LED照明系統設計

　　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

　　對于室內應用，驅動(dòng)器效率87%的估值很好。室外用或非常長(cháng)的使用壽命的驅動(dòng)器，效率可能要低一些。

　　表5概括了示例照明的光、熱和電氣系統的效率。

　　步驟四：計算需要的LED數量

　　實(shí)際需要的流明量

　　所有系統效率估算好之后，就可計算要達到設計目標需要的實(shí)際LED流明數。對本計算，只使用光效率（光學(xué)和熱）。電氣效率只影響總功耗和燈具效能，而不影響照明的光輸出量。示例照明“需要的實(shí)際流明”的計算如下：

　　所需的實(shí)際流明=目標流明/（光學(xué)效率×熱效率）=810/（91%×85%）=1,050lm

　　工作電流

　　另一個(gè)需要確定的是LED的工作電流。工作電流在確定LED照明的效能和使用壽命時(shí)很重要。增加工作電流，則各LED的光輸出會(huì )變大，因而減少了所需的LED數量。不過(guò)，增加工作電流同時(shí)也帶來(lái)多個(gè)缺點(diǎn)，如表6所示。根據應用的不同，考慮到每個(gè)LED流明輸出值更高，這些缺點(diǎn)也許可以接受。

　　對示例照明，使用壽命和功效是最應優(yōu)先考慮的設計目標，本照明以XLamp XR-E數據手冊所列的最小工作電流（350 mA）工作，以最大限度提高LED功效并延長(cháng)使用壽命。

　　LED數量

　　工作電流確定之后，就可以計算各LED的流明輸出數了。由于LED的熱損失已經(jīng)在實(shí)際需要的流明數計算中考慮到了，故LED供應商文檔給出的數量可以直接使用。

　　對本計算，使用LED訂單代碼所列的最小通量，而不是使用數據手冊給出的典型數量。大多數LED公司根據最小通量范圍銷(xiāo)售。根據此最小數來(lái)設計，就可以確保用該LED訂單代碼制作的所有照明都能滿(mǎn)足目標要求。

　　本例中的照明使用4000K CCT的XLamp XR-E LED，350 mA時(shí)的最小光通量為67.2 （P2 flux bin）。LED的數量計算如下。

　　LED的數量=實(shí)際所需的流明數/每個(gè)LED的流明數＝1,050 lm / 67.2 lm=16個(gè)LED

　　步驟五：考慮所有設計可能并選擇最佳設計

　　LED數計算好之后，考慮滿(mǎn)足設計目標的所有設計可能。由于每個(gè)LED都是一個(gè)小照明，比傳統照明的使用壽命要長(cháng)許多，因此LED可以與新型和非常規設計元件一起集成到照明中。設計師可以充分利用LED光的方向性和大量可用的次級光學(xué)器件來(lái)構造原始設計。

　　同時(shí)不要忘記，有許多不同規則限制著(zhù)設計的選擇。要給出適用LED照明的完整的世界標準列表超出了本文的范圍，不過(guò)，下面的表7給出了世界某些地域使用的規則的例子。

　　本節的其余部分對本示例LED照明的各系統（光學(xué)、熱和電器）的3個(gè)選項進(jìn)行說(shuō)明。對每個(gè)系統，給出了最佳選項的選擇指南。

　　光學(xué)系統選項

　　1.裸LED和現有燈反射器

　　如前面所述，現有CFL燈具的角度和LED的角度非常相似，因此，可選則不使用次級光學(xué)器件。本選項可使成本最低，并且系統光損失最小。使用的元件較少，人力也較少，這樣使照明安裝更簡(jiǎn)單并且費用更低。

　　缺點(diǎn)是會(huì )出現多照明陰影效應，下面將對此予以說(shuō)明。另外，如果LED的光分布與目標照明的光分布差異很大，就不能采用此方法。

　　2.帶有次級光學(xué)器件的LED和現有燈反射器

　　次級光學(xué)器件是除LED初級光學(xué)器件外附加的光學(xué)元件，用于對LED的光輸出進(jìn)行整形。一般的次級光學(xué)器件類(lèi)型為反射（光從某個(gè)表面反射回），或者折射（光通過(guò)折射材料彎曲，折射材料通常為玻璃或塑料）。次級光學(xué)器件可以通過(guò)購買(mǎi)標準件、現成的零件或用照明模型通過(guò)光線(xiàn)跟蹤模擬來(lái)設計定制。

