计。

            本文围绕LED照明灯具的设计进行介绍。具体来说主要是从电子电路、热分析、光学方面进行说明。首先是LED照明概要及其与迄今为止的光源的区别。

            LED 照明
            用于照明的LED大多是白色。LED照明很大程度上依赖蓝光LED芯片的发明和发光效率的提高。

            实现白光LED主要有两种方式。一种是使用LED芯片和荧光粉,另外一种是使用RGB 3色LED芯片。目前主要是采取第一种方式。

            使用荧光粉一般都是在蓝色LED芯片上涂覆黄色荧光粉。从LED芯片中发出的蓝色光遇到荧光粉时,部分光转换为黄色光。这部分转换的黄色光和蓝色光参杂在一起,就变成了白色光。通过调整荧光粉的量可以控制白光LED的色温,因此发光颜色在制作时就已经决定,后期不能调整。

            同时,混合蓝色光和黄色光的话,由于红色和绿色的成分不足,造成显色性不佳。这样,可以通过在蓝色LED芯片中参杂红色和绿色荧光粉或者是在紫外LED芯片中参杂RGB荧光粉,来提高其显色性。

            使用RGB 3色LED芯片的优势在于RGB可以调整各种色度,所以不仅能够产生白光,还能产生其他各种颜色的光。但是,LED芯片使用量增大,成本也就会上升。

            LED照明的优势及其与迄今为止的其他光源的区别
            接下来就LED照明与白炽灯、荧光灯等传统光源的区别,从热、电、光的特性方面进行分析。

            - 热的特性
            虽然LED发热很少,但是由于LED照明中,需要使用多颗数瓦级的LED,所以就会产生很高的热量。虽然LED效率比较高,但是高效率仅支持在微小电流中的运行。大电流、高温状态下,效率较低。

            另外,荧光粉型的LED,在转换波长的时候会损失能量,从而产生热量。持续高温就会导致LED芯片、荧光粉、封装树脂寿命降低。因此,为了使LED的“高效率”、“长寿命”的优势保持下去,就必须控制LED的结温。

            - 电的特性
            LED电源与白炽灯、荧光灯有很大的区别。白炽灯可以直接连接到220V的交流电上。荧光灯虽然有镇流器和转换开关,但也使用220V的交流电。而LED的电源则需要直流的恒定电流,所以需要将220V的交流转换为直流。电源的效率不高将直接影响到整个照明灯具的效率,因此提高电源效率对于提高LED照明效率来说显得尤为重要。

            调节LED光的方法主要有两种。一种是改变恒定电流,一种是改变脉冲调制。LED是电子与空穴再结合时发光,光束依赖于电流。电流小的情况下,光束和电流基本是成正比的,但当LED电流增大,热量随之增大,导致发光效率变低,光束和电流就不成正比了。

            在改变脉冲占空比的方法中,由于Talbot-Plateau 效应(反复接受瞬间闪光后,人眼会感受到反复时间内的平均亮度),可以根据脉冲占空比改变亮度。

            - 光特性
            与白炽灯和荧光灯相比,1颗LED发出的光比较少,所以需要使用多颗LED。同时,由于LED的发光面积小,亮度高,人眼直视的话很容易眩晕。为了降低亮度,需要使用扩散板。但是,使用扩散板的话,光向各个方向发散,降低了光的效率。

            LED、白炽灯、荧光灯的配光分布各不相同。所谓配光分布是指光源的方向以及各方向的发光强度。即使是相同光束的光源,如果配光分布不同,照度分布也会不同。有时也会出现本来想要照射的地方照度减小,其余部分反而照度增加的情况。

            要减少光的浪费,控制配光分布,需要使用透镜和反光镜。LED本身就具有发光面积小、光的放射范围在半球内、配光分布旋转对称等优点,再加上透镜和反光镜,就能构成一个好的光源。

            其他在光源属性中,还有光谱。LED的发光光谱集中在特定波长的一个很窄的范围,不放射红外线。因此,在不想使照射物变热的时候,使用LED较好。但是,LED自身会发热,所以需要注意防止其导热。另外还需要注意,荧光粉类型的LED,温度变化,色温也会随之变化。

            总结:LED照明设计
            LED照明灯具备受期待的原因就是节能、使用寿命长。确实,与白炽灯相比,目前的球泡型LED灯效率更高。但是荧光灯与LED照明灯具相比,还是荧光灯较高。这是因为,虽然单独的LED芯片比荧光灯效率高,但是由于发热降低了发光效率,交流电转换成直流电时,电源效率变低以及由于配光分布变换和使用扩散板导致光效降低,进而造成整个LED照明灯具的效率下降。

            因此,为了实现LED的节能,长寿命,必须对热、电、光进行各种设计。单纯依靠LED封装并不能发挥LED的优势。

            要做与迄今为止的设计不同的设计需要些什么?怎样才能找出灯具效率下降的原因?是不是即使多次返工也很难找出原因?并且还花更多时间和成本。要将产品更早的投放市场需要怎么做?

            使用电脑仿真能有效的解决这些问题。使用电脑仿真进行设计称为CAE(Computer Aided Engineering)。下一期将围绕怎样使用CAE软件对LED照明灯具进行热、电、光设计进行说明。


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