LED照明系统设计完全版

LED 照明系统设计指南完全版 本文详细讨论LED照明系统设计的六个设计步骤：（1）确定照明需求；（2）确定设计目标估计光学；（3）热和 电气系统的效率；（4）计算需要的LED数量；（5）对所有的设计可能都予以考虑，从中选择最佳设计；（6） 完成最后步骤。虽然本文以一个室内照明设计为例，但所述的设计过程可以用于任何 LED照明设计中。 现在的照明应用LED,具有普通照明所需的亮度、效率、使用寿命、色温以及白点稳定性。因此，绝大多 数普通照明应用设计中都采用这类 LED,包括路面、停车区以及室内方向照明。在这些应用中，由于无需 维护（因为LED的使用寿命比传统灯泡的要长得多 ）且能耗降低，所以基于 LED的照明降低了总体拥有成本 （TCO）。 全世界有 200 亿以上的灯具使用白炽、卤素或荧光灯。其中许多灯具用作方向照明，但都是采用在所有方 向发光的灯。美国能源部（DOE ）称，在新住宅建筑里，嵌顶灯是安装最普遍的照明灯。此外， DOEm告称， 采用非反射灯的嵌顶灯一般效率只有 50%，就是说，这类灯所产生光的一半都浪费到灯具内了。 相反，照明级LED具有至少50,000小时的高效、方向性照明。利用照明级 LED的所有优点设计的室内照明 有以下优点： 1 功效超过所有白炽灯和卤素灯具 2能与甚至最好的CFL（紧凑荧光）嵌顶灯的性能相媲美 3 与这些灯具相比，需要维修前的寿命要长 5到50倍 4 降低光对环境的影响：不含汞、电站污染小、垃圾处理费用低。 照明还是灯？ 在普通照明中设计LED需要在两种方法间作出选择，是设计基于 LED的完整的照明，还是设计安装到已有 灯具上的基于LED的灯。一般来说，一个完整的照明设计，其光学、热和电气性能要好于式样翻新的灯， 因为现有灯具不会约束设计。对目标应用，到底是新照明的总体系统性能重要还是式样翻新的灯的方便性 更重要，这要由设计师来决定。 针对已有照明的设计方法 如果目标应用采用构造新型 LED照明更好，那么就设计照明的光输出，使其相当于或者超过现有照明匹配 具有多种优点。首先，现有设计已经针对目标应用进行了优化，可以在围绕有关光输出、成本和工作环境 而确定设计目标时提供指导。其次，现有设计的外形尺寸已经得到认可。如果外形尺寸相同，终端用户转 换成LED照明更容易一些。 遗憾的是，有些LED照明制造商错误报告或者夸大了 LED照明的效率和使用寿命特性。在 CFL替换灯泡的 早期的数年，照明业也遇到了类似问题。行业标准的缺乏，以及早期产品质量的巨大差异将 CFL技术的采 用推迟了很多年。美国能源部意识到了早期 LED照明也可能存在相同的标准和质量问题，并且这些问题可 能以类似的方式延迟了 LED照明的使用。作为应对措施，美国能源部发起了“ DOE SSL商用产品测试计划 （CPTP）”，对LED照明制造商声称的指标进行测试。该计划以匿名方式测试 LED照明的下列4个特性：照 明光输出 （流明）、 照明效率 （流明每瓦 ）、相关色温 （开氏度）、显色指数。 DOE勺CPTP将关注点放在了照明可用光输出上，而不仅仅是照明的光输出上，这为 LED照明设计设定了一 个很好的先例。 灯的概念可能过时了 LED光的使用寿命很长，这就可能使灯的概念变得过时了。照明级 LED不会像电灯泡那样出现灾难性失效。 相反，照明级LED在逐渐退化到其最初光输出通量 （也称作流明维持）的70%之前，具有至少5万小时的使 用寿命，也就是说连续点亮 5.7年！ 不过，在大多数照明环境下，灯有规律地熄灭。这一熄灭期足足可以将 LED的使用寿命延长到 30年以上， 如曲线1所示。过了这么多年之后， LED照明将“烧尽”，而那时 LED照明技术下的照明将更亮、效率更 高，与老式LED照明相比很可能要节省 TCO c- ff MJQ'ewl 3 • _ Hours Qn Per Dqy Chart 1 - What 50；000 Hour-& Mean^ in Practkal Term^ 不要忘记：LED照明的这5万小时使用寿命避免了多少对环境的影响。 送往填埋场的白炽灯泡至少要少 25 倍,并且能源消耗量要少 5倍。（美国约50%的能源来自燃煤，而燃煤会给空气中释放汞 ）。或者，送往处理 的含汞C灯泡至少减少5倍。 如前面提到的，不用维护是LED照明的一个重要优点。 因此，设计LED照明，使其使用寿命最长并节省 TCO 是一个应对LED照明原始成本高这一障碍的极佳策略。 表1列出了设计大功率LED照明的一般步骤。本文的其余部分依次讨论这些设计步骤。为了更好地说明这 些设计概念，本文给出了一个 LED照明取代23W CFL嵌顶灯的计算例子。不仅对本例，对所有类型照明， 本设计步骤都可重复使用。 表丄：大功率LED照明的一般设计步骤- 步骤 说明 1.确定照明需求 设计目标应是基于现有灯具的性能，或者是基于应用的廡 需求匸 2确罡设计目标 *列出设计i标，这些目标应报据应屈的照明需求而罡。 ♦设计师应列出影响设计的所有其它目标，特殊光慕寸 者是要能耐受高温。 3-估计光学、热和电气系 星的效率 •设计目标会对光学、热和电睥系统产生限制口 •根据这堂眼制对各系统的效率进行4古计，结果不惜。 -将照明目标和系蛻效率结合起来，能驱动照明需耍的I 數量° 4.计算需要的I■珈数量 •根据设计目标和佶计的揭失程圍 设计』耐皿计算满虚 计目标需要的1ED数量。 5.对所有的设计可能都予 以考虑，从中选择最佳设 计 *所有设计都一样，有许窑不同的方法达到最佳设计討 r 眈 照明仍然基一个新兴领域，所对传坯照明噸序 的假设可能无袪用于LED熊明设计。 