LED照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　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(jì)的。本設(shè)計(jì)基于所列的設(shè)計(jì)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(jì)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?yàn)榘演斎牍β世速M(fèi)在發(fā)熱上了，而沒有用在發(fā)光上。在開始設(shè)計(jì)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

　　對于室內(nèi)應(yīng)用，驅(qū)動器效率87%的估值很好。室外用或非常長的使用壽命的驅(qū)動器，效率可能要低一些。

　　表5概括了示例照明的光、熱和電氣系統(tǒng)的效率。

　　步驟四：計(jì)算需要的LED數(shù)量

　　實(shí)際需要的流明量

　　所有系統(tǒng)效率估算好之后，就可計(jì)算要達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)需要的實(shí)際LED流明數(shù)。對本計(jì)算，只使用光效率（光學(xué)和熱）。電氣效率只影響總功耗和燈具效能，而不影響照明的光輸出量。示例照明“需要的實(shí)際流明”的計(jì)算如下：

　　所需的實(shí)際流明=目標(biāo)流明/（光學(xué)效率×熱效率）=810/（91%×85%）=1,050lm

　　工作電流

　　另一個需要確定的是LED的工作電流。工作電流在確定LED照明的效能和使用壽命時很重要。增加工作電流，則各LED的光輸出會變大，因而減少了所需的LED數(shù)量。不過，增加工作電流同時也帶來多個缺點(diǎn)，如表6所示。根據(jù)應(yīng)用的不同，考慮到每個LED流明輸出值更高，這些缺點(diǎn)也許可以接受。

　　對示例照明，使用壽命和功效是最應(yīng)優(yōu)先考慮的設(shè)計(jì)目標(biāo)，本照明以XLamp XR-E數(shù)據(jù)手冊所列的最小工作電流（350 mA）工作，以最大限度提高LED功效并延長使用壽命。

　　LED數(shù)量

　　工作電流確定之后，就可以計(jì)算各LED的流明輸出數(shù)了。由于LED的熱損失已經(jīng)在實(shí)際需要的流明數(shù)計(jì)算中考慮到了，故LED供應(yīng)商文檔給出的數(shù)量可以直接使用。

　　對本計(jì)算，使用LED訂單代碼所列的最小通量，而不是使用數(shù)據(jù)手冊給出的典型數(shù)量。大多數(shù)LED公司根據(jù)最小通量范圍銷售。根據(jù)此最小數(shù)來設(shè)計(jì)，就可以確保用該LED訂單代碼制作的所有照明都能滿足目標(biāo)要求。

　　本例中的照明使用4000K CCT的XLamp XR-E LED，350 mA時的最小光通量為67.2 （P2 flux bin）。LED的數(shù)量計(jì)算如下。

　　LED的數(shù)量=實(shí)際所需的流明數(shù)/每個LED的流明數(shù)＝1,050 lm / 67.2 lm=16個LED

　　步驟五：考慮所有設(shè)計(jì)可能并選擇最佳設(shè)計(jì)

　　LED數(shù)計(jì)算好之后，考慮滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)的所有設(shè)計(jì)可能。由于每個LED都是一個小照明，比傳統(tǒng)照明的使用壽命要長許多，因此LED可以與新型和非常規(guī)設(shè)計(jì)元件一起集成到照明中。設(shè)計(jì)師可以充分利用LED光的方向性和大量可用的次級光學(xué)器件來構(gòu)造原始設(shè)計(jì)。

　　同時不要忘記，有許多不同規(guī)則限制著設(shè)計(jì)的選擇。要給出適用LED照明的完整的世界標(biāo)準(zhǔn)列表超出了本文的范圍，不過，下面的表7給出了世界某些地域使用的規(guī)則的例子。

　　本節(jié)的其余部分對本示例LED照明的各系統(tǒng)（光學(xué)、熱和電器）的3個選項(xiàng)進(jìn)行說明。對每個系統(tǒng)，給出了最佳選項(xiàng)的選擇指南。

　　光學(xué)系統(tǒng)選項(xiàng)

　　1.裸LED和現(xiàn)有燈反射器

　　如前面所述，現(xiàn)有CFL燈具的角度和LED的角度非常相似，因此，可選則不使用次級光學(xué)器件。本選項(xiàng)可使成本最低，并且系統(tǒng)光損失最小。使用的元件較少，人力也較少，這樣使照明安裝更簡單并且費(fèi)用更低。

　　缺點(diǎn)是會出現(xiàn)多照明陰影效應(yīng)，下面將對此予以說明。另外，如果LED的光分布與目標(biāo)照明的光分布差異很大，就不能采用此方法。

