LED照明系統

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目錄

什麼是LED照明系統

  LED照明系統指的是採用LED作為光源的照明系統。[1]

  LED照明系統是一個電光轉換系統,其電光轉換過程從供電部分開始,依次包括原始電源(“動力源泉”)、電源管理與變換、感測與控制、驅動器、熱管理、LED及其混光、散射和光學提取等部分。其中,由原始電源(如電池)和控制與驅動電路組成的LED供電系統是LED工作的必要條件。[2]

LED照明系統的設計步驟[3]

  LED照明系統設計可按照確定照明需求,確定設計目標,估計光學、熱和電氣系統的效率,計算需要的LED數量,選擇最佳設計方案和完成最後步驟6個步驟進行。

  (1)確定照明需求

  LED照明必須滿足或超過目標應用的照明要求。在建立設計目標之前就必須確定照明要求。對於某些應用,存在現成的照明標準,可以直接確定要求。對其他應用,確定現有照明的特性是一個好方法。

  (2)確定設計目標

  照明要求確定好了之後,就可確定LED照明的設計目標。與定義照明要求時一樣,關鍵設計目標與光輸出和功耗有關。確保包含了對目標應用也可能重要的其他設計目標,包括工作環境材料清單(BOM)成本和使用壽命

  (3)估計光學系統、熱系統和電氣系統的效率

  設計過程中最重要的參數之一是需要多少個LED才能滿足設計目標。其他的設計決策都是圍繞LED數量展開,因為LED數量直接影響光輸出、功耗以及照明成本。查看LED數據手冊列出的典型光通量,用該數除設計目標流明,這種方法很誘人。但這種方法太理想化,依此設計將滿足不了應用的照明要求。

  LED的光通量依賴於多種因素,包括驅動電流和結溫。要準確計算所需要的數量,必須首先估計光學、熱和電氣系統的效率。

  ①光學系統效率  通過考察光損失估計光學系統的功效。要估計的光損失源主要有兩種:

  一是次級光學器件,次級光學器件是不屬於LED本身的所有巍學系統,如、LED上的透鏡或擴散片。與次級光學器件相關的損失根據使用的特定元件的不同而變化。通過各次級光元件的典型光學效率在85%-90%之間。

  二是燈具內的光損失,當光線在到達目標物之前,打到燈具罩上時,就產生燈具光損失。某些光被燈具罩吸收,有些則反射回燈具。固定物的效率由照明的佈局、燈具殼的形狀及燈具罩的材料決定。

  ②熱損失  LED的相對通量輸出隨著結溫的上升而降低。大多數LED數據手冊都列出了25℃下的典型光通量值,而大多數LED應用都採用較高的結溫。當結溫無法解析 (PNG 轉換失敗; 請檢查是否正確安裝了 latex, dvips, gs 和 convert): T_j

>25℃時,光通量肯定比LED數據手冊給出的值差。LED數據手冊中有一個曲線,給出了相對光輸出與結溫的關係,例如如圖1所示的XLamp XR-E白色LED;該曲線通過選擇特定相對光輸出或者特定結溫,給出了其他特性值,85%相對光通量是對本例照明熱功效估計的值。
Image:XLamp XR-E白色LED热损失曲线.jpg

  ③電氣損失  LED驅動電子設備將可用功率源(如牆體插座交流電或電池)轉換成穩定的電流源。這一過程與所有電源一樣,效率不會達到100%。驅動器中的電氣損失降低了總體照明效能,因為把輸入功率浪費在發熱上了,而沒有用在發光上。在開始設計LED系統時就應考慮到電氣損失。典型LED驅動器的效率在80%~90%之間。效率高於90%的驅動器的成本要高得多。要註意,驅動器效率可能隨輸出負載而變化。

  對於室內應用,驅動器效率87%的估值比較合適。室外用或使用壽命非常長的驅動器,效率可能要低一些。

  (4)計算需要的LED數量

  ①實際需要的光通量

  所需的實際光通量=目標光通量/(光學效率×熱效率)

  ②工作電流  工作電流在確定LED照明的效能和使用壽命時很重要。增加工作電流,則各LED的光輸出會變大,因而減少了所需的LED數量。但增加工作電流同時也帶來多個缺點,如功效降低、壽命縮短。

  ③LED數量  工作電流確定之後,就可以計算各LED的光通量。由於LED的熱損失已經在實際需要的光通量計算中考慮到了,故LED供應商文檔給出的數量可以直接使用。LED的數量計算公式如下

  LED的數量=實際所需的光通量/每個LED的光通量

  (5)考慮所有設計可能並選擇最佳設計

  所需LED數計算好之後,接下來就應考慮滿足設計目標的所有設計可能。設計師可以充分利用LED光的方向性和大量可用的次級光學器件來構造原始設計。

  所謂次級光學器件是指除LED初級光學器件外附加的光學元件,用於對LED的光輸出進行整形。一般的次級光學器件類型為反射(光從某個錶面反射回),或者折射(光通過折射材料彎曲,折射材料通常為玻璃或塑料)。次級光學器件可以通過購買標準件、現成的零件或用照明模型通過光線跟蹤模擬來設計定製。

  (6)最後步驟

  選擇好最佳設計後,最後需要做的工作有:電路板佈局、構造原型、針對設計目標測試原型機、最後定下設計方案、寫出觀察報告和改進意見等。

相關條目

參考文獻

  1. 吳巨集超.LED照明系統的研究和設計[D].南開大學,2008.
  2. 毛興武,張艷雯,周建軍等編著.第八章 LED電源變換及其驅動電路 新一代綠色光源LED及其應用技術.人民郵電出版社,2008.8.
  3. 楊清德等編著.第二章 LED照明技術 驅動電路設計與工程施工案例精講.化學工業出版社,2010.08.
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