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最佳光度的照明设计

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发表于 2018-02-07 11:44:04
电梯直达 确定
楼主

  一名照明设计师可能会认为选择灯具的led数量很简单,但事实并非如此。在给定的结温和正向电压/电流中,制造商为其设备提供精确的亮度数据,任何给定的应用程序的实际输出都可能受到许多其他因素的影响。

  通过了解这些因素,设计师可以在设计过程的每个阶段做出一个深思熟虑的选择,以确保产品中所使用的每一个LED都能在亮度、功效、寿命和成本之间做出最佳的权衡。仔细的设计会优化给定规格所需的led数量,降低产品的复杂性、尺寸和成本。本文从设计过程的主要步骤入手,描述了每一种产品对最终产品性能的影响。


  会议的基准

  LED照明产品分为两个阵营:一个改造,设计师的挑战带来的好处LED现有形式等因素流行MR16(见本文TechZone LED地址卤素MR16装置的缺点),和那些设计师给出一个免费的手拿出一个完整的灯具,如光引擎+夹具。第二种选择通常会带来更好的电、光和热性能,而不是一种翻新,因为设计者不受现有夹具形式因素的限制。本文将重点讨论这个选项。

  在大多数情况下,灯具的设计是为了取代现有的照明或目标标准的应用。每个案例都为设计人员提供了新产品的电气和光学性能的基准,从而使其更容易设置亮度、功效(在本文中定义为光通量(lm)/电力(W)),以及寿命和成本设计目标。一旦这些目标确定下来,设计者就可以缩小LED的选择(和数字)和相关的LED驱动器来满足它们。LED的选择是一个关键的设计决策,因为它直接影响亮度,功耗,发热,复杂性,尺寸和成本。

  考虑两位设计师的任务是开发一种新的灯具,其标称输出为900流明(大约与传统的白炽灯60 W灯泡相同)。在第一个案例中,Alice选择了一个高端的Cree cool white (5000 K)作为她的产品的基础。Cree是一家领先的LED制造商,它的产品在世界各地都有数百万的应用,所以这是一个明智的选择。的克里族X-Lamp?XQ-E交付118流明(lm)的结温25?C和正向电压/电流2.9伏,350毫安。

  根据Cree的数据表,在这个操作点上LED的效能是116 lm/W。鲍勃采取了不同的方法,从Lumileds选举采用mid-power LED,酷白(5000 K)流明?5000 l。虽然没有提供高功率发光二极管的亮度,这样的中档设备价格很高,可以提供更多的lm/$。Lumileds的数据表显示3535L在3.05 V和100 mA中提供了42 lm,在这个操作点有138 lm/W的功效。

  虽然相对简单,以确定led的数量需要提供一个输出900 lm基于名义产出中所给数据表(在本例中,八的克里族led和22 Lumileds设备),设计者需要考虑的其他特征的影响提出产品输出之前计算最终的数量。

  首先是夹具本身的设计。不管led是如何定位在单位里的,在它从灯具里逃出来之前,一定会吸收一些光。也就是说,LED灯在这方面优于其他形式的照明,因为光通常直接从芯片的前端发射,限制了多少偏差。与此相反,一个紧凑型荧光灯在各个方向发光,包括直接回到灯具本身。LED灯具可能会使用反射罩杯来减少吸收,但有些损失是不可避免的。

  夹具的效率取决于光源的位置、夹具的形状以及夹具中使用的材料。效率可以表示为“利用率的系数”,是测量出的流明的百分比实际到达工作表面的百分比。通常情况下,设计良好的LED产品(例如,在理想的方向上使用反射率高的反射率杯)可以达到75%到85%,而同样设计良好的CFL单元(图1)则为50%到60%。

  led通常会在向前的方向(左)发射光,以改善其利用系数,而不是像CFLs(右图)这样的光源。(图片由Cree提供)


最佳光度的照明设计

  图1:led通常会在向前的方向(左)发射光,以改善其利用率,而光源如CFLs(右图)(图片由凯利讯半导体提供)

  一些LED灯具的设计将使用二次光学,例如,修改光束模式或漫射光以获得更微妙的照明效果。二次光学将再次吸收一些由发光二极管发出的光子,典型的效率在85%到95%的范围内。为了便于讨论,让我们假设Alice和Bob在设计夹具方面都做得很好,他们各自产品的利用率是85%,二次光学的效率是95%。这使得设计的光学效率(85 x 95)/100 = 80.75%。


  热管理

  发光二极管很热,这种热量有三个主要的影响:亮度降低,功效恶化,寿命减少(参见“理解高亮度led的衰落原因”)。与良好的热设计的图书馆大量的关于这个主题的文章,包括“abc LED热管理”)应该有可能限制了LED的结温度到80?100?C。这是一个很好的基准,因为超过这个温度范围的操作会大大增加早期失败的风险。

  许多制造商的“标题”光度引用25?C,所以有必要深入挖掘数据表检查出光度是受工作温度升高的影响。假设爱丽丝的设计运行在90?C的结温,克里族数据表揭示了领导会产生80%的输出相比,在25?C。同样,Lumileds 3535 l的数据表显示了光度在90?C的88%在25?C(图2)。

  图形相对光度对结温Lumiled美国丽讯3535 l显示亮度在90?C的88%在25?C。绿线对应于Bob所选的LED。


最佳光度的照明设计

  图2:图形相对光度对结温Lumiled美国丽讯3535 l显示亮度在90?C的88%在25?C。绿线对应于Bob所选的LED。

  在使用制造商所引用的远期(驱动)电压和电流数据时,需要采取类似的护理措施。亮度与正向电压/电流成正比,当灯芯出现时,亮度会增加。因此,对于设计者来说,增加驱动电压/电流以最大化led的亮度,从而减少给定的输出所需要的数量是很有诱惑力的。虽然这是一个可接受的策略(参见库文章“最大化LED发光度以降低系统成本”),但它并非没有缺点。

