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白皮书--LED照明系统设计手册(上篇)(图)

LED之家  于2010-04-03 12:27:22  http://www.ledjia.com/ledhangye/viewarticle.php?id=6618

文章摘要:编者按:本文详细讨论LED照明系统设计的六个设计步骤:1确定照明需求;2确定设计目标估计光学;3热和电气系统的效率;4计算需要的LED数量;5对所有的设计可能都予以考虑从中选择最佳设计;6完成最后步骤。虽然本文以一个室内照明设

    

编者按: 本文详细讨论LED 照明 系统设计 的六个设计步骤:(1)确定照明需求;(2)确定设计目标估计光 学;(3)热和电气系统的效率;(4)计算需要的LED数量;(5)对所有的设计可能都予以考虑,从中选择最佳设计;(6)完成最后步骤。虽然本文以一个室内照明 设计为例,但所述的设计过程可以用于任何LED照明设计 中。 

      现在的照明应用LED,具有普通照明所需的亮度、效率、使用寿命、色温以及白点稳定性。因此,绝大多数普通照明应用设计中都采用这类LED,包括路面、停车区以及室内方向照明。在这些应用中,由于无需维护(因为LED的使用寿命比传统灯泡 的要长得多)且能耗降低,所以基于LED的照明降低了总体拥有成本(TCO)。 

      相反,照明级LED具有至少50,000小时的高效、方向性照明。利用照明级LED的所有优点设计的室内照明有以下优点:

1 功效超过所有白炽灯 和卤素灯具
2 能与甚至最好的CFL(紧凑荧光)嵌顶灯的性能相媲美
3 与这些灯具相比,需要维修前的寿命要长5到50倍
4 降低光对环境的影响:不含汞、电站污染小、垃圾处理费用低。 

      照明还是灯? 

      在普通照明中设计LED需要在两种方法间作出选择,是设计基于LED的完整的照明,还是设计安装到已有灯具上的基于LED的灯。一般来说,一个完整的照明设计,其光学、热和电气性能要好于式样翻新的灯,因为现有灯具不会约束设计。对目标应用,到底是新照明的总体系统性能重要还是式样翻新的灯的方便性更重要,这要由设计师来决定。 

      针对已有照明的设计方法 

      如果目标应用采用构造新型LED照明更好,那么就设计照明的光输出,使其相当于或者超过现有照明匹配具有多种优点。首先,现有设计已经针对目标应用进行了优化,可以在围绕有关光输出、成本和工作环境而确定设计目标时提供指导。其次,现有设计的外形尺寸已经得到认可。如果外形尺寸相同,终端用户转换成LED照明更容易一些。 

      照明效率(流明每瓦)、相关色温(开氏度)、显色指数。 

      DOE的CPTP将关注点放在了照明可用光输出上,而不仅仅是照明的光输出上,这为 LED照明设计 设定了一个很好的先例。 

      灯的概念可能过时了 

      LED光的使用寿命很长,这就可能使灯的概念变得过时了。照明级LED不会像电灯泡那样出现灾难性失效。相反,照明级LED在逐渐退化到其最初光输出通量(也称作流明维持)的70%之前,具有至少5万小时的使用寿命,也就是说连续点亮5.7年! 

      不过,在大多数照明环境下,灯有规律地熄灭。这一熄灭期足足可以将LED的使用寿命延长到30年以上 ,如曲线1所示。过了这么多年之后,LED照明将“烧尽”,而那时LED照明技术 下的照明将更亮、效率更高,与老式LED照明相比很可能要节省TCO。

 

 



 

不要忘记: LED照明的这5万小时使用寿命避免了多少对环境的影响。送往填埋场的白炽灯泡至少要少25倍,并且能源消耗量要少5倍。(美国约50%的能源来自燃煤,而燃煤会给空气中释放汞)。或者,送往处理的含汞C灯泡至少减少5倍。 如前面提到的,不用维护是LED照明的一个重要优点。因此,设计LED照明,使其使用寿命最长并节省TCO是一个应对LED照明原始成本高这一障碍的极佳策略。 

