LED照明系統(tǒng)設(shè)計詳細(xì)步驟介紹

步驟三：估計光學(xué)系統(tǒng)、熱系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)的效率

設(shè)計過程中最重要的參數(shù)之一是，需要多少個LED才能滿足設(shè)計目標(biāo)。其他的設(shè)計決策都是圍繞LED數(shù)量展開，因為LED數(shù)量直接影響光輸出、功耗以及照明成本。

查看LED數(shù)據(jù)手冊列出的典型光通量，用該數(shù)除設(shè)計目標(biāo)流明，這種方法很誘人。然而，此方法太簡化了，依此設(shè)計將滿足不了應(yīng)用的照明要求。

LED的光通量依賴于多種因素，包括驅(qū)動電流和結(jié)溫。要準(zhǔn)確計算所需要的數(shù)量，必須首先估計光學(xué)、熱和電氣系統(tǒng)的無效率。以前原型機(jī)設(shè)計的個人經(jīng)驗，或者本文提供的例子數(shù)量，都可以作為指南來估計這些損失。本節(jié)對估計這些系統(tǒng)損失的過程進(jìn)行簡述。

光學(xué)系統(tǒng)效率

通過考察光損失估計光學(xué)系統(tǒng)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(tǒng)，如LED上的透鏡或擴(kuò)散片。與次級光學(xué)器件相關(guān)的損失根據(jù)使用的特定元件的不同而變化。通過各次級光元件的典型光學(xué)效率在85%和90%之間。

2．燈具內(nèi)的光損失

當(dāng)光線在到達(dá)目標(biāo)物之前，打到燈具罩上時，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?zé)艟摺９潭ㄎ锏男视?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/照明">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(dá)到的效率比全方向照明可能達(dá)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2將Cree XLamp XR-E LED的光束角度與目標(biāo)燈具的光輸出圖像進(jìn)行了比較。裸LED的光束角度與目標(biāo)燈具的非常相似，所以不需要次級光學(xué)器件。因此，對本示例照明，不存在次級光學(xué)器件引起的光損失。

要計算本CFL示例的燈具損失，我們假定燈具反射杯的反射率為85%，60%的光將打到反射杯上。因此，光學(xué)效率為：

熱損失

LED的相對通量輸出隨著結(jié)溫的上升而降低。大多數(shù)LED數(shù)據(jù)手冊都列出了25℃下的典型光通量值，而大多數(shù)LED應(yīng)用都采用較高的結(jié)溫。當(dāng)結(jié)溫Tj > 25℃時，光通量肯定比LED數(shù)據(jù)手冊給出的值差。

LED數(shù)據(jù)手冊中有一個曲線，給出了相對光輸出與結(jié)溫的關(guān)系，例如如曲線3所示的XLamp XR-E白色LED。該曲線通過選擇特定相對光輸出或者特定結(jié)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(shè)計的。本設(shè)計基于所列的設(shè)計目標(biāo)，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5萬小時后提供平均70%的流明維持率，結(jié)溫保持在80℃或以下。因此，CFL示例的最高合適結(jié)溫為80℃。對應(yīng)的最小相對光通量為85%，如曲線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(qū)動電子設(shè)備將可用功率源(如墻體插座交流電或電池)轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的電流源。這一過程與所有電源一樣，效率不會達(dá)到100%。驅(qū)動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(fèi)在發(fā)熱上了，而沒有用在發(fā)光上。在開始設(shè)計LED系統(tǒng)時，就應(yīng)考慮到電氣損失。

典型LED驅(qū)動器的效率在80%到90%之間。效率高于90%的驅(qū)動器的成本要高得多。要注意，驅(qū)動器效率可能隨輸出負(fù)載而變化，如曲線4所示。應(yīng)指定驅(qū)動器工作在大于50%輸出負(fù)載下，以使效率最大，并使成本最低。

曲線4示例的LED驅(qū)動器效率與負(fù)載的關(guān)系