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LED照明优缺点

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LED照明基础
导读: LED照明作为新一代照明受到了广泛的关注。仅仅依靠LED封装并不能制作出好的照明灯具。本文主要从电子电路、热分析、光学方面对LED照明进行介绍。
LED照明作为新一代照明受到了广泛的关注。仅仅依靠LED封装并不能制作出好的照明灯具。本文主要从电子电路、热分析、光学方面对LED照明进行介绍,首先介绍LED照明设计。
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。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。   LED照明的优势及其与迄今为止的其他光源的区别
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。为了降低亮度,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,照度分布也会不同。有时也会出现本来想要照射的地方照度减小,其余部分反而照度增加的情况。
要减少光的浪费,控制配光分布,需要使用透镜和反光镜。LED本身就具有发光面积小、光的放射范围在半球内、配光分布旋转对称等优点,再加上透镜和反光镜,就能构成一个好的光源。
    其他在光源属性中,还有光谱。LED的发光光谱集中在特定波长的一个很窄的范围,不放射红外线。因此,在不想使照射物变热的时候,使用LED较好。但是,LED自身会发热,所以需要注意防止其导热。另外还需要注意,荧光粉类型的LED,温度变化,色温也会随之变化。
    总结:LED照明设计
LED照明灯具备受期待的原因就是节能、使用寿命长。确实,与白炽灯相比,目前的球泡型LED灯效率更高。但是荧光灯与LED照明灯具相比,还是荧光灯较高。这是因为,虽然单独的LED芯片比荧光灯效率高,但是由于发热降低了发光效率,交流电转换成直流电时,电源效率变低以及由于配光分布变换和使用扩散板导致光效降低,进而造成整个LED照明灯具的效率下降。
    因此,为了实现LED的节能,长寿命,必须对热、电、光进行各种设计。单纯依靠LED封装并不能发挥LED的优势。
导读: 虽然白炽灯和荧光灯的能量损失大,但是大部分能量都是通过红外线直接放射出去,光源的发热少;而LED,除了作为可视光消耗的能量,其它能量都转换成了热。另外,由于LED封装面积小,通过对流和辐射的散热少,从而积累了大量的热。
LED照明作为新一代照明受到了广泛的关注。仅仅依靠LED封装并不能制作出好的照明灯具。本文主要从电子电路、热分析、光学等方面对如何运用LED特性的设计进行解说。   近年来,随着电子产品的高密度、高集成度,热解决方案的重要性越来越高,LED照明也不例外,也需要热解决方案。 虽然白炽灯和荧光灯的能量损失大,但是大部分能量都是通过红外线直接放射出去,光源的发热少;而LED,除了作为可视光消耗的能量,其它能量都转换成了热。另外,由于LED封装面积小,通过对流和辐射的散热少,从而积累了大量的热。
  热解决方案是?