      表1列出了设计大功率LED照明的一般步骤。本文的其余部分依次讨论这些设计步骤。为了更好地说明这些设计概念,本文给出了一个LED照明取代23W CFL嵌顶灯的计算例子。不仅对本例,对所有类型照明,本设计步骤都可重复使用。

 

 



步骤一:确定照明需求 

      LED照明必须满足或超过目标应用的照明要求。因此,在建立设计目标之前就必须确定照明要求。对于某些应用,存在现成的照明标准,可以直接确定要求。对其它应用,确定现有照明的特性是一个好方法。 

      表2列出了确定现有照明特性时要考虑的主要特性。光输出和功率特性始终很关键,而根据应用的不同,其它特性可能重要,也可能不重要。



 

      所有照明公司都可以提供数据文件或文档,详细给出其各种灯具的关键特性。“潜在关键”的特性要更主观一些,或者在制造商文档里没有列出。在这种情况下,由设计师确定现有照明的特性。
步骤二:确定设计目标 

      照明要求确定好了之后,就可以确定LED照明的设计目标了。与定义照明要求时一样,关键设计目标与光输出和功耗有关。确保包含了对目标应用也可能重要的其它设计目标,包括工作环境、材料 清单(BOM)成本和使用寿命。



 

      步骤三:估计光学系统、热系统和电气系统的效率 

      LED的光通量依赖于多种因素,包括驱动 电流和结温。要准确计算所需要的数量,必须首先估计光学、热和电气系统的无效率。以前原型机设计的个人经验,或者本文提供的例子数量,都可以作为指南来估计这些损失。本节对估计这些系统损失的过程进行简述。 

      光学系统效率 

      通过考察光损失估计光学系统的功效。要估计的两种主要的光损失源为: 

      1.次级光学器件 

      次级光学器件是不属于LED本身的所有光学系统,如LED上的透镜或扩散片。与次级光学器件相关的损失根据使用的特定元件的不同而变化。通过各次级光元件的典型光学效率在85%和90%之间。 

      2.灯具内的光损失 

      当光线在到达目标物之前,打到灯具罩上时,就产生了灯具光损失。某些光被灯具罩吸收,有些则反射回灯具。固定物的效率由照明的布局、灯具壳的形状及灯具罩的材料决定。如图2所示,LED光具有方向性,可达到的效率比全方向照明可能达到的要高得多。




 

      对示例中的照明,如果照明需要次级光学器件,则只存在次级光损失。次级光学器件的主要目的是改变LED的光输出图像。曲线2将Cree XLamp XR-E LED的光束角度与目标灯具的光输出图像进行了比较。裸LED的光束角度与目标灯具的非常相似,所以不需要次级光学器件。因此,对本示例照明,不存在次级光学器件引起的光损失。 

      要计算本CFL示例的灯具损失,我们假定灯具反射杯的反射率为85%,60%的光将打到反射杯上。因此,光学效率为:



 

      热损失 

      LED的相对通量输出随着结温的上升而降低。大多数LED数据手册都列出了25℃下的典型光通量值,而大多数LED应用都采用较高的结温。当结温T j > 25℃时,光通量肯定比LED数据手册给出的值差。 

      LED数据手册中有一个曲线,给出了相对光输出与结温的关系,例如如曲线3所示的XLamp XR-E白色LED。该曲线通过选择特定相对光输出或者特定结温,给出了其它特性值。 

      对本CFL示例,其照明只是为屋顶通风的商业建筑设计的。本设计基于所列的设计目标,对光输出、功效和使用寿命的优先次序进行了划分。







 

      对于室内应用,驱动器效率87%的估值很好。室外用或非常长的使用寿命的驱动器,效率可能要低一些。 

      表5概括了示例照明的光、热和电气系统的效率。





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