占.兄战最.旨步骤 •完战电路槻布扃。 •构造原型机照明，测试设计选释“ *确认设计这到了所有设计目础 -便用原型机设计进一步宪善照明谡计。 *写出舰察报告和改进青见。 步骤一：确定照明需求 LED照明必须满足或超过目标应用的照明要求。因此，在建立设计目标之前就必须确定照明要求。对于某 些应用，存在现成的照明标准，可以直接确定要求。对其它应用，确定现有照明的特性是一个好方法。 表2列岀了确定现有照明特性时要考虑的主要特性。光输岀和功率特性始终很关键，而根据应用的不同， 其它特性可能重要，也可能不重要。 Importance Gharactenstic I Units I Luminous; flux lumens (Im) Critical Illuminance distribution footcand^ (fc) Electrical power consumption ■-■/at:: ,W' Luminaire aesthetics P「is Ufe-time hours Operating temperatures °C Pot&nttally Operating humidity % RH Importa nt Color temperaure K |CRI Manufacturabdity East of inctallation Form factor 2 - Important of Target Luinjnaire 所有照明公司都可以提供数据文件或文档，详细给岀其各种灯具的关键特性。“潜在关键”的特性要更主 观一些，或者在制造商文档里没有列岀。在这种情况下，由设计师确定现有照明的特性。 图1说明了例中CFL嵌顶灯的关键特性。 f 1 critical clMrscterisitcs for f k Cf L ooweight 表3给岀了现有照明的全部特性。 Part I Charadt&riftie I Unit Value Technology CFL Light output Im 1,500 Lamp Power W 23 Efficacv Jm/W 65 U fetJme hrs 10,000 Average celling piicc U5 56 Coefficient of utihEation (LU) % 54 Light output Im 810 Fixture Powe-r W 23 Efficacy Im/W 35 ASP US $20 TAble 3 - Example cfl Dowiillght ChAracTeriz^tion 步骤二：确定设计目标 照明要求确定好了之后，就可以确定 LED照明的设计目标了。与定义照明要求时一样，关键设计目标与光 输出和功耗有关。确保包含了对目标应用也可能重要的其它设计目标， 包括工作环境、材料清单（BOM）成本 和使用寿命。 表4以LED照明为例列出的设计目标。 CharactKHSlM： Unit Goal I Notes Light outEHJt Im 810 llluminiinct disVitxrtion fc Ssmt sli^pfr as target; nutching or r rllurninarxe Power (excluding driver) w 23 Erfkacy Im/w 35 hours sa^ooo CCT K 4rOOO CR1 75 eric ular opening m ] 1. e MdKimum amhiffHt “er, 59 CnmmHroa) buiJding with vf ntnl「片山“号各 High volume BOM cost us «sa Table 心 Design GoaK for cfl Dowi^^bt Replaccn)ent Luminaire 步骤三：估计光学系统、热系统和电气系统的效率 设计过程中最重要的参数之一是，需要多少个 LED才能满足设计目标。其他的设计决策都是围绕 LED数量 展开，因为LED数量直接影响光输岀、功耗以及照明成本。 查看LED数据手册列出的典型光通量，用该数除设计目标流明，这种方法很诱人。然而，此方法太简化了， 依此设计将满足不了应用的照明要求。 LED的光通量依赖于多种因素，包括驱动电流和结温。要准确计算所需要的数量，必须首先估计光学、热 和电气系统的无效率。以前原型机设计的个人经验，或者本文提供的例子数量，都可以作为指南来估计这 些损失。本节对估计这些系统损失的过程进行简述。 光学系统效率 通过考察光损失估计光学系统的功效。要估计的两种主要的光损失源为： 1.次级光学器件 次级光学器件是不属于 LED本身的所有光学系统，如 LED上的透镜或扩散片。与次级光学器件相关的损失 根据使用的特定元件的不同而变化。通过各次级光元件的典型光学效率在 85呀口 90%之间。 2•灯具内的光损失 当光线在到达目标物之前，打到灯具罩上时，就产生了灯具光损失。某些光被灯具罩吸收，有些则反射回 灯具。固定物的效率由照明的布局、灯具壳的形状及灯具罩的材料决定。如图 2所示，LED光具有方向性, 可达到的效率比全方向照明可能达到的要高得多。 Figure ? - Comparlwkn of CH A LEO Coaffk lent of UtlllzaitlMi so —XLanp XR CFL FixtS 0 -IGO '50 0 50 Aikjle (°) Chart 2 - Light Onput Angle for CFL Fixture & XLamp XR F [