玩轉(zhuǎn)LED設(shè)計(jì)的四大法則
對(duì)于LED,大家并不陌生。然而,關(guān)于LED設(shè)計(jì)的那些事兒,您了解多少?
本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/201612/325920.htm一、光學(xué)設(shè)計(jì)的重要性
LED是點(diǎn)光源,不同于目前市場(chǎng)上的節(jié)能燈或白熾燈。點(diǎn)光源 顧名思義也就是一個(gè)點(diǎn)發(fā)出的光亮,而這個(gè)點(diǎn)發(fā)出光還同時(shí)具有另一個(gè)重要特征,那就是只有一方向上有光(所有傳統(tǒng)的背面反光罩對(duì)于LED本身來說是沒有任何意義的)。
如果我們想要用這種特殊的光來做照明使用,就必須對(duì)這個(gè)光進(jìn)行一定的處理,才可以達(dá)到我們的要求和目的,所以我們要加上光學(xué)設(shè)計(jì),把這個(gè)相對(duì)集中的點(diǎn)光源變成具有一定角度的散光,這也就是大家所熟悉的草帽LED,草帽LED是專業(yè)用于照明設(shè)計(jì)的一種封裝形式,一方面它可以讓光線從一個(gè)集中的點(diǎn)光源變成具有一定角度的散光源,另一方面,它具有更少的光衰效果,而讓更多的光透射出來為我們所用。
雖然草帽LED在光學(xué)角度上有了質(zhì)的飛躍,但相對(duì)我們所熟悉的面光源來講,它依舊是一個(gè)點(diǎn)光源,因其亮度過于集中,如果人眼直接看向光源,還是會(huì)對(duì)我們的眼睛造成一定的傷害。
所以在LED照明應(yīng)用于家庭照明燈中,我們還要進(jìn)一步進(jìn)其光線進(jìn)行處理,再增加一定的光學(xué)設(shè)計(jì),而達(dá)到人眼可以直接觀測(cè)的目的,同時(shí)柔和光線,另一方面還要再次放大其照射角度,雖然草帽LED本身已經(jīng)做到120度范圍,但如果直接應(yīng)用于家庭照明,給我們的感覺是屋頂上表現(xiàn)出來是一片漆黑,我們要利用燈具最外面的透明罩把光線再次分散開來,從而適應(yīng)正常的家庭照明。
二、大功率與小功率LED的區(qū)別
隨著LED技術(shù)的不斷發(fā)展,人們?yōu)檫m應(yīng)大面積照明而研發(fā)出功率越來越大的單顆LED芯片,目前全球最前沿已經(jīng)可以做到單顆LED功率為 200W以上,雖然功率可以做到很大,但其性價(jià)比并不佳。下面以我們以常見的幾種LED為例做一個(gè)分析。
目前業(yè)內(nèi)大量使用的都是單顆0.06W功率,其亮度最大可以做到7LM,我們暫按普通的做到6LM計(jì)算,如果要讓功率達(dá)到1W,我們需要用17個(gè)同樣的LED,其總亮度為17*6=102LM,也就是說可以做到 100LM/W,如果我們采用單顆芯片為1W的功率,其輸出的亮度最高做到80LM,常用的一般在60LM左右,這是亮度上的一個(gè)主要區(qū)別,由此可見,對(duì)于家庭使用來講,我們還是要選擇小功率的LED比較合適。
從產(chǎn)品成本角度講,大功率的LED成本要高于小功率的成本,這來自于兩個(gè)方面,一是LED本身的造價(jià),二是大功率的LED要加鋁散熱片,小功率只要用普通電路板,加上自然散熱就可以達(dá)到要求。
從產(chǎn)品日后維護(hù)成本來看,如果我們的燈具在使用中出現(xiàn)故障,可以找任何一家電器修理店去更換損壞的LED,一顆0.06W的LED成本最多1元錢,加上維修費(fèi)也不超過5元,如果是更換1顆1W的LED,LED成本就要8元,加上維修費(fèi)用就要15元左右。而相對(duì)來講,小功率的LED市場(chǎng)上隨便一個(gè)電子市場(chǎng)都可以采購(gòu)到,大功率的則不一定哪里都可以買到。
