LED照明设计LED照明基础

导读: 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。 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。导读: 虽然白炽灯和荧光灯的能量损失大，但是大部分能量都是通过红外线直接放射出去，光源的发热少；而LED，除了作为可视光消耗的能量，其它能量都转换成了热。另外，由于LED封装面积小，通过对流和辐射的散热少，从而积累了大量的热。 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、光学等方面对如何运用LED特性的设计进行解说。近年来，随着电子产品的高密度、高集成度，热解决方案的重要性越来越高，LED照明也不例外，也需要热解决方案。 虽然白炽灯和荧光灯的能量损失大，但是大部分能量都是通过红外线直接放射出去，光源的发热少；而LED，除了作为可视光消耗的能量，其它能量都转换成了热。另外，由于LED封装面积小，通过对流和辐射的散热少，从而积累了大量的热。热解决方案是？接下来来考虑怎么制定热解决方案。热解决方案简单的说就是解决因为热产生的各种问题。主要有：1. 因为热膨胀导致弯曲和龟裂2. 电子电路的运行障碍3. 材料品质恶化除此之外，也会担心如果发热会不会损坏设备？为了避免这些问题，要尽量控制电子设备的温度，也就是说有效散热很重要，重点是考虑机器的使用环境和安装方法制定最佳的热解决方案。 下面列举了由热导致的问题。后半部分以LED灯为例，就LED相关的解决方案进行解说。由热导致的问题1.因为热膨胀导致弯曲和龟裂 电子设备由多个零件构成，每个零件的材质都不一样，热胀冷缩的尺度也不一样。因此， 当各种材质组合在一起的时候就有可能使材质发生弯曲，膨胀时，产品在连接处因为应力过多就会产生龟裂。2.电子电路的运行障碍 一般来说，作为热源的半导体元件，有这样一个特性，即当电子设备中的半导体元件温度上升，电的阻抗就会变小。这样就容易陷入“温度上升阻抗下降电流增加热增加温度上升”的恶性循环，进而容易发生烧断的现象。3.材料品质的恶化 一般说来，电子设备中使用的材料容易氧化，温度越高氧化越快，如果让这些材料反复经过高温氧化，就会缩短其寿命。同时，反复加热，材料多次膨胀，多次冷缩，会降低材料的强度，从而破坏了材料。LED的热解决方案下面以LED灯为例，具体讨论LED的热解决方案。 要避免电子设备的发热有多种方法。比如，加散热器，在热源周围安置能提供冷气的风扇。前者是通过增加散热面积，来增加散热的通道，后者是使热不在热源周围聚集。 但是，正如图1 LED灯的概括图所示，LED封装时不能直接连接散热器，也没有安装风扇的位置。而且内部电源电路板也会产生热量，因此LED灯的散热问题可以说是一个非常棘手的问题。这样，如何有效使用LED安装材质和散热器就变得很重要。那么如何有效利用LED安装材质和散热器呢？首先必须把握产生热的传热路径。 LED元件产生的热通过封装的导线向电路板移动，然后再通过散热器放热。电源电路板产生的热也是如此，通过电路板周围的空气和填充材质，透过散热器向外部散热。 热解决方案中重要的是排除传热路径中阻碍传热的因素，比如可以考虑在传热路径中使用导热性能好的材质、扩大路径的断面面积（例如，粗的铜线比细的铜线更容易导热）、涂导热润滑剂使产品的连接部位不留空隙。 另外，即使通过这些提高了导热特性，但如果散热器不向外部散热，内部还是会聚集很多热。因此也必须提高散热器表面的放热特性。典型的方法就是在表面多安装几个散热片，扩大散热器的放热面积。运用CAE工具，通过仿真验证热解决方案CAE的运用那么怎样验证热解决方法是否有效呢？一种是通过实验测量温度，但是一旦条件改变就要重新测量，效率比较低。因此需要使用CAE软件进行仿真。 图2 运用ANSYS解析软件，在LED灯横向摆放时，对LED灯周围的热和空气的流动进行仿真。（）（）是整个灯的温度分布图，红色部分代表温度高，蓝色部分代表温度低。（）（）是灯与LED封装周边（盖子内部）的自然对流图，红色箭头部分表示对流速度快，蓝色部分表示对流速度慢。与实际情况相比，这个例子只是一个非常简单的模型，但从某种程度上却能验证产品的温度分布和空气的自然对流。 从整个灯的温度分布来看，虽说盖子的温度低，其他部位温度高，但是某种程度上还是处于一个均等的温度分布。这表面产生的热量大部分都转移到散热器上，而且传送路径中没有障碍。散热器可以起到一个散热的作用，但是如果散热特性不好，整个灯的温度就会上升，因此必须注意散热器的形状（安装散热片的大小、形状、个数等）。仿真中需要解析对象的形状、产品特性、条件等各种信息，但是通过想要确认的信息可以区别简易解析模型和详细解析模型，从而有效把握想要验证的热解决方法的好坏。例如，本例是对整个电灯的简易建模，并不能把握LED封装内部详细的温度分布，但是如果对该部分进行详细的建模，就能够确认元件实际的温度。 反复实验，通过仿真修改部分信息就可以简单的进行操作，例如容易把握散热器中散热片的形状和个数对温度的影响。作为仿真