LED设计以及光谱分析

 Write by Edward.Xu 徐方鑫

PS：这篇是2011年7月写的，LED的发展一直很迅速，所以一些LM/W的参考值都发生了很大变化，灯珠方面都有很大的进步，故读者无需纠缠本篇参数的范畴，本篇只作为一些LED相关基本知识的简述。

 

这个所列出的是灯光设计基本的要求参数。

lang="EN-US" style="font-size:15.0pt;font-family:"Arial","sans-serif";color:black">1.Luninous flux

Luminous flux为流明（光通量），单位LM，它等于单位时间内某一波段的辐射能量和该波段的相对视见率的乘积，光源的辐射能通量；对人眼所引起视觉的物理量。即单位时间内某一波段内的辐射能量与该波段的相对视见率的乘积。人眼对不同波段的光，视见率不同；故不同波段的光辐射功率相等，而光通量不等。

人眼对亮度的敏感程度与颜色有关,在整个可见光范围内并不是均匀的.可以用相对敏感函数曲线进行描述.人眼对于波长X=555nm的光线最为敏感,我们定义这时的相对视敏度Vs(555)=1.当X为其它值时,Vs(X)均小于1.如果对于某一波长X的单色光,其辐射功率为P(X),相对视敏函数为Vs(X),则可以定义光通量为Y(X)=P(X)*Vs(X)

当P(X)以瓦为单位时,Y(X)的单位为光瓦.只有当X=555nm时,1瓦光辐射功率产生1 lm(流明）的光通量。

 

2. Illuminance distribution

Illuminance distribution为照度指物体被照亮的程度，采用单位面积所接受的光通量来表示，表示单位为勒克斯(Lux,lx)，即 1m/m2。 1勒克斯等于1流明(lumen,lm)的光通量均匀分布于 1m2 面积上的光照度。照度是以垂直面所接受的光通量为标准，若倾斜照射则照度下降。

Footcandle（尺烛光）:光强度或光照度的英制单位，其定义为：约等于一根标准蜡烛烛光亮度的点光源，在距其1英尺距离，一平方英尺面积所接受的光照为1“尺烛光”。
1 尺烛光 = 1流明/平方英尺
1 尺烛光 = 10.76勒克斯
Lux（勒克斯）:光强/照度的公制单位
1 lux = 1流明/平方米
1 lux = 0.0929尺烛光
1 lux = 0.00146 W/平方米

3.Electrical power consumption

Electrical power consumption电功耗，单位W，指的是稳态时，仪器仪表在其工作范围内所需用的最大电功率。

4.Efficacy

Efficacy功率,这里指的是光转换效率:光功率除以消耗的电功率，单位为“流明/瓦”。

5.Coefficient of utilization

Coefficient of utilization指于工作面上接收算得之流明光通量对于估计的电灯放射光通量之比值(等于室利用率×灯具效率).

6．Lifetime

Lifetime灯的寿命，单位小时。

 

这是一个CFL（Compact Fluorescent Lamp）简单来说就是节能LED灯的设计标准，面积大约是20平方的客厅，其中，设计标准为CFL，LAMP为单一灯光的输出，FIXTURE为灯具具体的输出，一般情况下，灯具要输出810流明的光亮度，光转换率要达到54%，能耗23W，基本价格120RMB左右才能称之为节能灯。

其中CFL这个只做到了35的照度，目前市面上的LED照明灯基本都是30以上，在办公灯的应用上基本都是100LM/W之上。

这是设计一个灯要达到的最基本要求。

具体设计时还要分析一下几个方面进行考虑：

光学系统效率

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Tj > 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。

XLamp XR-E LED额定为5万小时后提供平均70%的流明维持率，结温保持在80℃或以下。因此，CFL示例的最高合适结温为80℃。对应的最小相对光通量为85%，如曲线3所示。这一85%相对光通量是对本例照明热功效估计的值。

 

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%到90%之间。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，如曲线4所示。应指定驱动器工作在大于50%输出负载下，以使效率最大，并使成本最低。

曲线4示例的LED驱动器效率与负载的关系

 

 

 

