浅析LED光学设 计的一些基础要点

LED是点光源,不同于 目前市场上的节能灯或白炽灯。点光源 顾名思义也就是一个点发出的光亮,而这个 点发出光还同时具有另一个重要特征,那就是 只有一方向上有光(所有传 统的背面反光罩对于LED本身来 说是没有任何意义的)。如果我 们想要用这种特殊的光来做照明使用,就必须 对这个光进行一定的处理,才可以 达到我们的要求和目的,所以我 们要加上光学设计,把这个 相对集中的点光源变成具有一定角度的散光,这也就 是大家所熟悉的草帽LED,草帽LED是专业 用于照明设计的一种封装形式,一方面 它可以让光线从一个集中的点光源变成具有一定角度的散光源,另一方面,它具有 更少的光衰效果,而让更 多的光透射出来为我们所用。

虽然草帽LED在光学 角度上有了质的飞跃,但相对 我们所熟悉的面光源来讲,它依旧是一个点光源,因其亮度过于集中,如果人 眼直接看向光源,还是会 对我们的眼睛造成一定的伤害。所以在LED照明应 用于家庭照明灯中,我们还 要进一步进其光线进行处理,再增加 一定的光学设计,而达到 人眼可以直接观测的目的,同时柔和光线,另一方 面还要再次放大其照射角度,虽然草帽LED本身已经做到120度范围,但如果 直接应用于家庭照明,给我们 的感觉是屋顶上表现出来是一片漆黑,我们要 利用灯具最外面的透明罩把光线再次分散开来,从而适 应正常的家庭照明。

大功率与小功率LED的区别

随着LED技术的不断发展,人们为 适应大面积照明而研发出功率越来越大的单颗LED芯片,目前全 球最前沿已经可以做到单颗LED功率为200W以上,虽然功 率可以做到很大,但其性价比并不佳。下面以 我们以常见的几种LED为例做一个分析。

目前业 内大量使用的都是单颗0.06W功率,其亮度最大可以做到7LM,我们暂按普通的做到6LM计算,如果要让功率达到1W,我们需要用17个同样的LED,其总亮度为17*6=102LM,也就是说可以做到100LM/W,如果我 们采用单颗芯片为1W的功率,其输出 的亮度最高做到80LM,常用的一般在60LM左右,这是亮 度上的一个主要区别,由此可见,对于家庭使用来讲,我们还 是要选择小功率的LED比较合适。

从产品成本角度讲,大功率的LED成本要 高于小功率的成本,这来自于两个方面,一是LED本身的造价,二是大功率的LED要加铝散热片,小功率 只要用普通电路板,加上自 然散热就可以达到要求。

从产品 日后维护成本来看,如果我 们的灯具在使用中出现故障,可以找 任何一家电器修理店去更换损坏的LED,一颗0.06W的LED成本最多1元钱,加上维修费也不超过5元,如果是更换1颗1W的LED,LED成本就要8元,加上维修费用就要15元左右。而相对来讲,小功率的LED市场上 随便一个电子市场都可以采购到,大功率 的则不一定哪里都可以买到。

LED走向大 功率是一个市场趋势,也是未来发展的主流,但目前 由于技术上还未能达到我们所期望的结果,从技术角度讲,目前还 不太适合用于家庭照明
散热设计的重要性
LED本身是半导体器件,所有半 导体器件正常工作都有一定的温度要求,包括环 境温度和工作温度。一般半 导体器件正常工作的环境温度都要低于80度,当LED内部的PN结温度到达140度的时候,就会失效。正常工 作时其自身的温度会通过引脚或专用底座散发出来,进而再 通过连接在引脚上的电路板或铝基板向四周的空气中散发出去,以保证LED的正常工作。一般来 讲单颗功率大于0.2W以上,都要采 用铝基板做散热,再大功 率还要增加铝壳和铝散热片。当然这与整个灯内LED的数量和密度有关,过于集中的小功率LED同样要考虑散热设计。这如同 于各位身边的每一件电子产品,如:电视机、显示器、计算机主机等。不正确 的散热设计会直接导致LED寿命缩 短和加快光衰速度。
1.现在大 部分的结温上限都能做到120度左右,目前cree的应该算是较高的,为150度。
2.灯珠热 阻根据封装材料结构不同而不同,有些多 芯片的高达几十,单芯片 的一般都是个位数,顶多十几,当然这 直接关系到结温,算是关系到LED寿命,光效等的重要参数了。
3.目前大部分LED灯具设计寿命都是20000~50000H,这由许多因素决定,首先IC等的寿 命就限制了整灯的寿命。
4.结构布 局上从散热方面来说其实就是接触热阻与导热瓶颈的问题,这涉及较多,不好列出。总的来 说就是结构一体,大面积良好接触。PCB上面灯 珠尽量平均分布就是了,避免热源集中。
5.驱动效 率当然越高越好,布局上 尽量原理最大热源,也就是LED灯珠。可采用灌胶等方式,达到散 热固定绝缘的效果。
综合考虑:良好的 散热设计温升最好控制在35以下。结温80以下。理论寿命50000以上。
目前的散热设计难题
1.自然散 热受空间限制太大(辐射散 热本身影响较小,且受空间尺寸限制)。
2.自然散 热面积改善空间有限(对流散热有限)。
3.目前都 采用金属部件做散热器,较小空 间内热传导已经足够。(散热器温差较小,导热系数影响较小)。
4.大部分 的散热设计都只能集中在灯珠选择,散热面积,界面接触热阻,辐射散热上面。几乎穷途末路。
5.目前状况,散热设 计的突破点在灯具系统的散热设计,是一个实际生产制造,材料配件,结构造 型与散热设计各种经验相结合的成果。

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