LED照明设计LED照明基础.doc

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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RGB3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RGB3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1LED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。

（ⅰ）（ⅱ）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。

（ⅲ）（ⅳ）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。

作为仿真用软件，可以直接使用CAD信息进行分析，可以在统一环境中对构造、导热、热流体等进行广泛的分析，而且可以进行各种组合分析。

在设计中不仅要考虑热的问题，其他因素也必须考虑，组合分析的难易是熟练进行仿真的一个关键点，这些我们在后面进行论述。

本次仅就热的问题进行了探讨，但也存在即使解决了热的问题，却不能解决光、电的问题的情况。

产品重在寿命长、无性能损坏、使用安全，因此我们的课题就是实现整体的最优化设计。

下次我们将针对电路和光学设计的问题展开讨论。