LED照明系统

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什么是LED照明系统

  LED照明系统指的是采用LED作为光源的照明系统。[1]

  LED照明系统是一个电光转换系统,其电光转换过程从供电部分开始,依次包括原始电源(“动力源泉”)、电源管理与变换、传感与控制、驱动器、热管理、LED及其混光、散射和光学提取等部分。其中,由原始电源(如电池)和控制与驱动电路组成的LED供电系统是LED工作的必要条件。[2]

LED照明系统的设计步骤[3]

  LED照明系统设计可按照确定照明需求,确定设计目标,估计光学、热和电气系统的效率,计算需要的LED数量,选择最佳设计方案和完成最后步骤6个步骤进行。

  (1)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。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。对其他应用,确定现有照明的特性是一个好方法。

  (2)确定设计目标

  照明要求确定好了之后,就可确定LED照明的设计目标。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他设计目标,包括工作环境材料清单(BOM)成本和使用寿命

  (3)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数量直接影响光输出、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。但这种方法太理想化,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、热和电气系统的效率。

  ①光学系统效率  通过考察光损失估计光学系统的功效。要估计的光损失源主要有两种:

  一是次级光学器件,次级光学器件是不属于LED本身的所有巍学系统,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%-90%之间。

  二是灯具内的光损失,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。

  ②热损失  LED的相对通量输出随着结温的上升而降低。大多数LED数据手册都列出了25℃下的典型光通量值,而大多数LED应用都采用较高的结温。当结温Tj>25℃时,光通量肯定比LED数据手册给出的值差。LED数据手册中有一个曲线,给出了相对光输出与结温的关系,例如如图1所示的XLamp XR-E白色LED;该曲线通过选择特定相对光输出或者特定结温,给出了其他特性值,85%相对光通量是对本例照明热功效估计的值。
Image:XLamp XR-E白色LED热损失曲线.jpg

  ③电气损失  LED驱动电子设备将可用功率源(如墙体插座交流电或电池)转换成稳定的电流源。这一过程与所有电源一样,效率不会达到100%。驱动器中的电气损失降低了总体照明效能,因为把输入功率浪费在发热上了,而没有用在发光上。在开始设计LED系统时就应考虑到电气损失。典型LED驱动器的效率在80%~90%之间。效率高于90%的驱动器的成本要高得多。要注意,驱动器效率可能随输出负载而变化。

  对于室内应用,驱动器效率87%的估值比较合适。室外用或使用寿命非常长的驱动器,效率可能要低一些。

  (4)计算需要的LED数量

  ①实际需要的光通量

  所需的实际光通量=目标光通量/(光学效率×热效率)

  ②工作电流  工作电流在确定LED照明的效能和使用寿命时很重要。增加工作电流,则各LED的光输出会变大,因而减少了所需的LED数量。但增加工作电流同时也带来多个缺点,如功效降低、寿命缩短。

  ③LED数量  工作电流确定之后,就可以计算各LED的光通量。由于LED的热损失已经在实际需要的光通量计算中考虑到了,故LED供应商文档给出的数量可以直接使用。LED的数量计算公式如下

  LED的数量=实际所需的光通量/每个LED的光通量

  (5)考虑所有设计可能并选择最佳设计

  所需LED数计算好之后,接下来就应考虑满足设计目标的所有设计可能。设计师可以充分利用LED光的方向性和大量可用的次级光学器件来构造原始设计。

  所谓次级光学器件是指除LED初级光学器件外附加的光学元件,用于对LED的光输出进行整形。一般的次级光学器件类型为反射(光从某个表面反射回),或者折射(光通过折射材料弯曲,折射材料通常为玻璃或塑料)。次级光学器件可以通过购买标准件、现成的零件或用照明模型通过光线跟踪模拟来设计定制。

  (6)最后步骤

  选择好最佳设计后,最后需要做的工作有:电路板布局、构造原型、针对设计目标测试原型机、最后定下设计方案、写出观察报告和改进意见等。

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参考文献

  1. 吴宏超.LED照明系统的研究和设计[D].南开大学,2008.
  2. 毛兴武,张艳雯,周建军等编著.第八章 LED电源变换及其驱动电路 新一代绿色光源LED及其应用技术.人民邮电出版社,2008.8.
  3. 杨清德等编著.第二章 LED照明技术 驱动电路设计与工程施工案例精讲.化学工业出版社,2010.08.
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