任务三
LED照明灯具

知识点1：LED照明模组设计

在路灯、隧道灯等大功率LED灯具应用实践方面，主要存在效率、灯具散热、配光、驱动器寿命等方面的问题。另外，由于现有大功率LED灯具多采用一体化集成式设计，即灯壳与LED器件粘接为一体并封闭在玻璃内，这使得大功率LED灯具的维护与检修极其困难。另外，不同大功率LED灯具厂家产品的外形尺寸、功率均不一致，这就意味着大功率LED灯具的通用性差。因此，采用LED灯具模组化思路是有效的解决办法。

1.模组化设计思想

模组化是指若干颗LED光源做成一个配光、散热与防水防尘IP等级结构一体化的模组，一个灯具由若干个模组组成，而并非原先的所有LED光源都安装在一个灯具内。

整个LED灯具由三个部件组成，一是灯具基座，二是光源模组，三是驱动器，这与采用传统光源的灯具是一样的。灯具基座用来与灯杆固定及承载光源模组，并起简单的保护作用；光源模组是一个集合配光、散热及防护等功能的模组，是灯具的核心部分；驱动器提供能量，可以放置在灯具内，也可以与之分离。这样就要有两个接口：一是能量接口，即驱动器与光源模组的接口；二是结构接口，即光源模组与灯具基座接口。这样大功率LED灯具维护、检修就非常方便了。如果驱动器坏了，就更换驱动器；如果某个模组损坏，就更换坏的模组。只要针对其中的部件进行更换即可，无须灯具整体更换。这样一方面节约了成本，另一方面使操作简单，整个维护过程与采用传统光源的灯具一样方便。

大功率LED灯模组化设计的难点与核心在于光源模组的设计，因为要在光源模组内同时实现配光与散热，并且要达到规定的IP等级。实际上，光源模组就是一个小灯具。对于IP等级的实现比较容易，有比较成熟的解决方案，一般采用密封圈加螺钉就可以了。在散热方面，相对于原先一体化的思想，在同样的散热解决方案下，热源分散了，对散热更加有利。

2. LED阵列设计

LED阵列设计的主要目的是将LED制造过程中所造成的每个元件的不同特性加以平衡，尽量使每一颗LED的发光强度一致。目前，LED照明模组的排列方式主要包括串联、并联和混联等几种方式。

（1）串联方式

LED采用全部串联方式，即将多颗LED的正极对负极连接成串，如图1-39所示，其特点是通过每个LED的工作电流都一样。当LED的一致性差别较大时，尽管分配在不同LED两端的电压不同，但通过每只LED的电流相同，各LED的亮度一致。在低于25W的LED照明应用中，串联连接是一种最主要的解决方案。

如果不对LED采取保护措施，在LED灯串中只要有一颗LED开路，灯串中的电路就会被阻断，其他LED则不能再点亮。

（2）并联方式

LED采用全部并联方式，即将多颗LED的正极与正极、负极与负极并联连接，如图1-40所示，其特点是每颗LED的工作电压相等，总电流为∑ I _F 。并联连接的LED阵列，施加到每颗LED上的电压相同。但是，如果LED的伏安特性不匹配，通过LED的电流也就会不相等，LED亮度则不一致。

LED并联连接形式的特点要求驱动器输出低压、大电流。这种连接方案只有在电池供电的背光照明应用中才会使用，但一般不适合工频市电供电的LED照明应用。

（3）混联方式

将所有的LED串联或并联，不但限制着LED的使用量，而且增加了驱动电源的成本，实际应用时通常采用混联方式，主要分为先串后并和先并后串两种形式。

①先串联再并联，即是将LED平均分配后每组先串联，再将分组并联在一起，如图1-41所示。

②先并联后串联，即是将LED平均分配后分组并联，再将每组串联在一起，如图1-42所示。

如果一个LED路灯的功率是50W，采用50颗1W的白光LED。当采用串联方案时，如果每颗LED的正向压降是3.5V，50颗LED组成的灯串总压降为175V，如此高的电压，开关电源很难实现。但是，如果将50颗LED排成10行，每行仅有5颗LED，每行LED上的总电压仅有17.5V，这样的电压就很容易实现了。

混联方式是20W以上LED照明应用的比较理想的选择，但需要解决各串LED之间的均流问题。

知识点2：LED照明灯具

1. LED灯具的结构

LED照明灯具主要包括LED芯片、驱动电路板和外壳三部分，这三部分不仅构成了LED照明灯具的主体，也基本决定了LED照明灯具的品质和性能。

（1）LED芯片

LED芯片根据功率可分为小功率芯片、中功率芯片和大功率芯片。LED芯片的工作环境和品质直接决定LED灯具的使用寿命。目前，照明灯具所用LED芯片的标准尺寸一般是：红光、黄光为12mil，蓝光、绿光为14mil，也有用8mil～10mil的芯片。芯片的具体尺寸由不同芯片生产厂家的实际生产水平所决定，不同尺寸的芯片发光亮度可以一样，但其工作寿命却完全不一样，芯片单位面积上的电流密度越大，其工作寿命越短。

（2）LED驱动板

驱动电路板作为光源的载体直接影响LED灯具的寿命和故障率。LED照明灯具的所有电子线路都在驱动电路板上，驱动电路板的材质和加工工艺将直接影响产品的品质和寿命。驱动电路板材质分为全玻璃纤维、半玻璃纤维和纸板3种。LED驱动电路板的标准材料应为全玻璃纤维双面板，如采用半玻璃纤维或纸板面板，其后期焊接品质和防潮、抗老化能力以及电性能都将大打折扣。

