解析LED照明設(shè)計(jì)知識(shí)

1、LED器件光效ηL，單位lm/w

LED器件光效是指在規(guī)定的結(jié)溫(例如Tj=25℃)時(shí)，每瓦電功率轉(zhuǎn)換成輸出(可見(jiàn)光)輻射光能兩者的比。可用下式表示LED光效： ηLED=Φ/w，單位：lm/w

必要條件是Tj為規(guī)定值，在同樣功率下，不同的Tj溫度，LED輸出的光通量Φ是不同的，隨溫度升高，Φ會(huì)下降。美國(guó)能源部西太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室給出白光功率LED PN結(jié)上溫度Tj每升高1℃輸出光通量下降0.25%。(以Tj=25℃時(shí)，Φ=100lm計(jì)，當(dāng)Tj=80℃時(shí)，Φ=(1-13.75%)×100=86.25lm，下降約13.75%，可見(jiàn)大功率白光LED的光通溫度系數(shù)：?Φ/?Tj≈-0.25(lm/℃))

一般LED生產(chǎn)企業(yè)給出的器件光通量大多是Tj=25℃時(shí)的數(shù)值。給出的光效也同樣如此。實(shí)際使用時(shí)，Tj一般不等于25℃。

2、LED燈具的光效ηTub1(lm/w)

LED燈具是指用LED作光源的照明燈具。任何燈具一般包含：光源(燈泡或模組);鎮(zhèn)流器或驅(qū)動(dòng)電源模組;光管配光透鏡(或反射腔等);散熱裝置或燈外殼等四個(gè)部分組成，對(duì)于LED燈具，這四個(gè)部分除光源外均對(duì)燈具的光效有貢獻(xiàn)，且都是負(fù)貢獻(xiàn)!下面分別加以說(shuō)明：

(1)LED器件和光源模組光效ηLED

ηLED一般以LED器件廠給出的光效為準(zhǔn)，例如一個(gè)LED的光效在Tj=25℃時(shí)，假設(shè)為100lm/w，則若用100個(gè)這樣的LED器件組成的光源模塊的光通量根據(jù)光的疊加律可得為100lm/w×100=10000lm，但光效仍為100lm/w;但它并不等于燈具的光效。

(這里假設(shè)100個(gè)100lm/w的光源加上100w電功率，它發(fā)出的總光通量應(yīng)為10000lm)。

(2)電源效率對(duì)燈具光效的影響(貢獻(xiàn))

當(dāng)供給LED光源模塊上的電功率為100w時(shí)，由于驅(qū)動(dòng)LED的開(kāi)關(guān)電源或是AC/DC電流源等，自身要消耗電功率，也就是輸入電功率較用于LED光源模塊的電功率要高。它們兩者的比值稱(chēng)為電源效率。假設(shè)此效率ηE=85%，則燈具輸入電功率為：

Pin=PLED/0.85=117.65w

將此時(shí)的光效計(jì)入驅(qū)動(dòng)電源轉(zhuǎn)換效率時(shí)，光效從100lm/w下降為10000lm/117.65w≈85lm/w。下降：15%，這下降是電源驅(qū)動(dòng)電路作的負(fù)貢獻(xiàn)。

(3)二次配光光學(xué)效率ηLight 的影響

一般的照明燈具，特別是LED這類(lèi)窄光束光源，需要二次光學(xué)設(shè)計(jì)，以達(dá)到所需求的光分配的配光要求。例如LED射燈要求截光型蝙蝠翼型配光，通常在每個(gè)LED上加置橢圓形透鏡，這樣就會(huì)帶來(lái)因透鏡損失光能，于是就有一燈具的光學(xué)效率ηLight的問(wèn)題，通常光學(xué)級(jí)透鏡的透光率不超過(guò)0.9，即ηLight≈0.9.

