室内照明LED日光灯优化设计

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  摘要:
  目前,LED光源已在我国许多领域获得广泛应用,如:交通信号灯、汽车尾灯、城市景观照明等等。考虑到LED光源在照明领域所具有的良好发展前景,确定使用LED日光灯替换普通日光灯。
  LED日光灯是采用多颗LED单灯,安装在条形铝合金线路板上,铝合金线路板安装在灯具外壳上,光线透过一层扩散片和灯罩后均匀的照射出来,驱动电源采取交流输入,恒流输出。具体研究内容有配光设计、驱动设计、白光LED封装、散热设计四个大部分。
  关键词:LED 日光灯 照明
  中图分类号:U463.65 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2013)30-0020-01
  1配光设计
  配光是指光源(灯具)在空间各个方向的光强分布,通常用配光曲线、或空间照度来表示。在配光设计中需要考虑如下问题:
  1)眩光 眩光就是令人不舒服的照明;光源与背景环境不配合时,对人眼造成刺激。可分为直接眩光、反射眩光、背景眩光。直接眩光:直接或余光目视光源,光强大且让人刺眼而不舒服,人眼直接眩光区自垂直面45-85°。反射眩光:黑板或桌面反射光源而产生。背景眩光:主题较暗而背景太亮而产生。
  2)配光均匀度 配光均匀度时照明空间内对光线分布的均匀性的定义。
  照明均匀度=(最低照度)/(平均照度)
  (0-1之间,1为理想值)
  为避免设计的灯具产生眩目的不良效果,主要通过如下两个途径来解决:
  1)选用发光角度大的TOP VIEW 封装形式,其视角平均值为120°。
  2)在灯罩内内表面贴一层白色扩散片,光线射出时产生散射效果,避免与环境不协调产生。
  2驱动设计
  由于LED正向伏安特性非常陡(正向动态电阻非常小),要给LED供电就比较困难。不能像普通白炽灯一样,直接用电压源供电,否则电压波动稍增,电流就会增大到将LED烧毁的程度。LED伏安特性的数字模型可用下式表示
  VF=Vturn-on+RsIF+(ΔVF/ΔT)*(T-25℃)?(1)其中,Vturn-on?是LED的启动电压,Rs?表示伏安曲线的斜率,T?环境温度,ΔVF/ΔT是LED正向电压的温度系数,对于多数LED而言典型值为-2V/℃。
  从LED的伏安曲线及数字模型看,LED在正向导通后其正向电压的细小变动将引起LED电流的很大变化,并且,环境温度、LED老化时间等因素也将改变影响LED的电气性能。而LED的光输出直接与LED电流相关,所以LED驱动电路在输入电压和环境温度等因素发生变动的情况下最好能控制LED电流的大小。否则,LED的光输出将随输入电压和温度等因素变化而变化,并且,若LED电流失控,LED长期工作在大电流下将影响LED的可靠性和寿命,并有可能失效。为了稳住LED的工作电流,保证LED能正常可靠地工作,必须设计可靠的LED驱动电路。
  LED驱动电源需要考虑的基本问题:
  1) 恒流驱动;
  2) 输入电压;
  3) 负载数量 普通36W日光灯光通量在1800LM左右,减去上灯具上半部空间损失的20%-30%的光通量,实际利用的部分大约1200-1400LM;单颗LED的光通量大约5LM,扣除扩散片、灯罩损失10%左右光通量,因此LED的数量需要300颗以上。考虑到灯具尺寸,我们将LED数量确定为320颗。
  4) 负载连接方式 采用串并联的方式,需要考虑的问题有:1.安全、可靠,低压工作。2.如果发生一颗LED出现故障,不影响整体使用。
  3白光LED的封装
  白光LED是以蓝色LED为基础光源,将蓝色LED发出的一部分蓝光用来激发荧光粉,使荧光粉发出黄绿光或红光和绿光,另一部分蓝色光透射出来,与荧光粉发出的黄绿光或红光和绿光组成白光。蓝色LED发出的蓝色光(发光峰值波长在430nm或470nm)可与黄绿色荧光粉发出的黄绿光组成白光。
  在白光LED封装工艺上,主要解决了如下几个问题:
  1)选用透明硅胶固定芯片,替代传统银浆,大幅提高出光效率。在封装材料上选用高折射率硅胶,减少光线射出时的全反射。另硅胶比传统的环氧树脂有更好的抗紫外线、抗黄变和抗老化性能。
  2)提高LED抗静电性能。除在生产及使用的过程中做好防静电措施外,还通过在蓝光LED两端并联一个抗ESD的二极管,将抗静电能力提高到8500V以上,大大提高大功率LED抗静电能力。
  3)解决产品一致性问题。通过工艺控制荧光粉的沉淀问题,引进高精度点胶机,使产出色度范围更加集中。引进高精度、稳定测试系统,对电压按0.1V的标准分档,色度x,y坐标按0.02的标准分档。
  4散热设计
  LED日光灯的灯具设计时需要充分考虑散热效果、重量、外形美观等因素,我们选用铝合金材料,充分保障了散热的需求,而且重量轻,表面经过处理后不易氧化生锈。
  由于LED在工作过程中会放出大量的热量,使管芯结温迅速上升,LED功率越高,发热效应越大.LED芯片温度的升高将导致发光器件性能的变化与电光转换效率衰减,严重时甚至失效,根据实验测试表明:LED自身温度每上升5摄氏度,光通量就下降3%,因此LED灯具一定要注意LED光源本身的散热工作,在可能的情况下尽量加大LED光源自身的散热面积,尽量降低LED自身的工作温度,如果条件允许,最好能将电源部分与光源部分隔开,一味地追求小体积而忽视灯具及电源的工作温度是不可取的,从表面上看,外形小巧了,但寿命却短了、光衰加大了,属典型的“因小失大”。采取的措施有:
  1) 采用高导热铝合金制作LED焊接线路板;
  2) 在灯条组装接触面涂覆高导热硅胶,减少接触热阻;
  3) 在灯座背面设计散热鳍片,增加散热面积。
  从外形图可以看出,外壳采用特殊的弧面设计,降低了风阻,增加了灯具安全性。并在外壳上特别设计了很多的散热槽,增加了散热面积和空气对流,可将LED产生的热充分地散出去,使燈具的温度控制在55℃以下。因此,整个LED日光灯的零部件材料都充分考虑了其导热、散热特性,以获得良好的整体热特性。
  5与普通日光灯对比测试
  实际测得 20W LED日光灯平均光照强度为268Lux,大于36W 普通日光灯在相同环境平均光照强度236.1Lux;20W LED日光灯24 小时用电量为0.539 Kw.h,36W 普通日光灯24 小时用电量为1.372 Kw.h,节电0.833 Kw.h,节电率为60.7%。LED日光灯寿命>30000小时,而普通日光灯的寿命只有5000小时。LED日光灯采用直流驱动,没有频闪,没有红外和紫外的成分,没有辐射污染,显色性高并且具有很强的发光方向性,调光性能好,色温变化时不会产生视觉误差,冷光源发热量低,可以安全触摸,这些都是普通日光灯所达不到的
  结论
  优化设计的LED日光灯,已经完全达到了预期的效果,各项指标完全满足室内照明标准要求,目前已经批量生产。今后我们还将加大研发力度,在已经取得的科研成果的基础上,尽可能提高光效,开发出外形美观、照度均匀、光线柔和LED灯具。
  参考文献:
  (1) 欧明玮,《采用混合信号高电压单片机实现LED降压-升压驱动电路》,湖南科技大学,硕士学士论文,2011。
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