（3）外壳

外壳作为灯具产品的混光层和保护层，也影响到灯具产品的使用效果和寿命。目前所用的工程塑料一般是PC（聚碳酸酯），它的抗老化、防紫外线、抗冲击效果是最好的。也有用PMMA（亚克力）的，其耐候性稍微差一点儿，其脆性较大、易碎。PC材料本身是无色的，根据需要添加不同的色剂就可加工出不同颜色的PC管。一般常用PC管有透明和乳白两种。透明管的亮度比乳白管高，但乳白管的混色性优于透明管。

LED灯具外壳和散热器设计为一体，用来解决LED的发热问题。解决散热问题主要依靠设计合理的灯体结构，为了既减小灯具的体积又保证较大的散热面积，灯具外壳应该是带肋条的散热片结构。

2. LED灯具的特点

（1）创新的配光设计

通过合理地控制光的分布，使光斑呈矩形，保证理想亮度及均匀度，同时消除LED的眩光并使光能利用率发挥到极致，且没有光污染。

（2）透镜与灯罩一体化设计

透镜阵列具有聚光与防护作用，避免了光的重复浪费，降低了光的损耗，同时也减轻了产品质量，并使结构简化，让产品更加轻薄。

（3）散热器与灯壳一体化设计

充分保障了LED的散热效果及使用寿命，从根本上满足了LED灯具结构及任意设计的鲜明特色。

（4）创新的模块化设计

可任意组合成不同功率及亮度需求的产品。每个模块是一个独立的光源且可互换，局部故障不影响整个灯具的正常工作，方便拆卸及维护，节约维护成本，使维护工作变得非常轻松。

（5）外观轻薄

有效降低风阻与重量，减轻灯杆的负荷，增大安全系数。

（6）无高压，不吸附灰尘

消除了普通灯具因高温烘烤灯罩使其老化发黄而引起的亮度降低和寿命缩短现象。

（7）启动无延时，无频闪

通电即达正常亮度，无需等待，消除了气体光源需很长时间启动的缺点；纯直流工作，避免传统光源频闪引起的视觉疲劳。

（8）耐冲击，抗振能力强

无灯丝和玻璃外壳，没有传统灯管破裂的问题，对人体无伤害，无辐射。

（9）显色指数高，显色性好

LED产品几乎覆盖了整个可见光谱范围，且色彩纯度高，对颜色的呈现更真实、更鲜艳。通过对荧光粉或RGB LED的调节可将显色指数做到90以上。

（10）多种色温可选

能满足不同场合对色温的需求，消除了钠灯色温过低和汞灯色温过高引起的催眠情绪和压抑情绪，使观察者倍感舒适；可实现动态的色彩控制，明暗可调，通过三基色LED的组合以PWM方式实现颜色的变化。通过对LED或荧光粉配比的调节可得到低色温、中色温和高色温的白色。

3. LED灯具的设计要点

（1）灯具系统的热量管理

LED在发光的同时也有热量产生，而且对于大功率LED和多颗LED应用的场合，热量将积累。由于LED是温度敏感器件，当温度上升时，其效率急剧下降，所以系统结构设计及散热技术开发至关重要。

（2）显色性的提高

白光LED普遍使用蓝光LED和由蓝光激发的发黄光的钇铝石榴石（YAG）荧光粉合成白光，由于其发光光谱中仅含蓝、黄这两个波谱，所以存在色温偏高、显色指数偏低的问题。

（3）灯具系统的二次光学设计

根据照明对象和光通量的需求，确定光学系统的形状、LED的数量和功率的大小。将若干颗LED组合设计成点光源、环形光源或面光源，根据组合成的二次光源计算照明光学系统。

（4）电源、电路与灯具的集成

LED需要专门的驱动电源与其配套，在设计灯具的时候应考虑电源与灯具的系统集成。

（5）可靠性的提高

作为固体发光器件，其理论寿命在10万小时以上，寿命远比传统光源要长，故在一些不易更换、维护的场合使用，其维护成本可大大降低。因此，在半导体照明灯具设计上要慎选LED，应使用大功率LED作为照明设备光源。

（6）艺术化和人性化的统一

LED灯具将科学性和艺术性有机结合在一起，在视知觉与形态的艺术创意表现上，以一个全新的角度去认识、理解和表达光的主题；通过三基色实现亮度、灰度、颜色的连续变换和选择，把光和人类生活完美结合。

因此，人们可以根据整体照明需要（如颜色、温度、亮度和方向等）来设定照明效果，实现人性化、智能化控制，营造不同的照明效果；也可以根据各自的要求、场景情况以及对环境和生活的不同理解，在不同的空间和时间上选择并控制光的亮度、灰度和颜色的变化，模拟出各种光环境来引导、调节情绪，创造更人性化的照明环境。

思考与提高

1. LED的基本特征有哪些？

2.试列几种常见的LED照明产品。

3.简述LED照明产品的应用领域。

4. LED产品的有哪些新技术？

5. LED阵列有哪些排列方式？

6. LED灯具的结构和设计要点是什么？ lnlI/EcVYtJVVS3URioQ0QH+wObmJWJG5oAlkZGpIzLPYqC7vuUCkiqAKSYs0HO9