  首先,当它们发出更多的光时,led在更高的正向电压/电流中变得不那么有效。第二,更高的正向电压/电流产生更多的热量(如上所述)抵消了一些亮度的增加,同时缩短了LED的寿命。正向电压/电流的选择是输出、效率和寿命之间的权衡。

  在Alice的例子中,产品规格要求低功耗和长寿命,因此她选择了限制正电压/电流以最大限度地提高效率,并使连接温度降低以牺牲光度。对于Alice来说,她的Cree LEDs最有效的操作点是2.85 V/300 mA,每台设备产生的亮度的85%是在数据表中引用的350 mA测试电流中产生的。(注意,当结温上升时,效率降低。在这种情况下,爱丽丝已经考虑到这一点,假设她的设计将在90度的结点温度下运行。Bob的规范要求最大亮度(在他指定的连接温度的约束条件下),以牺牲功耗为代价,因此他选择以3.2 V/150 mA的相对较高的正向电压/电流来驱动芯片。在这一点上,发光二极管的亮度是其亮度的150%(图3)。(还可以看到TechZone的文章“优化LED性能”)。

  Lumiled的LUXEON 3535L相对于正向电流(蓝线)的相对光度。为了获得最大的光度,鲍勃选择了一个相对较高的正向电压/电流(3.2 V/150 mA)来为他的芯片供电,在测试电流为100 mA时,LED发光度为其光度的150%。


最佳光度的照明设计

  图3:Lumiled的LUXEON 3535L相对于正向电流(蓝线)的相对光度。为了获得最大的光度,鲍勃选择了一个相对较高的正向电压/电流(3.2 V/150 mA)来为他的芯片供电,在测试电流为100 mA时,LED发光度为其光度的150%。

  考虑到它们的灯具的亮度受设计参数的影响,Alice和Bob现在可以计算出满足900 lm规范需要多少led。

  最后一个重要的要点是:制造商倾向于在数据表摘要中列出他们的设备的典型输出,但更重要的是最小光度。通过对最小值的设计,照明工程师确保所有用led制作的灯具都符合规范。

  Alice的Cree X-Lamp X-QE LED数据表的典型值为118 lm,但最小值被列出为114 lm。同样,Bob的Lumileds 3535L led的典型输出为42 lm,但最小为36 lm。

  开始时每个LED的标称输出为114 lm,因此Alice需要降低设备的亮度来考虑所选的正电压/电流(2.85 V/300 mA) (114 lm x 0.85 = 97 lm)。进一步降额要求补偿损失的操作结温90?C(97 lm x 0.8 = 78 lm)。Alice现在必须考虑到她的灯具的81%的光学效率,这意味着她需要将输出提升到1115 lm,以确保从产品中释放出900 lm。所以,需要的led的数量是1115 lm/78 lm = 15。

  Bob的类似计算是36 lm x 1.5 = 54 lm,然后54 lm x 0.88 = 48 lm,最终结果为1115 lm/48 lm = 24 led。(请注意,初始的“粗略”计算分别显示了对8个和22个设备的需求。)


  考虑到电气效率

  虽然不直接影响光度,同样重要的是,设计师考虑效率(定义为电力供应(W)/消耗的功率输出的供应(W),一个无量纲数表示为一个百分比)的选择电源(特别是如果,在爱丽丝的情况下,灯具是低功耗的关键设计参数)。led的效能将决定每瓦特的功率输出产生多少流明,但电力供应的效率大大提高了灯具的整体功耗。

  考虑一下德州仪器(TI) LM3406HV,这是一种流行的开关电源,用于驱动高功率led在恒流状态下运行。这个降压(“buck”)电压调节器可以从6到75 V的输入电压操作,并且可以驱动5个led,最大输出电流为1.5 a。

  LM3406HV的效率受两个关键特性的影响:串联的发光二极管的数量和输出电流。有一个LED在链条上,司机的效率是83%,在给五种设备供电时上升到95%以上(图4)。

  同样,峰值效率发生在750 mA(93%)的输出电流中,尽管在300 mA到1.5 a的输出电流范围内,峰值效率超过91%。如果Alice选择了3个LM3406s作为她的灯具,在她选择的2.85 mA/300 mA的操作点上,每一个5个led灯的led灯,每一个5个led灯将消耗4.3 W左右(忽略非led的电压下降)。由于电力供应的效率约为91%,系统总耗电量约为(3×4.3 W) 14 W,整体灯具效能为900 lm/14 W = 64 lm/W。

  随着更多的LED被添加到系列中,TI的LM3406 LED驱动器的效率也提高了。


最佳光度的照明设计

  图4:TI的LM3406 LED驱动器的效率随着LED的增加而增加。


  结论

  让LED制造商的产品的整体数据很容易被人接受。虽然这些数字通常都是准确的,但往往受到市场部门的需求的影响,而LED则是在理想状态下运行的。这种情况很少考虑到照明设计者通常使用的空间、热、电和成本限制。LED“在实验室”中发光的衰减和与消费产品相同的设备可能被标记。

  然而,遵循一个简单的方法,考虑光损失发生由于物理方面的灯具的设计和操作特点,它是直接计算光度在实际的产品,以确保足够的led结合这样一个产品符合其规范。好消息是,虽然计算所需的信息可能不会出现在数据表的第一页,但有信誉的LED制造商确实在产品的详细描述中提供了这些信息。


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