白光LED光源在實(shí)際應(yīng)用中需注意的問題

　　led（ Light Emitting Diode） 是一種節(jié)能、長壽命、環(huán)保型的新光源，隨著LED 光源技術(shù)的快速發(fā)展及生產(chǎn)成本的下降，其在照明領(lǐng)域的使用比例逐漸加大。如果用LED 照明光源取代目前傳統(tǒng)照明光源數(shù)量的50% ，每年我國節(jié)省的電量就相當(dāng)于一個(gè)三峽電站發(fā)電量的總和，其節(jié)能效益十分可觀。LED 光源在照明市場的前景已令全球矚目，它正在給照明領(lǐng)域帶來一場全新的綠色革命。

　　將LED 作為接入市電的照明光源，在實(shí)際操作中，還存在一系列有待優(yōu)化的問題：

　?。?） LED 驅(qū)動(dòng)方式為恒流驅(qū)動(dòng)，如此方能保證其發(fā)光強(qiáng)度均勻一致；

　?。?） 由于LED 的性能受溫度影響會發(fā)生較大變化、甚至損壞，所以必須解決其散熱問題；

　　（3） 單顆LED 燈珠（ 芯片） 可近似為點(diǎn)光源，在作為照明光源時(shí)，必須改善其光線在各個(gè)方向的出射角度，使人眼更容易長時(shí)間接受。

　　1 恒流驅(qū)動(dòng)

　　圖1 所示為1W 級大功率LED 芯片在輸入為正向電壓時(shí)的伏安特性曲線。

　　實(shí)際測得此芯片的開啟電壓近似為Uon = 2. 3V，而一旦LED 導(dǎo)通后，其中流過的電流與其兩端接入的電壓近似按照指數(shù)規(guī)律增長，其關(guān)系可表示為：

　　式中，i 為流過的電流；Is為反響飽和電流；q 為電子的電量；u 為兩端電壓；k 為玻耳茲曼常數(shù)；T 為熱力學(xué)溫度。由圖1 和式（1） 可知，若采用恒壓驅(qū)動(dòng)，則當(dāng)兩端電壓存在微弱的波動(dòng)時(shí)，通過的電流將會發(fā)生急劇的變化，顯然這對LED 本身的性能也是一種削弱，由后面的分析也會得知，這對發(fā)光強(qiáng)度也會造成較大的影響，顯然這在照明領(lǐng)域是不允許的。

　　2 合適工作電流的選取

　　在恒流輸入的工作環(huán)境下，將1W 級大功率LED芯片放在暗箱中，線性改變輸入電流，用照度計(jì)測出光照度與輸入電流的變化關(guān)系，繪出如圖2 所示的關(guān)系曲線，光照度隨著電流的上升基本呈現(xiàn)線性增長的趨勢。

　　計(jì)算在相應(yīng)電流下的輸入電功率P = UI，測出光通量Ф，則可計(jì)算出各組的發(fā)光效率η = Ф /P。繪出發(fā)光效率隨輸入電流的變化曲線如圖3 所示，在輸入電流穩(wěn)定上升時(shí)，1W 級大功率LED 芯片的發(fā)光效率是呈下降趨勢的。

　　綜合考慮上述兩種情況，即兼顧光照度以及發(fā)光效率，選取合適的驅(qū)動(dòng)電流I，從而使LED 照明光源同時(shí)滿足足夠的亮度和相當(dāng)高的發(fā)光效率。方法如下，橫坐標(biāo)依舊選擇輸入電流值，而縱軸分別進(jìn)行歸一化處理，作出兩條曲線，而曲線的交點(diǎn)對應(yīng)的電流值即為所要選取的合適工作電流值，此處I = 332mA，如圖4 所示。

3 燈具散熱分析

　　對于由1W 級大功率LED 芯片組成的光源，其發(fā)熱問題是不容忽視的，未及時(shí)散熱不僅導(dǎo)致LED芯片的發(fā)光效率急劇下降，同時(shí)有可能使芯片燒毀，造成嚴(yán)重?fù)p失，因此必須考慮合適的散熱方案。

　　熱量的傳遞主要有3 種方式：熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射。由LED 芯片制作的照明燈具主要是利用熱傳導(dǎo)和熱對流方式進(jìn)行散熱的。熱傳導(dǎo)過程為LED芯片的鋁基板→燈具外殼→金屬散熱片，芯片與鋁基板、基板通過硅膠與燈具外殼、燈具外殼與散熱片之間存在空氣泡（ 制作工藝造成） 能夠傳熱；而熱對流主要是依靠散熱片與空氣間的對流使熱量散出。