关于色温

一些常见光源的色温

1000 K: 蜡烛，油灯
2000 K: 日出/日落，高压钠灯
2700 K: “暖白色”荧光灯
2850 K: 家用白炽灯泡
3000 K: 摄影室照明用灯，照相用泛光灯
3500 K: 石英卤素灯
4000 K: 闪光灯,蓝色泛光灯
4100 K: “冷白色”荧光灯
5000 K: 蓝闪光灯,电火花,平均日光
6000 K: 明亮的正午太阳,金属卤素灯
7000 K: 轻阴的天空
8000 K: 阴天天空
10,000 K: 阴霾的天空
11,000 K: 没有太阳的蓝天
20,000 K: 晴天时大山的影子

CFL设计目标

 

以下具体分析设计：

计算需要的LED数量

所有系统效率估算好之后，就可计算要达到设计目标需要的实际LED流明数。根据上面的CFL设计指标，只使用光效率(光学和热)。电气效率只影响总功耗和灯具效能，而不影响照明的光输出量，照明“需要的实际流明”的计算如下：

所需的实际流明=目标流明/(光学效率×热效率)=810/(91%×85%)=1,050lm

工作电流

另一个需要确定的是LED的工作电流。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。不过，增加工作电流同时也带来多个缺点。根据应用的不同，考虑到每个LED流明输出值更高，这些缺点也许可以接受。

对示例照明，使用寿命和功效是最应优先考虑的设计目标，本照明以XLamp XR-E数据手册所列的最小工作电流(350 mA)工作，以最大限度提高LED功效并延长使用寿命。

 

LED数量

工作电流确定之后，就可以计算各LED的流明输出数了。由于LED的热损失已经在实际需要的流明数计算中考虑到了，故LED供应商文档给出的数量可以直接使用。

对本计算，使用LED订单代码所列的最小通量，而不是使用数据手册给出的典型数量。大多数LED公司根据最小通量范围销售。根据此最小数来设计，就可以确保用该LED订单代码制作的所有照明都能满足目标要求。

CFL中的照明使用4000K CCT的XLamp XR-E LED，350 mA时的最小光通量为67.2 (P2 flux bin)。LED的数量计算如下。

LED的数量=实际所需的流明数/每个LED的流明数＝1,050 lm / 67.2 lm=16个LED

 

目前设计的资料

暖白：美国CREE XRE P4暖白光

 

基本参数：

1.        在350 mA时，白色系列最高可达107lm档107 lm；蓝色为30.6 lm；绿色为67.2 lm

2.        有白色（2,600 K至10,000 K CCT）、蓝色、深蓝色和绿色可选

3.        最大驱动电流：可达1000 mA

4.        业内最低的热阻: 8°C/W

5.        最高结温: 150°C

6.        业界领先的JEDEC标准预审测试

7.        可回流焊，符合– JEDEC J-STD-020C标准

8.        热电分离

9.        符合RoHS要求

10.    使用50,000小时后，流明维持率高于70%

CIE色度图上的Cree标准色度区域:

 

相对光谱功率:

 

光通量与结温曲线图 (IF = 350 mA):

电学特征 (TJ = 25C):

 

热设计:

最大正向电流由LED结点和环境之间的热阻决定。如果结点和焊点之间的现有热阻为8℃/W，则最终产品的设计方式必须能够将焊点到环境的热阻减至最小，以便延长灯的使用寿命，优化光学特征，这一点非常重要。

 

相对光强与电流曲线图 (TJ = 25C):

 

典型配光曲线:

 

 

RGB：【1W RGB全彩】四脚七彩灯

参数

最小

额定值

最大值

单位

正向直流(IF)

----

350

500

mA

反向电压(VR)

----

----

5

V

反向电流(IR)

----

----

50

μA

红光

电压(VF)

2.2

----

2.5

V

波长(λ)

620

----

630

nm

光通量(φ)

40

----

50

LM

功率(PD)

----

约0.84

----

W

 

蓝光

电压（VF）

3.2

----

3.5

V

波长（λ）

460

----

470

nm

光通量（φ）

15

----

20

LM

功率（PD）

----

约1.19

----

W

 

绿光

电压（VF）

3.2

----

3.5

V

波长（λ）

520

----

530

nm

光通量（φ） 

60

----

70

LM

功率（PD）

----

约1.19 

----

W

发光角度（θ）

----

120

----

Deg

工作温度

-50

----

80

℃

储藏温度

-50

----

100

℃