LED照明设计的一般步骤

2023-06-15 历史故事版权反馈

【摘要】：LED照明系统设计可按照确定照明需求，确定设计目标，估计光学、热和电气系统的效率，计算需要的LED数量，选择最佳设计方案和完成最后步骤6个步骤进行，见表3-10。表3-10 LED照明系统设计一般步骤确定照明需求LED照明必须满足或超过目标应用的照明要求。查看LED数据手册列出的典型光通量，用该数除以设计目标流明。LED的光通量依赖于多种因素，包括驱动电流和结温。

LED照明系统设计可按照确定照明需求，确定设计目标，估计光学、热和电气系统的效率，计算需要的LED数量，选择最佳设计方案和完成最后步骤6个步骤进行，见表3-10。

表3-10 LED照明系统设计一般步骤

（1）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。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。对其他应用，确定现有照明的特性是一个好方法。

（2）确定设计目标

照明要求确定好了之后，就可确定LED照明的设计目标。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。确定包含了对目标应用也可能重要的其他设计目标，包括工作环境、材料清单（BOM）成本和使用寿命。

（3）估计光学系统、热系统和电气系统的效率

设计过程中最重要的参数之一是需要多少个LED才能满足设计目标。其他的设计决策都是围绕LED数量展开，因为LED数量直接影响光输出、功耗以及照明成本。查看LED数据手册列出的典型光通量，用该数除以设计目标流明。这种方法很诱人，但这种方法太理想化，依此设计将满足不了应用的照明要求。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LED数量，必须首先估计光学、热和电气系统的效率。

① 光学系统效率：通过考察光损失估计光学系统的功效。要估计的光损失源主要有两种：一是次级光学器件，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%～90%；二是灯具内的光损失，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。

② 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数据手册给出的值低。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，图3-26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，给出了其他特性值，85%相对光通量是对本例照明热功效估计的值。

图3-26 XLamp XR-E白色LED热损失曲线

③ 电气损失：LED驱动电子设备将可用功率源（如墙体插座交流电或电池）转换成稳定的电流源。这一过程与所有电源一样，效率不会达到100%。驱动器中的电气损失降低了总体照明效能，因为把输入功率浪费在发热上了，而没有用在发光上。在开始设计LED系统时就应考虑到电气损失。典型LED驱动器的效率在80%～90%。效率高于90%的驱动器的成本要高得多。要注意，驱动器效率可能随输出负载而变化。对于室内应用，驱动器效率87%的估值比较合适。室外用或使用寿命非常长的驱动器，效率可能要低一些。

（4）计算需要的LED数量

① 实际需要的光通量：所需的实际光通量＝目标光通量/（光学效率×热效率）。

② 工作电流：工作电流在确定LED照明的效能和使用寿命时很重要。增加工作电流，则各LED的光输出会变大，因而减少了所需的LED数量。但增加工作电流同时也带来多个缺点，如功效降低、寿命缩短。

③ LED数量：工作电流确定之后，就可以计算各LED的光通量。由于LED的热损失已经在实际需要的光通量计算中考虑到了，故LED供应商文档给出的数量可以直接使用。LED的数量计算公式为：LED的数量＝实际所需的光通量/每个LED的光通量。

（5）考虑所有设计可能并选择最佳设计

所需LED数量计算好之后，接下来就应考虑满足设计目标的所有设计可能。设计师可以充分利用LED光的方向性和大量可用的次级光学器件来构造原始设计。

所谓次级光学器件是指除LED初级光学器件外附加的光学元件，用于对LED的光输出进行整形。一般的次级光学器件类型为反射（光从某个表面反射回），或者折射（光通过折射材料弯曲，折射材料通常为玻璃或塑料）。次级光学器件可以通过购买标准件、现成的零件或用照明模型通过光线跟踪模拟来设计定制。

（6）最后步骤

选择好最佳设计后，最后需要做的工作有：电路板布局，构造原型，针对设计目标测试原型机，最后定下设计方案，写出观察报告和改进意见等。

LED照明设计的一般步骤

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