　　每個(gè)LED使用一個(gè)次級光學(xué)器件，各LED的光束角度就可以定制，從而得到所需的準確光圖像輸出。例如，可以縮小各LED的光束角度，為點(diǎn)照明優(yōu)化照明，而不是為普通照明優(yōu)化。

　　這種方法有幾個(gè)缺點(diǎn)。首先，因為增加了元件并且裝配較復雜，所以照明的成本較高。其次，由于光學(xué)器件連接到各LED上，可能仍然存在多照明陰影。最后，次級光學(xué)器件會(huì )降低光學(xué)系統的功效。

　　3.裸LED，現有的燈反射器和漫射器

　　不是每個(gè)LED都使用一個(gè)光學(xué)器件，整個(gè)LED陣列可以使用一個(gè)漫射器來(lái)傳播光。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是光束角度比裸LED能達到的光束角度寬，并且消除了多照明陰影效應。

　　選項2的缺點(diǎn)是成本較高，并且光學(xué)系統的功效低。由于漫射器只能發(fā)散光，不能聚集，所以，如果光分布必須窄于裸LED的分布，則不能選擇這種方法。

　　光照度分布、多源陰影效應和美觀(guān)度通常決定了光學(xué)系統的選擇。如果光輸出必須比裸LED的光輸出窄，就只能選擇選項2。否則，選項1在成本、功效和亮度上要更好。不過(guò)，選項1和2都有多源陰影效應。

　　另外，用戶(hù)查看選項1和2時(shí)，會(huì )發(fā)現單個(gè)的LED，而使用選項3的用戶(hù)只能看見(jiàn)一個(gè)發(fā)散而均勻的照明。

　　多源陰影效應

　　多源陰影效應是當物體位于多個(gè)照明之間時(shí)，表面出現多個(gè)陰影的現象。大多數人都見(jiàn)過(guò)安裝在浴室水池上方的多個(gè)燈泡，會(huì )注意到后面墻壁上有多個(gè)自己的影子，這就是多源陰影效應。

　　布局很近的LED將產(chǎn)生多個(gè)相互接近的陰影。在目標應用中，這些接近的陰影的出現可能不受歡迎。設計師要決定，對目標應用，多陰影效應的重要性有多大，增加滿(mǎn)射器以減小此效應而帶來(lái)的額外光學(xué)損失是否值得。

　　熱系統選項

　　1.現有燈具罩

　　最低成本選項是將現有設計的燈具罩作為L(cháng)ED照明的罩和散熱片來(lái)重新使用。

　　新照明設計顯然不能選擇這一選項。另外，多數現有罩都是鋼制的，熱導性差。一般來(lái)說(shuō)，選擇鋼罩不利于散熱。

　　2.現成的散熱片

　　另一個(gè)選項是購買(mǎi)現成的散熱片。這種現成的散熱片設計經(jīng)過(guò)驗證，制造商有完整的技術(shù)指標。不過(guò)，其性能、尺寸和形狀可能沒(méi)有面向目標應用而優(yōu)化。

　　3.定制散熱片

　　定制方案為應用提供了優(yōu)化散熱片的最佳機會(huì )，但有幾個(gè)缺點(diǎn)。

　　這一選項需要設計師能利用熱仿真軟件，或者由有熱設計經(jīng)驗的第三方來(lái)協(xié)助。加工和制造費用可能使定制散熱片的單位成本高于現成設計的成本。

　　目標照明的成本、可用的散熱片開(kāi)發(fā)時(shí)間以及目標最高環(huán)境溫度常常決定了熱系統的選擇。一般來(lái)說(shuō)，在降低成本比最高環(huán)境溫度更重要的情況下，選項2更好。在最高環(huán)境溫度更重要的情況下， 選項3更優(yōu)（如室外照明或條件不好的室內照明）。

　　例子中的