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1、LED 照明设计LED 照明设计CYBERNET 应用系统事业部 市泽俊介 2009/12/17LED 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。序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
2、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
3、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
4、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
5、“ 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
6、,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
7、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
8、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。
