LED照明系統設計指南完全版
加入技術(shù)交流群
全世界有200億以上的燈具使用白熾、鹵素或熒光燈。其中許多燈具用作方向照明，但都是采用在所有方向發(fā)光的燈。美國能源部(DOE)稱(chēng)，在新住宅建筑里，嵌頂燈是安裝最普遍的照明燈。此外，DOE報告稱(chēng)，采用非反射燈的嵌頂燈一般效率只有50％，就是說(shuō)，這類(lèi)燈所產(chǎn)生光的一半都浪費到燈具內了。
相反，照明級LED具有至少50,000小時(shí)的高效、方向性照明。利用照明級LED的所有優(yōu)點(diǎn)設計的室內照明有以下優(yōu)點(diǎn)：
1功效超過(guò)所有白熾燈和鹵素燈具
2能與甚至最好的CFL(緊湊熒光)嵌頂燈的性能相媲美
3與這些燈具相比，需要維修前的壽命要長(cháng)5到50倍
4降低光對環(huán)境的影響：不含汞、電站污染孝垃圾處理費用低。
照明還是燈？
在普通照明中設計LED需要在兩種方法間作出選擇，是設計基于LED的完整的照明，還是設計安裝到已有燈具上的基于LED的燈。一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)完整的照明設計，其光學(xué)、熱和電氣性能要好于式樣翻新的燈，因為現有燈具不會(huì )約束設計。對目標應用，到底是新照明的總體系統性能重要還是式樣翻新的燈的方便性更重要，這要由設計師來(lái)決定。
針對已有照明的設計方法
如果目標應用采用構造新型LED照明更好，那么就設計照明的光輸出，使其相當于或者超過(guò)現有照明匹配具有多種優(yōu)點(diǎn)。首先，現有設計已經(jīng)針對目標應用進(jìn)行了優(yōu)化，可以在圍繞有關(guān)光輸出、成本和工作環(huán)境而確定設計目標時(shí)提供指導。其次，現有設計的外形尺寸已經(jīng)得到認可。如果外形尺寸相同，終端用戶(hù)轉換成LED照明更容易一些。
遺憾的是，有些LED照明制造商錯誤報告或者夸大了LED照明的效率和使用壽命特性。在CFL替換燈泡的早期的數年，照明業(yè)也遇到了類(lèi)似問(wèn)題。行業(yè)標準的缺乏，以及早期產(chǎn)品質(zhì)量的巨大差異將CFL技術(shù)的采用推遲了很多年。美國能源部意識到了早期LED照明也可能存在相同的標準和質(zhì)量問(wèn)題，并且這些問(wèn)題可能以類(lèi)似的方式延遲了LED照明的使用。作為應對措施，美國能源部發(fā)起了“DOE SSL商用產(chǎn)品測試計劃(CPTP)”，對LED照明制造商聲稱(chēng)的指標進(jìn)行測試。該計劃以匿名方式測試LED照明的下列4個(gè)特性：照明光輸出(流明)、照明效率(流明每瓦)、相關(guān)色溫(開(kāi)氏度)、顯色指數。
DOE的CPTP將關(guān)注點(diǎn)放在了照明可用光輸出上，而不僅僅是照明的光輸出上，這為L(cháng)ED照明設計設定了一個(gè)很好的先例。
燈的概念可能過(guò)時(shí)了
LED光的使用壽命很長(cháng)，這就可能使燈的概念變得過(guò)時(shí)了。照明級LED不會(huì )像電燈泡那樣出現災難性失效。相反，照明級LED在逐漸退化到其最初光輸出通量(也稱(chēng)作流明維持)的70％之前，具有至少5萬(wàn)小時(shí)的使用壽命，也就是說(shuō)連續點(diǎn)亮5.7年！
不過(guò)，在大多數照明環(huán)境下，燈有規律地熄滅。這一熄滅期足足可以將LED的使用壽命延長(cháng)到30年以上，如曲線(xiàn)1所示。過(guò)了這么多年之后，LED照明將“燒頸，而那時(shí)LED照明技術(shù)下的照明將更亮、效率更高，與老式LED照明相比很可能要節省TCO。
不要忘記： LED照明的這5萬(wàn)小時(shí)使用壽命避免了多少對環(huán)境的影響。送往填埋場(chǎng)的白熾燈泡至少要少25倍,并且能源消耗量要少5倍。(美國約50％的能源來(lái)自燃煤，而燃煤會(huì )給空氣中釋放汞)?；蛘?，送往處理的含汞C燈泡至少減少5倍。
如前面提到的，不用維護是LED照明的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)。因此，設計LED照明，使其使用壽命最長(cháng)并節省TCO是一個(gè)應對LED照明原始成本高這一障礙的極佳策略。
表1列出了設計大功率LED照明的一般步驟。本文的其余部分依次討論這些設計步驟。為了更好地說(shuō)明這些設計概念，本文給出了一個(gè)LED照明取代23W CFL嵌頂燈的計算例子。不僅對本例，對所有類(lèi)型照明，本設計步驟都可重復使用。
步驟一：確定照明需求
LED照明必須滿(mǎn)足或超過(guò)目標應用的照明要求。因此，在建立設計目標之前就必須確定照明要求。對于某些應用，存在現成的照明標準，可以直接確定要求。對其它應用，確定現有照明的特性是一個(gè)好方法。
表2列出了確定現有照明特性時(shí)要考慮的主要特性。光輸出和功率特性始終很關(guān)鍵，而根據應用的不同，其它特性可能重要，也可能不重要。
所有照明公司都可以提供數據文件或文檔，詳細給出其各種燈具的關(guān)鍵特性?！皾撛陉P(guān)鍵”的特性要更主觀(guān)一些，或者在制造商文檔里沒(méi)有列出。在這種情況下，由設計師確定現有照明的特性。
圖1說(shuō)明了例中CFL嵌頂燈的關(guān)鍵特性。
表3給出了現有照明的全部特性。
步驟二：確定設計目標
照明要求確定好了之后，就可以確定LED照明的設計目標了。與定義照明要求時(shí)一樣，關(guān)鍵設計目標與光輸出和功耗有關(guān)。確保包含了對目標應用也可能重要的其它設計目標，包括工作環(huán)境、材料清單(BOM)成本和使用壽命。
表4以L(fǎng)ED照明為例列出的設計目標。
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L(cháng)ED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
評論