LED照明系統設計詳細步驟

步驟三：估計光學(xué)系統、熱系統和電氣系統的效率

設計過(guò)程中最重要的參數之一是，需要多少個(gè)LED才能滿(mǎn)足設計目標。其他的設計決策都是圍繞LED數量展開(kāi)，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。然而，此方法太簡(jiǎn)化了，依此設計將滿(mǎn)足不了應用的照明要求。

LED的光通量依賴(lài)于多種因素，包括驅動(dòng)電流和結溫。要準確計算所需要的數量，必須首先估計光學(xué)、熱和電氣系統的無(wú)效率。以前原型機設計的個(gè)人經(jīng)驗，或者本文提供的例子數量，都可以作為指南來(lái)估計這些損失。本節對估計這些系統損失的過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)述。

光學(xué)系統效率

通過(guò)考察光損失估計光學(xué)系統的功效。要估計的兩種主要的光損失源為：

1.次級光學(xué)器件

次級光學(xué)器件是不屬于LED本身的所有光學(xué)系統，如LED上的透鏡或擴散片。與次級光學(xué)器件相關(guān)的損失根據使用的特定元件的不同而變化。通過(guò)各次級光元件的典型光學(xué)效率在85%和90%之間。

2．燈具內的光損失

當光線(xiàn)在到達目標物之前，打到燈具罩上時(shí)，就產(chǎn)生了燈具光損失。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布局、燈具殼的形狀及燈具罩的材料決定。如圖2所示，LED光具有方向性，可達到的效率比全方向照明可能達到的要高得多。

對示例中的照明，如果照明需要次級光學(xué)器件，則只存在次級光損失。次級光學(xué)器件的主要目的是改變LED的光輸出圖像。曲線(xiàn)2將Cree XLamp XR-E LED的光束角度與目標燈具的光輸出圖像進(jìn)行了比較。裸LED的光束角度與目標燈具的非常相似，所以不需要次級光學(xué)器件。因此，對本示例照明，不存在次級光學(xué)器件引起的光損失。

要計算本CFL示例的燈具損失，我們假定燈具反射杯的反射率為85%，60%的光將打到反射杯上。因此，光學(xué)效率為：

熱損失

LED的相對通量輸出隨著(zhù)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應用都采用較高的結溫。當結溫Tj > 25℃時(shí)，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(gè)曲線(xiàn)，給出了相對光輸出與結溫的關(guān)系，例如如曲線(xiàn)3所示的XLamp XR-E白色LED。該曲線(xiàn)通過(guò)選擇特定相對光輸出或者特定結溫，給出了其它特性值。

對本CFL示例，其照明只是為屋頂通風(fēng)的商業(yè)建筑設計的。本設計基于所列的設計目標，對光輸出、功效和使用壽命的優(yōu)先次序進(jìn)行了劃分。

XLamp XR-E LED額定為5萬(wàn)小時(shí)后提供平均70%的流明維持率，結溫保持在80℃或以下。因此，CFL示例的最高合適結溫為80℃。對應的最小相對光通量為85%，如曲線(xiàn)3所示。這一85%相對光通量是對本例照明熱功效估計的值。

電氣損失

LED驅動(dòng)電子設備將可用功率源(如墻體插座交流電或電池)轉換成穩定的電流源。這一過(guò)程與所有電源一樣，效率不會(huì )達到100%。驅動(dòng)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(fā)熱上了，而沒(méi)有用在發(fā)光上。在開(kāi)始設計LED系統時(shí)，就應考慮到電氣損失。

典型LED驅動(dòng)器的效率在80%到90%之間。效率高于90%的驅動(dòng)器的成本要高得多。要注意，驅動(dòng)器效率可能隨輸出負載而變化，如曲線(xiàn)4所示。應指定驅動(dòng)器工作在大于50%輸出負載下，以使效率最大，并使成本最低。

曲線(xiàn)4示例的LED驅動(dòng)器效率與負載的關(guān)系