LED照明設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

　　本文圍繞LED照明燈具的設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。具體來(lái)說(shuō)主要是從電子電路、熱分析、光學(xué)方面進(jìn)行說(shuō)明。首先是LED照明概要及其與迄今為止的光源的區(qū)別。

　LED照明作為新一代照明受到了廣泛的關(guān)注。僅僅依靠LED封裝并不能制作出好的照明燈具。本文主要從電子電路、熱分析、光學(xué)方面對(duì)LED照明進(jìn)行介紹，首先介紹LED照明設(shè)計(jì)。

　　隨著近年來(lái)人們對(duì)環(huán)境關(guān)注度的提高，LED照明作為新一代照明受到了廣泛的關(guān)注。展會(huì)上，只要是與LED照明有關(guān)的展位都是人頭攢動(dòng)，同時(shí)，LED照明也更多的出現(xiàn)在我們的日常生活中。一般家庭能夠消費(fèi)的LED燈都是由各大照明制造商銷售的燈泡型LED燈。另外，很多公司也都陸續(xù)研發(fā)出了熒光燈型的LED燈。在這種情況下，勢(shì)必有更多的公司參與到LED照明行業(yè)中。

　　LED燈與白熾燈、熒光燈等傳統(tǒng)光源有著不同的特性。僅僅依靠LED封裝并不能制作出良好的照明燈具。為了設(shè)計(jì)出更好的LED照明燈具，必須對(duì)LED進(jìn)行區(qū)別于傳統(tǒng)光源的正確的光學(xué)設(shè)計(jì)。

　　LED照明
　　用于照明的LED大多是白色。LED照明很大程度上依賴藍(lán)光LED芯片的發(fā)明和發(fā)光效率的提高。

　　實(shí)現(xiàn)白光LED主要有兩種方式。一種是使用LED芯片和熒光粉，另外一種是使用RGB 3色LED芯片。目前主要是采取第一種方式。

　　使用熒光粉一般都是在藍(lán)色LED芯片上涂覆黃色熒光粉。從LED芯片中發(fā)出的藍(lán)色光遇到熒光粉時(shí)，部分光轉(zhuǎn)換為黃色光。這部分轉(zhuǎn)換的黃色光和藍(lán)色光參雜在一起，就變成了白色光。通過(guò)調(diào)整熒光粉的量可以控制白光LED的色溫，因此發(fā)光顏色在制作時(shí)就已經(jīng)決定，后期不能調(diào)整。

　　同時(shí)，混合藍(lán)色光和黃色光的話，由于紅色和綠色的成分不足，造成顯色性不佳。這樣，可以通過(guò)在藍(lán)色LED芯片中參雜紅色和綠色熒光粉或者是在紫外LED芯片中參雜RGB熒光粉，來(lái)提高其顯色性。

　　使用RGB 3色LED芯片的優(yōu)勢(shì)在于RGB可以調(diào)整各種色度，所以不僅能夠產(chǎn)生白光，還能產(chǎn)生其他各種顏色的光。但是，LED芯片使用量增大，成本也就會(huì)上升。

　　LED照明的優(yōu)勢(shì)及其與迄今為止的其他光源的區(qū)別
接下來(lái)就LED照明與白熾燈、熒光燈等傳統(tǒng)光源的區(qū)別，從熱、電、光的特性方面進(jìn)行分析。

　　熱的特性
　　雖然LED發(fā)熱很少，但是由于LED照明中，需要使用多顆數(shù)瓦級(jí)的LED，所以就會(huì)產(chǎn)生很高的熱量。雖然LED效率比較高，但是高效率僅支持在微小電流中的運(yùn)行。大電流、高溫狀態(tài)下，效率較低。

　　另外，熒光粉型的LED，在轉(zhuǎn)換波長(zhǎng)的時(shí)候會(huì)損失能量，從而產(chǎn)生熱量。持續(xù)高溫就會(huì)導(dǎo)致LED芯片、熒光粉、封裝樹(shù)脂壽命降低。因此，為了使LED的“高效率”、“長(zhǎng)壽命”的優(yōu)勢(shì)保持下去，就必須控制LED的結(jié)溫。