　　2.帶有次級光學(xué)器件的LED和現(xiàn)有燈反射器

　　次級光學(xué)器件是除LED初級光學(xué)器件外附加的光學(xué)元件，用于對LED的光輸出進(jìn)行整形。一般的次級光學(xué)器件類型為反射（光從某個表面反射回），或者折射（光通過折射材料彎曲，折射材料通常為玻璃或塑料）。次級光學(xué)器件可以通過購買標(biāo)準(zhǔn)件、現(xiàn)成的零件或用照明模型通過光線跟蹤模擬來設(shè)計(jì)定制。

　　每個LED使用一個次級光學(xué)器件，各LED的光束角度就可以定制，從而得到所需的準(zhǔn)確光圖像輸出。例如，可以縮小各LED的光束角度，為點(diǎn)照明優(yōu)化照明，而不是為普通照明優(yōu)化。

　　這種方法有幾個缺點(diǎn)。首先，因?yàn)樵黾恿嗽⑶已b配較復(fù)雜，所以照明的成本較高。其次，由于光學(xué)器件連接到各LED上，可能仍然存在多照明陰影。最后，次級光學(xué)器件會降低光學(xué)系統(tǒng)的功效。

　　3.裸LED，現(xiàn)有的燈反射器和漫射器

　　不是每個LED都使用一個光學(xué)器件，整個LED陣列可以使用一個漫射器來傳播光。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是光束角度比裸LED能達(dá)到的光束角度寬，并且消除了多照明陰影效應(yīng)。

　　選項(xiàng)2的缺點(diǎn)是成本較高，并且光學(xué)系統(tǒng)的功效低。由于漫射器只能發(fā)散光，不能聚集，所以，如果光分布必須窄于裸LED的分布，則不能選擇這種方法。

　　光照度分布、多源陰影效應(yīng)和美觀度通常決定了光學(xué)系統(tǒng)的選擇。如果光輸出必須比裸LED的光輸出窄，就只能選擇選項(xiàng)2。否則，選項(xiàng)1在成本、功效和亮度上要更好。不過，選項(xiàng)1和2都有多源陰影效應(yīng)。

　　另外，用戶查看選項(xiàng)1和2時，會發(fā)現(xiàn)單個的LED，而使用選項(xiàng)3的用戶只能看見一個發(fā)散而均勻的照明。

　　多源陰影效應(yīng)

　　多源陰影效應(yīng)是當(dāng)物體位于多個照明之間時，表面出現(xiàn)多個陰影的現(xiàn)象。大多數(shù)人都見過安裝在浴室水池上方的多個燈泡，會注意到后面墻壁上有多個自己的影子，這就是多源陰影效應(yīng)。

　　布局很近的LED將產(chǎn)生多個相互接近的陰影。在目標(biāo)應(yīng)用中，這些接近的陰影的出現(xiàn)可能不受歡迎。設(shè)計(jì)師要決定，對目標(biāo)應(yīng)用，多陰影效應(yīng)的重要性有多大，增加滿射器以減小此效應(yīng)而帶來的額外光學(xué)損失是否值得。

　　熱系統(tǒng)選項(xiàng)

　　1.現(xiàn)有燈具罩

　　最低成本選項(xiàng)是將現(xiàn)有設(shè)計(jì)的燈具罩作為LED照明的罩和散熱片來重新使用。

　　新照明設(shè)計(jì)顯然不能選擇這一選項(xiàng)。另外，多數(shù)現(xiàn)有罩都是鋼制的，熱導(dǎo)性差。一般來說，選擇鋼罩不利于散熱。

　　2.現(xiàn)成的散熱片

　　另一個選項(xiàng)是購買現(xiàn)成的散熱片。這種現(xiàn)成的散熱片設(shè)計(jì)經(jīng)過驗(yàn)證，制造商有完整的技術(shù)指標(biāo)。不過，其性能、尺寸和形狀可能沒有面向目標(biāo)應(yīng)用而優(yōu)化。

　　3.定制散熱片

　　定制方案為應(yīng)用提供了優(yōu)化散熱片的最佳機(jī)會，但有幾個缺點(diǎn)。

　　這一選項(xiàng)需要設(shè)計(jì)師能利用熱仿真軟件，或者由有熱設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的第三方來協(xié)助。加工和制造費(fèi)用可能使定制散熱片的單位成本高于現(xiàn)成設(shè)計(jì)的成本。

　　目標(biāo)照明的成本、可用的散熱片開發(fā)時間以及目標(biāo)最高環(huán)境溫度常常決定了熱系統(tǒng)的選擇。一般來說，在降低成本比最高環(huán)境溫度更重要的情況下，選項(xiàng)2更好。在最高環(huán)境溫度更重要的情況下， 選項(xiàng)3更優(yōu)（如室外照明或條件不好的室內(nèi)照明）。

　　例子中的