LED走向大功率是一個(gè)市場(chǎng)趨勢(shì),也是未來發(fā)展的主流,但目前由于技術(shù)上還未能達(dá)到我們所期望的結(jié)果,從技術(shù)角度講,目前還不太適合用于家庭照明。
三、散熱設(shè)計(jì)的重要性
LED本身是半導(dǎo)體器件,所有半導(dǎo)體器件正常工作都有一定的溫度要求,包括環(huán)境溫度和工作溫度。一般半導(dǎo)體器件正常工作的環(huán)境溫度都要低于80度,當(dāng)LED內(nèi)部的PN結(jié)溫度到達(dá)140度的時(shí)候,就會(huì)失效。正常工作時(shí)其自身的溫度會(huì)通過引腳或?qū)S玫鬃l(fā)出來,進(jìn)而再通過連接在引腳上的電路板或鋁基板向四周的空氣中散發(fā)出去,以保證LED的正常工作。
一般來講單顆功率大于0.2W以上,都要采用鋁基板做散熱,再大功率還要增加鋁殼和鋁散熱片。當(dāng)然這與整個(gè)燈內(nèi)LED的數(shù)量和密度有關(guān),過于集中的小功率LED同樣要考慮散熱設(shè)計(jì)。這如同于各位身邊的每一件電子產(chǎn)品,如:電視機(jī)、顯示器、計(jì)算機(jī)主機(jī)等。不正確的散熱設(shè)計(jì)會(huì)直接導(dǎo)致 LED壽命縮短和加快光衰速度。
現(xiàn)在大部分的結(jié)溫上限都能做到120度左右,目前cree的應(yīng)該算是較高的,為150度。
燈珠熱阻根據(jù)封裝材料結(jié)構(gòu)不同而不同,有些多芯片的高達(dá)幾十,單芯片的一般都是個(gè)位數(shù),頂多十幾,當(dāng)然這直接關(guān)系到結(jié)溫,算是關(guān)系到LED壽命,光效等的重要參數(shù)了。
目前大部分LED燈具設(shè)計(jì)壽命都是20000~50000H,這由許多因素決定,首先IC等的壽命就限制了整燈的壽命。
結(jié)構(gòu)布局上從散熱方面來說其實(shí)就是接觸熱阻與導(dǎo)熱瓶頸的問題,這涉及較多,不好列出??偟膩碚f就是結(jié)構(gòu)一體,大面積良好接觸。PCB上面燈珠盡量平均分布就是了,避免熱源集中。
驅(qū)動(dòng)效率當(dāng)然越高越好,布局上盡量原理最大熱源,也就是LED燈珠??刹捎霉嗄z等方式,達(dá)到散熱固定絕緣的效果。
綜合考慮:良好的散熱設(shè)計(jì)溫升最好控制在35以下。結(jié)溫80以下。理論壽命50000以上。
四、目前的散熱設(shè)計(jì)難題
1.自然散熱受空間限制太大(輻射散熱本身影響較小,且受空間尺寸限制)。
2.自然散熱面積改善空間有限(對(duì)流散熱有限)。
3.目前都采用金屬部件做散熱器,較小空間內(nèi)熱傳導(dǎo)已經(jīng)足夠。(散熱器溫差較小,導(dǎo)熱系數(shù)影響較小)。
4.大部分的散熱設(shè)計(jì)都只能集中在燈珠選擇,散熱面積,界面接觸熱阻,輻射散熱上面。幾乎窮途末路。
5.目前狀況,散熱設(shè)計(jì)的突破點(diǎn)在燈具系統(tǒng)的散熱設(shè)計(jì),是一個(gè)實(shí)際生產(chǎn)制造,材料配件,結(jié)構(gòu)造型與散熱設(shè)計(jì)各種經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的成果。
評(píng)論