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时间:2019-07-23
《LED灯具的关键技术》由会员上传分享,免费在线阅读,更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、LED灯具设计关键技术及最新进展陈俞荣浙大光电系一.背景1.行业背景近年来LED照明产业的发展取得了突飞猛进的发展。随着全球民众节能意识的高涨,以及在相对较高的电价下,促使建筑、商业应用领域持续导入LED照明,而日本、北美、欧洲及中国大陆则成为主要应用市场。据了解,2010年全球LED照明市场规模达49.8亿美元,较2009年大幅成长46%。工研院IEK预估,2015年全球LED照明市场产值将上升至212亿美元,市场渗透率达15%。LED灯具具有节能环保、长寿命、高光效等特点,并以多样化、强调设计与流行、功能性为决胜关键,受到了市场的欢迎。随着LED照明灯具产业的发展
2、,LED照明灯具产品成为了新一代的照明趋势。2.LED灯具分类和优点一般LED照明灯具产品分为户外照明和室内照明两大系列,户外照明系列包括LED路灯、LED隧道灯、LED投光灯,可用于小区、街道、道路、投光照明。室内照明包括LED筒灯、LED日光灯、LED格栅灯、LED球泡,适用于家居、商业、机关、学校、部队、医院、航天等领域的室内照明场所,以及节日灯饰、公园、舞台等,可普遍代替传统的各种吊灯、筒灯、日光灯、灯条等灯具。LED照明灯具不管应用在户外还是室内照明都具有以下的五大特点:1)节能。采用高品质的LED光源,在同样的电能下1W发的光相当于白炽灯的4-5倍,是节能
3、灯2倍以上。2)环保。LED是半导体材料,无任何有害物质,可回收利用,因为属于固态,不易碎。3)寿命长。LED灯具寿命正常使用下寿命普遍为节能灯的5倍以上。4)光色纯正。LED显色指数(RA)比传统灯具要高,普遍达到75以上,传统灯大概是40-50.5)可以工作在高速状态。节能灯如果频繁的启动或关断灯丝就会发黑很快的坏掉,LED属于半导体,可工作在高速开关状态。二.LED灯具设计的关键问题1.散热为LED灯具设计关键一般常称LED为冷光源,这是因为LED的发光原理是电子经过复合直接发出光子,而不需要热的过程。但是由于焦耳热的存在,LED在发光的同时也有热量伴随。而与传
4、统光源不同的是,钨丝灯等传统光源将热量集中在灯丝,但LED的光源的热量却集中在发光二极管的PN结面上,两者相较起来,钨丝灯的散热面积仍远大于PN结界面的面积,甚至PN结面可以视为1个点,LED发光产生的热能全部集中在单一点上。在工程设计方面,“面”形式产生的热可用散热片或是自体增加热对流空间即可处理,但“点”状的热源在散热处理就更为复杂与困难,处理不妥很容易造成PN结面因高热、高电流出现击穿损坏,而组件长期处于高热,也会让产品的可用寿命受到影响。另一方面,LED晶粒为提升亮度表现,必须在单位LED上施加更多电源功率,同时灯具设计也会采较多数量的LED同时运行,这将使灯
5、具内产生大量的热。当单颗LED晶粒随亮度提升,功耗也由0.1W提升到1、3、甚至5W,经LED光源模型实测分析结果,封装模组也会因增加发光效能而出现热阻抗攀升的问题。LED不同于白炽灯、荧光灯等传统照明光源,过高的温度会缩短甚至终止其使用寿命;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。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。2.LED灯具的二次配光设计至关重要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
6、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。第一,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;第二,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
7、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,如图1(a)所示。为了满足对路面的亮度、照度、均匀度的要求,且尽可能使得大部分光都分布在道路面上以提高灯光的利用率,减少不必要的浪费,通常需要对LED路灯进行配光,LED路灯输出的光线照射在路面上所形成的光型或光斑以矩形为佳,如图1(b)所示。a)未经配光(b)经配光后图(1)LED路灯配光示意图从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
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