　　電的特性
　　LED電源與白熾燈、熒光燈有很大的區(qū)別。白熾燈可以直接連接到220V的交流電上。熒光燈雖然有鎮(zhèn)流器和轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，但也使用220V的交流電。而LED的電源則需要直流的恒定電流，所以需要將220V的交流轉(zhuǎn)換為直流。電源的效率不高將直接影響到整個(gè)照明燈具的效率，因此提高電源效率對(duì)于提高LED照明效率來(lái)說(shuō)顯得尤為重要。

　　調(diào)節(jié)LED光的方法主要有兩種。一種是改變恒定電流，一種是改變脈沖調(diào)制。LED是電子與空穴再結(jié)合時(shí)發(fā)光，光束依賴于電流。電流小的情況下，光束和電流基本是成正比的，但當(dāng)LED電流增大，熱量隨之增大，導(dǎo)致發(fā)光效率變低，光束和電流就不成正比了。

　　在改變脈沖占空比的方法中，由于Talbot-Plateau 效應(yīng)（反復(fù)接受瞬間閃光后，人眼會(huì)感受到反復(fù)時(shí)間內(nèi)的平均亮度），可以根據(jù)脈沖占空比改變亮度。

　　光特性
　　與白熾燈和熒光燈相比，1顆LED發(fā)出的光比較少，所以需要使用多顆LED。同時(shí)，由于LED的發(fā)光面積小，亮度高，人眼直視的話很容易眩暈。為了降低亮度，需要使用擴(kuò)散板。但是，使用擴(kuò)散板的話，光向各個(gè)方向發(fā)散，降低了光的效率。

　　LED、白熾燈、熒光燈的配光分布各不相同。所謂配光分布是指光源的方向以及各方向的發(fā)光強(qiáng)度。即使是相同光束的光源，如果配光分布不同，照度分布也會(huì)不同。有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)本來(lái)想要照射的地方照度減小，其余部分反而照度增加的情況。

　　要減少光的浪費(fèi)，控制配光分布，需要使用透鏡和反光鏡。LED本身就具有發(fā)光面積小、光的放射范圍在半球內(nèi)、配光分布旋轉(zhuǎn)對(duì)稱等優(yōu)點(diǎn)，再加上透鏡和反光鏡，就能構(gòu)成一個(gè)好的光源。

　　其他在光源屬性中，還有光譜。LED的發(fā)光光譜集中在特定波長(zhǎng)的一個(gè)很窄的范圍，不放射紅外線。因此，在不想使照射物變熱的時(shí)候，使用LED較好。但是，LED自身會(huì)發(fā)熱，所以需要注意防止其導(dǎo)熱。另外還需要注意，熒光粉類型的LED，溫度變化，色溫也會(huì)隨之變化。

　　總結(jié)：LED照明設(shè)計(jì)
　　LED照明燈具備受期待的原因就是節(jié)能、使用壽命長(zhǎng)。確實(shí)，與白熾燈相比，目前的球泡型LED燈效率更高。但是熒光燈與LED照明燈具相比，還是熒光燈較高。這是因?yàn)?，雖然單獨(dú)的LED芯片比熒光燈效率高，但是由于發(fā)熱降低了發(fā)光效率，交流電轉(zhuǎn)換成直流電時(shí)，電源效率變低以及由于配光分布變換和使用擴(kuò)散板導(dǎo)致光效降低，進(jìn)而造成整個(gè)LED照明燈具的效率下降。

　　因此，為了實(shí)現(xiàn)LED的節(jié)能，長(zhǎng)壽命，必須對(duì)熱、電、光進(jìn)行各種設(shè)計(jì)。單純依靠LED封裝并不能發(fā)揮LED的優(yōu)勢(shì)。