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LED 照明设计基础 LED 照明设计基础 一． 序 随着近年来人们对环境关注度的提高，LED 照明作为新一代照明受到了广 泛的关注。展会上，只要是与 LED 照明有关的展位都是人头攒动，同时，LED 照明也更多的出现在我们的日常生活中。一般家庭能够消费的 LED 灯都是由各 大照明制造商销售的灯泡型 LED 灯。另外，很多公司也都陆续研发出了荧光灯 型的 LED 灯。在这种情况下，势必有更多的公司参与到 LED 照明行业中。 LED 灯与白炽灯、荧光灯等传统光源有着不同的特性。仅仅依靠 LED 封装 并不能制作出良好的照明灯具。为了设计出更好的 LED 照明灯具，必须对 LED 进行区别于传统光源的正确的光学设计。 本文围绕 LED 照明灯具的设计进行介绍。具体来说主要是从电子电路、热 分析、光学方面进行说明。首先是 LED 照明概要及其与迄今为止的光源的区别。 1.1 LED 照明 用于照明的 LED 大多是白色。LED 照明很大程度上依赖蓝光 LED 芯片的发 明和发光效率的提高。 实现白光 LED 主要有两种方式。一种是使用 LED 芯片和荧光粉，另外一种 是使用 RGB 3 色 LED 芯片。目前主要是采取第一种方式。 使用荧光粉一般都是在蓝色 LED 芯片上涂覆黄色荧光粉。从 LED 芯片中发 出的蓝色光遇到荧光粉时，部分光转换为黄色光。这部分转换的黄色光和蓝色光 参杂在一起，就变成了白色光。通过调整荧光粉的量可以控制白光 LED 的色温， 因此发光颜色在制作时就已经决定，后期不能调整。 同时，混合蓝色光和黄色光的话，由于红色和绿色的成分不足，造成显色性 不佳。这样，可以通过在蓝色 LED 芯片中参杂红色和绿色荧光粉或者是在紫外 LED 芯片中参杂 RGB 荧光粉，来提高其显色性。 使用 RGB 3 色 LED 芯片的优势在于 RGB 可以调整各种色度，所以不仅能 够产生白光，还能产生其他各种颜色的光。但是，LED 芯片使用量增大，成本 也就会上升。 1.2 LED 照明的优势及其与迄今为止的其他光源的区别 第 1 页第 1 页 LED 照明设计基础 接下来就 LED 照明与白炽灯、荧光灯等传统光源的区别，从热、电、光的 特性方面进行分析。 - 热的特性 虽然 LED 发热很少，但是由于 LED 照明中，需要使用多颗数瓦级的 LED， 所以就会产生很高的热量。虽然 LED 效率比较高，但是高效率仅支持在微小电 流中的运行。大电流、高温状态下，效率较低。 另外，荧光粉型的 LED，在转换波长的时候会损失能量，从而产生热量。 持续高温就会导致 LED 芯片、荧光粉、封装树脂寿命降低。因此，为了使 LED 的“高效率”、“长寿命”的优势保持下去，就必须控制 LED 的结温。 - 电的特性 LED 电源与白炽灯、荧光灯有很大的区别。白炽灯可以直接连接到220V 的 交流电上。荧光灯虽然有镇流器和转换开关，但也使用 220V 的交流电。而 LED 的电源则需要直流的恒定电流，所以需要将 220V 的交流转换为直流。电源的效 率不高将直接影响到整个照明灯具的效率，因此提高电源效率对于提高 LED 照 明效率来说显得尤为重要。 调节 LED 光的方法主要有两种。一种是改变恒定电流，一种是改变脉冲调 制。LED 是电子与空穴再结合时发光，光束依赖于电流。电流小的情况下，光 束和电流基本是成正比的，但当 LED 电流增大，热量随之增大，导致发光效率 变低，光束和电流就不成正比了。 在改变脉冲占空比的方法中，由于Talbot-Plateau 效应（反复接受瞬间闪 光后，人眼会感受到反复时间内的平均亮度），可以根据脉冲占空比改变亮度。 - 光特性 与白炽灯和荧光灯相比，1 颗 LED 发出的光比较少，所以需要使用多颗 LED。同时，由于LED 的发光面积小，亮度高，人眼直视的话很容易眩晕。 了降低亮度，需要使用扩散板。但是，使用扩散板的话，光向各个方向发散，降 低了光的效率。 LED、白炽灯、荧光灯的配光分布各不相同。所谓配光分布是指光源的方向 以及各方向的发光强度。即使是相同光束的光源，如果配光分布不同