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万家灯火——我眼中的LED照明(二):关键技术

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上次笔者介绍了LED照明的基本原理和主要特点,今天来介绍一下LED照明的关键技术。

如果把LED灯比作一个美女,那么配光是她的内涵、结构是她的容貌、驱动电路就是她的心脏了。不论有多么美丽时尚的外形和丰富的内涵,人没有心脏就没有生命,灯具没有好的驱动电路直接影响它的使用寿命。

1.驱动电源(心脏)。

LED的驱动电路包括数字电路驱动和模拟电路驱动两类,是由电子元器件组成的,包括半导体器件、电阻、电容等。这些元器件都有使用寿命,任何一个器件失效都会使整个电路失效或丧失部分功能。往往会出现这样的情况:检修LED灯时发现LED灯并未损坏,而是驱动电源出现故障。LED的使用寿命是5万―10万小时之间,按5万小时算能持续点亮近6年,但是驱动电源的寿命只有2—3年,达到6年的驱动电源价格是普通电源的4—6倍,成本太高;而且市面上的电源各自为政,单路、多路、尺寸不一,难以替换。所以驱动电源是设计LED灯的最关键技术。

LED驱动电源就是一个电源转换器,可以把电源供应转换为特定的电压电流以驱动LED发光。而驱动方式现在通行的有两种:其一是一个恒压源供多个恒流源,每个恒流源单独给每路LED供电。这种方式,组合灵活,一路LED故障,不影响其他LED的工作,但成本会略高一点。另一种是直接恒流供电,LED串联或并联运行。它的优点是成本低一点,但灵活性差,需要解决某个LED故障,不影响其他LED运行的问题。这两种形式,在一段时间内并存。多路恒流输出供电方式在成本和性能方面会较好。

2.散热问题(容貌)。

LED发光效率和功率是LED照明的关键之一,但是,LED属于冷光源,工作结温不能超过限值,设计时要留有余量。所以LED的PN结温度及壳体散热问题显得尤为重要。PN结温与灯体温度差异越大,那么热阻越大,随之光能被转换成热能白白消耗掉,严重时LED损坏。原本单颗LED组件具20,000—40,000小时寿命,可能因功率与散热处理不佳降至仅2,000小时。而且LED是温度敏感器件,当温度上升时,其发光效率急剧下降。

 当今常见的技术就是利用铝基板来封装,铝基板封装的芯片散热和光转换效率都存在技术核心瓶颈,不能有效地控制结温和稳定地维持高功率的光输出,并且应用会遇到因为芯片光效越高,所需的铝基板面积就越大的问题,加大成本和应用体积,极为不便。所以系统结构设计及散热技术开发是LED灯具设计急需面对的课题。

3.二次配光设计(内涵)

一般情况下,用户最关心的是这盏灯是否能够照亮我们希望它照亮的地方,是否使我们感觉舒适,而这就是照明设计师需要做的配光设计了。光源在空间各个方向的光强分布即为配光,为了使LED芯片发出的光能够更好地输出,得到最大程度的利用,并且在照明区域内满足设计要求,需要对LED进行光学系统的设计。其中,在封装过程中的设计被称为一次光学设计,在使用LED发光器件时,整个系统的出光效果和光强、色温的分布设计被称为二次光学设计,也叫二次配光。

LED灯具的二次配光设计,对最终的照明器件和工程的性能起着至关重要的作用。一是部分光线未能达到有效的照明范围从而导致能量的损失,需要二次配光提高光能利用率;二是封装之后,像面照度分布均匀性达不到设计要求,难以在每一点的照度值都大于要求的最低照度值,这都需要对LED灯具进行二次配光设计。

例如LED路灯,LED路灯配光是使光线尽可能投射到被照路面各个区域,获得符合道路照明要求的光分布。如果没有对LED路灯光源配光,照射在路面上的光型为面积较大的圆形光斑,会有部分光散落到路面之外而没有被利用。从LED路灯可以看出,配光设计是否准确到位是其能否替代传统光源的关键因素之一,研究LED灯具二次配光对今后LED照明的系统设计研究具有重要意义。

万家灯火——我眼中的LED照明(一):概述

万家灯火——我眼中的LED照明(三):应用

Lucy Zang 还没写个人简介...

5 Jun 2016, 12:56