　　散熱主要有兩種方式：被動(dòng)式散熱和主動(dòng)式散熱。其中主動(dòng)式散熱主要是通過風(fēng)扇等類似裝置增加散熱片表面的空氣流動(dòng)速度，以便快速帶走散熱片上的熱量，進(jìn)而提高散熱效率。被動(dòng)式散熱是指依靠燈具（ 高導(dǎo)熱鋁材料） 自身的外表面與空氣的自然對流將LED 產(chǎn)生的熱量散出。這種散熱方式設(shè)計(jì)、組裝簡單，并且易與燈具的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)合起來，比較容易達(dá)到燈具的防護(hù)等級要求，并且成本較低，是目前廣泛采用的一種散熱方式，本文重點(diǎn)討論被動(dòng)式散熱的有效性。

　　在被動(dòng)式散熱中，選擇合適的散熱片至關(guān)重要，其主要參數(shù)有：材料、高度、散熱片面積、散熱片溝槽間距等。就材料而言，導(dǎo)熱性能由高到低排列依次是：銀、銅、鋁、鋼，銀價(jià)格昂貴；銅的價(jià)格仍稍貴，并且加工難度大、容易氧化；而鋁雖然價(jià)格便宜，但其導(dǎo)熱性能卻不及銅的50%。所以一般而言，常采用的散熱片材質(zhì)是銅鋁合金，既能保持成本低廉，同時(shí)還具有較高的導(dǎo)熱性能。對于散熱片的表面積而言，有效表面積越大，其散熱效果越好。散熱片高度H 以及溝槽間距D 主要影響空氣流通，若是其比值D /H 非常小，即形成一個(gè)很窄的溝槽，則結(jié)果是溝槽中的空氣很難與外界中的氣體流通，這樣對于整個(gè)燈具系統(tǒng)而言，其散熱效果會相對差很多。所以對于一個(gè)散熱片而言，需要綜合材料性能、燈具封裝尺寸、整體散熱效果來選擇或是設(shè)計(jì)專門的散熱片。

　　為了進(jìn)一步改善LED 燈具的散熱效果，一般采用在LED 基板上涂抹導(dǎo)熱硅脂或是導(dǎo)熱硅膠的方法。這種方式雖然成本比較低，但是存在涂抹不均勻又不容易固定、導(dǎo)熱性能差（ 導(dǎo)熱系數(shù)較低，往往低于5W/m·K） 等問題。導(dǎo)熱墊片是一種性能更優(yōu)的導(dǎo)熱材料，它的導(dǎo)熱系數(shù)可以達(dá)到10W/m·K，且其導(dǎo)熱效果與其整體面積成正比。另外，減小LED 與散熱片的間距，將LED 固定在散熱片上，使散熱墊片作為中間載體也是一種不錯(cuò)的選擇。

　　4 光線分布

　　單片1W 級大功率LED 芯片可近似視為點(diǎn)光源。大部分LED 的配光曲線都是呈朗伯（ Lanmbertian distribution） 形分布，即中心光強(qiáng)比較強(qiáng)，而且是對稱的圓形光斑分布，不可直接用于照明。

　　在實(shí)際生活中，需要的是一種有效發(fā)光面積大，光強(qiáng)度和照度均勻的面光源，同時(shí)又避免產(chǎn)生眩光。

　　為了更好地利用LED 進(jìn)行照明，需要對其光線進(jìn)行重分布和改善。商品化的照明白光LED 采用內(nèi)置的反射器和封裝樹脂等已經(jīng)形成了一次光學(xué)系統(tǒng)，使得其光輸出具有固定的形式。盡管如此，其光出射角度還是很小，難以滿足正常照明的需求，因此有必要對其進(jìn)行二次光學(xué)設(shè)計(jì)。

　　首先，對于LED 而言，增大其光出射角度可以組合使用反射罩和透鏡，常用的反射罩形狀有拋物面、橢球面、雙曲面、半球面等，其反射原理如圖5 所示。

　　有時(shí)經(jīng)過反射罩后，輸出光線角度擴(kuò)大，光線經(jīng)過足夠的混合后，出射的光強(qiáng)度和照度也達(dá)到均勻性要求。但是，對于大多數(shù)情形，這是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，沒有充分利用光輸出量，同時(shí)在出光面的邊緣也會產(chǎn)生眩光等令人不舒服的光線。基于上述原因，需要進(jìn)一步使用控光元件，如光透鏡、均光片以及遮光器等。常用的光透鏡有凸透鏡或菲涅爾透鏡、凹透鏡或楔形透鏡等，其光線方向轉(zhuǎn)變?nèi)鐖D6 所示。