LED照明设计LED照明基础

1、导读 : 照明作为新一代照明受到了广泛的关注。仅仅依靠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、光学方面对照明进行介绍。照明作为新一代照明受到了广泛的关注。 仅仅依靠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、光学方面对照明进行介绍，首先介绍照明设计。随着近年来人们对环境关注度的提高， 照明作为新一代照明受到了广泛的关注。 展会上，只要是与照明有关的展位都是人头攒动， 同时， 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灯都是由各大照明制造商销售的灯泡型灯。 另外，很多公司也都陆续研发出了荧光灯型的灯。在这种情况下，势必有更多的公司参与到照明行业中。

2、灯与白炽灯、 荧光灯等传统光源有着不同的特性。 仅仅依靠封装并不能制作出良好的照 明灯具。为了设计出更好的照明灯具，必须对进行区别于传统光源的正确的光学设计。 本文围绕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。首先是照明概要和其与迄今为止的光源的区别。 照明 用于照明的大多是白色。照明很大程度上依赖蓝光芯片的发明和发光效率的提高。 实现白光主要有两种方式。一种是使用芯片和荧光粉，另外一种是使用 3 色芯片。目 前主要是采取第一种方式。使用荧光粉一般都是在蓝色芯片上涂覆黄色荧光粉。 从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

3、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， 可以通过在蓝色芯片中参杂红色和绿色荧光粉或者是在紫外芯片中参杂荧光粉， 来提高其显 色性。使用 3 色芯片的优势在于可以调整各种色度，所以不仅能够产生白光，还能产生其他 各种颜色的光。但是，芯片使用量增大，成本也就会上升。照明的优势和其与迄今为止的其他光源的区别接下来就照明与白炽灯、荧光灯等传统光源的区别，从热、电、光的特性方面进行分析。热的特性虽然发热很少，但是由于照明中，需要

4、使用多颗数瓦级的，所以就会产生很高的热量。虽然效率比较高， 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， 在转换波长的时候会损失能量， 从而产生热量。持续高温就会导致芯片、荧光粉、封装树脂寿命降低。因此，为了使的“高效率 ”、“长寿命 ”的优势保持下去，就必须控制的结温。电的特性电源与白炽灯、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

5、于提高照明效率来说显得尤为重要。调节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。 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 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 颗发出的光比较少，所以需要使用多颗。同时，由于的发光面积小，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

6、。、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和各方向的发 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。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。 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，使用较好。但是，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

7、，温度变化，色温也会随之变化。总结：照明设计 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 灯效率更高。但是荧光灯与照明灯具相比，还是荧光灯较高。 这是因为，虽然单独的芯片比 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， 电源效率变低以和 由于配光分布变换和使用扩散板导致光效降低，进而造成整个照明灯具的效率下降。 因此，为了实现的节能，长寿命，必须对热、电、光进行各种设计。单纯依靠封装并不 能发挥的优势。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，除了作为可视光消耗的能量，

8、其它能量都转换成了热。另外，由于封装 面积小，通过对流和辐射的散热少，从而积累了大量的热。照明作为新一代照明受到了广泛的关注。 仅仅依靠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， 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，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

9、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。 后半部分以灯为例， 就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

10、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。的热解决方案下面以灯为例，具体讨论的热解决方案。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

11、。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 灯的概括图所示，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 有效使用安装材质和散热器就变得很重要。那么如何有效利用安装材质和散热器呢？首先必须把握产生热的传热路径。 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

12、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。运用工具，通过仿真验证热解决方案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。因此需要使用软件进行仿真。 图 2 运用解析软件，在灯横向摆 放时，对灯周围的热和空气的流动进行仿真。（i） （ii）是整个灯的温度分布图，红色部分代表温度高

13、，蓝色部分代表温度低。（iii） （iv）是灯与封装周边（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。 作为仿真用软件， 可以直接使用信息进行分析