  接下来来考虑怎么制定热解决方案。热解决方案简单的说就是解决因为热产生的各种问题。主要有:
1. 因为热膨胀导致弯曲和龟裂
2. 电子电路的运行障碍  
3. 材料品质恶化  
除此之外,也会担心如果发热会不会损坏设备?为了避免这些问题,要尽量控制电子设备的温度,也就是说有效散热很重要,重点是考虑机器的使用环境和安装方法制定最佳的热解决方案。 下面列举了由热导致的问题。后半部分以LED灯为例,就LED相关的解决方案进行解说。
由热导致的问题
1.因为热膨胀导致弯曲和龟裂    电子设备由多个零件构成,每个零件的材质都不一样,热胀冷缩的尺度也不一样。因此, 当各种材质组合在一起的时候就有可能使材质发生弯曲,膨胀时,产品在连接处因为应力过多就会产生龟裂。
2.电子电路的运行障碍 
一般来说,作为热源的半导体元件,有这样一个特性,即当电子设备中的半导体元件温度上升,电的阻抗就会变小。这样就容易陷入“温度上升-阻抗下降-电流增加-热增加-温度上升”的恶性循环,进而容易发生烧断的现象。   3.材料品质的恶化 
一般说来,电子设备中使用的材料容易氧化,温度越高氧化越快,如果让这些材料反复经过高温氧化,就会缩短其寿命。同时,反复加热,材料多次膨胀,多次冷缩,会降低材料的强度,从而破坏了材料。   LED的热解决方案
    下面以LED灯为例,具体讨论LED的热解决方案。
要避免电子设备的发热有多种方法。比如,加散热器,在热源周围安置能提供冷气的风扇。前者是通过增加散热面积,来增加散热的通道,后者是使热不在热源周围聚集。 但是,LED封装时不能直接连接散热器,也没有安装风扇的位置。而且内部电源电路板也会产生热量,因此LED灯的散热问题可以说是一个非常棘手的问题。这样,如何有效使用LED安装材质和散热器就变得很重要。 
那么如何有效利用LED安装材质和散热器呢?首先必须把握产生热的传热路径。LED元件产生的热通过封装的导线向电路板移动,然后再通过散热器放热。电源电路板产生的热也是如此,通过电路板周围的空气和填充材质,透过散热器向外部散热。热解决方案中重要的是排除传热路径中阻碍传热的因素,比如可以考虑在传热路径中使用导热性能好的材质、扩大路径的断面面积(例如,粗的铜线比细的铜线更容易导热)、涂导热润滑剂使产品的连接部位不留空隙。 
另外,即使通过这些提高了导热特性,但如果散热器不向外部散热,内部还是会聚集很多热。因此也必须提高散热器表面的放热特性。典型的方法就是在表面多安装几个散热片,扩大散热器的放热面积。
    运用CAE工具,通过仿真验证热解决方案
CAE的运用
那么怎样验证热解决方法是否有效呢?一种是通过实验测量温度,但是一旦条件改变就要重新测量,效率比较低。因此需要使用CAE软件进行仿真。 图2 运用ANSYS解析软件,在LED灯横向摆放时,对LED灯周围的热和空气的流动进行仿真。(ⅰ)(ⅱ)是整个灯的温度分布图,红色部分代表温度高,蓝色部分代表温度低。(ⅲ)(ⅳ)是灯与LED封装周边(盖子内部)的自然对流图,红色箭头部分表示对流速度快,蓝色部分表示对流速度慢。与实际情况相比,这个例子只是一个非常简单的模型,但从某种程度上却能验证产品的温度分布和空气的自然对流。 从整个灯的温度分布来看,虽说盖子的温度低,其他部位温度高,但是某种程度上还是处于一个均等的温度分布。这表面产生的热量大部分都转移到散热器上,而且传送路径中没有障碍。散热器可以起到一个散热的作用,但是如果散热特性不好,整个灯的温度就会上升,因此必须注意散热器的形状(安装散热片的大小、形状、个数等)。 
仿真中需要解析对象的形状、产品特性、条件等各种信息,但是通过想要确认的信息可以区别简易解析模型和详细解析模型,从而有效把握想要验证的热解决方法的好坏。例如,本例是对整个电灯的简易建模,并不能把握LED封装内部详细的温度分布,但是如果对该部分进行详细的建模,就能够确认元件实际的温度。    反复实验,通过仿真修改部分信息就可以简单的进行操作,例如容易把握散热器中散热片的形状和个数对温度的影响。作为仿真用软件,可以直接使用CAD信息进行分析,可以在统一环境中对构造、导热、热流体等进行广泛的分析,而且可以进行各种组合分析。在设计中不仅要考虑热的问题,其他因素也必须考虑,组合分析的难易是熟练进行仿真的一个关键点,这些我们在后面进行论述。 
本次仅就热的问题进行了探讨,但也存在即使解决了热的问题,却不能解决光、电的问题的情况。产品重在寿命长、无性能损坏、使用安全,因此我们的课题就是实现整体的最优化设计。下次我们将针对电路和光学设计的问题展开讨论。