LED灯具的关键技术.pdfVIP

LED 灯具设计关键技术及必威体育精装版进展 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， 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。