也就是說(shuō)一個(gè)不加透鏡的10000lm的光源，加透鏡后就成為輸出9000lm的光源，損失約10%的光能，此時(shí)，光源電源、二次光學(xué)透鏡二個(gè)組成部分的光效為η(3)=0.85×0.9=0.765

也就是說(shuō)100lm/w的光源，現(xiàn)在僅為76.5lm/w。二者負(fù)貢獻(xiàn)達(dá)：23.5%。

(4)熱效率ηth

不僅電源效率，光學(xué)透鏡效率的負(fù)貢獻(xiàn)，LED燈具還有對(duì)LED光源不可或缺的熱管理的效率，也就是散熱器效率，通常LED燈具將PCB板、燈殼均用來(lái)作散熱通道，實(shí)現(xiàn)熱失散，對(duì)燈具有一系統(tǒng)熱阻的設(shè)計(jì)問(wèn)題。也就是好的散熱系統(tǒng)，LED PN結(jié)上溫度Tj與燈具環(huán)境溫度Ta之間的溫度梯度越小越好。燈具的系統(tǒng)熱阻定義為：燈具外殼(或內(nèi)部)平均溫度與環(huán)境溫度差與燈具功率之比?？杀硎緸椋篟thsystem=(Tscase-Ta)/Pin (單位：℃/w)

假設(shè)LED的熱阻為8℃/w，則一個(gè)LED上加1w電功率后，LED PN結(jié)上的溫度Tj與LED底座散熱底板之間溫差為8℃，而LED基板與PCB(一般是鋁PCB板)間熱阻一般小于1.2℃/w，則Tj與PCB板之間溫差為8℃+1.2℃=9.2℃，若燈光也為散熱材料壓鑄(如鋁合金)，則鋁合金的熱阻一般僅0.2℃/w，為此燈殼到LED PN結(jié)的溫差約為：(8+1.2+0.2)℃=9.4℃

現(xiàn)在的問(wèn)題是燈殼Tscase與燈周邊環(huán)境溫度Ta的溫度差多少度?這就由燈具的系統(tǒng)熱阻決定。假定用于熱失散的燈殼接觸環(huán)境空間的面積為A，此面積的大小決定兩者的溫差，僅當(dāng)A→∞時(shí)，燈殼面積與環(huán)境等溫，但這是做不到的。韓國(guó)三星LED電子等公司，對(duì)他們的不同功率的LED器件，作光源時(shí)，給出散熱器面積與Tj的關(guān)系曲線(xiàn)，例如對(duì)一個(gè)3.5w功率的LED，要使Tj從100℃下降到80℃，散熱器與空氣接觸面積要增加60cm2以上，由此可估算得，每增加60cm2/3.5w≈17cm2/w，就是說(shuō)一個(gè)1w電功率的LED若用60cm2以上散熱器時(shí)其結(jié)溫將下降20℃?；蛘哂脽艟呦到y(tǒng)熱阻Rthsystem來(lái)表示時(shí)，本例117.65w總功率按每w17.2cm2計(jì)，燈具散熱器與空氣接觸面的面積大于等于17.2cm2/w×117.65w=2024cm2(約0.2m2)時(shí)，燈殼與環(huán)境溫差20℃。燈具系統(tǒng)熱阻Rthsystem即為：Rthsystem≈20℃/117.65w≈0.17℃/w 于是在對(duì)燈具施加電功率為117.65w時(shí)，在Ta=25℃時(shí)，燈殼上的溫度應(yīng)為： Tcase=Ta+Rthsystem×Pin

=25℃+0.17℃/w×117.65w

=45℃

此時(shí)，從前面分析知LED PN結(jié)上溫度Tj可從下式求得： Tj=Tcase+1w×(8℃/w+1.2℃/w+0.2℃/w)

=45℃+9.4℃=54.4℃

與Tj=25℃相比，PN結(jié)溫度高了19.4℃，也就是一個(gè)100lm的LED此時(shí)光通量

較Tj=25℃時(shí)的光通量要低：

0.25lm/℃×19.4℃=4.85lm

100個(gè)LED的光源模組比Tj=25℃低485lm

由此也可求出燈具的熱效率ηth ηth=[1-485/10000]=95.15%≈0.95

于是燈具的光效計(jì)入各個(gè)效率后，可表為： ηTub1=ηE·ηLight·ηth=0.85×0.9×0.95

≈0.726

此時(shí)燈具的光效為：72.6lm/w。僅為L(zhǎng)ED的光效的72.6%，而且也要設(shè)計(jì)正確才達(dá)到。