LED照明系统设计指南完全版培训讲学

照明设计要考虑节能，选择LED灯泡或智能控制系统 #生活知识# #家庭生活# #家居装修技巧# #照明设计技巧#

1、精品文档 LED照明系统设计指南完全版 本文详细讨论LED照明系统设计的六个设计步骤：确定照明需求；（2）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；（5）对所有的设计可能都予以考虑，从中选择最佳设计；（6）完 成最后步骤。虽然本文以一个室内照明设计为例，但所述的设计过程可以用于任何 LED照明设计中。 现在的照明应用LED，具有普通照明所需的亮度、效率、使用寿命、色温以及白点稳定性。因此，绝大多 数普通照明应用设计中都采用这类LED，包括路面、停车区以及室内方向照明。在这些应用中，由于无需 维护（因为LED的使用寿命比传统灯泡的要长得多 ）且能耗降低，所以基于LED的照

2、明降低了总体拥有成本 仃CO）。 全世界有200亿以上的灯具使用白炽、卤素或 荧光灯。其中许多灯具用作方向照明，但都是采用在所有方 向发光的灯。美国能源部（DOE）称，在新住宅建筑里，嵌顶灯是安装最普遍的照明灯。此外，DOE报告称， 采用非反射灯的嵌顶灯一般效率只有50%，就是说，这类灯所产生光的一半都浪费到灯具内了。 相反，照明级LED具有至少50,000小时的高效、方向性照明。利用照明级LED的所有优点设计的室内照 明有以下优点： 1功效超过所有白炽灯和卤素灯具 2能与甚至最好的CFL（紧凑荧光）嵌顶灯的性能相媲美 3与这些灯具相比，需要维修前的寿命要长5到50倍 4降低光对环境的影响：不

3、含汞、电站污染小、垃圾处理费用低。 照明还是灯？ 在普通照明中设计LED需要在两种方法间作岀选择，是设计基于LED的完整的照明，还是设计安装到已 有灯具上的基于LED的灯。一般来说，一个完整的照明设计，其光学、热和电气性能要好于式样翻新的灯， 因为现有灯具不会约束设计。对目标应用，到底是新照明的总体系统性能重要还是式样翻新的灯的方便性 更重要，这要由设计师来决定。 针对已有照明的设计方法 如果目标应用采用构造新型 LED照明更好，那么就设计照明的光输出，使其相当于或者超过现有照明匹配 具有多种优点。首先，现有设计已经针对目标应用进行了优化，可以在围绕有关光输岀、成本和工作环境 而确定设计目标时

4、提供指导。其次，现有设计的外形尺寸已经得到认可。如果外形尺寸相同，终端用户转 换成LED照明更容易一些。 遗憾的是，有些LED照明制造商错误报告或者夸大了 LED照明的效率和使用寿命特性。在 CFL替换灯泡 的早期的数年，照明业也遇到了类似问题。行业标准的缺乏，以及早期产品质量的巨大差异将CFL技术的 采用推迟了很多年。美国能源部意识到了早期 LED照明也可能存在相同的标准和质量问题， 并且这些问题 可能以类似的方式延迟了 LED照明的使用。作为应对措施，美国能源部发起了 “DOE SSL商用产品测试计 划（CPTP）”，对LED照明制造商声称的指标进行测试。该计划以匿名方式测试LED照明的下

5、列4个特性： 照明光输出（流明卜 照明效率（流明每瓦）、相关色温（开氏度）、显色指数。 DOE的CPTP将关注点放在了照明可用光输出上，而不仅仅是照明的光输出上，这为LED照明设计设定 了一个很好的先例。 灯的概念可能过时了 LED光的使用寿命很长，这就可能使灯的概念变得过时了。 照明级LED不会像电灯泡那样出现灾难性失效。 相反，照明级LED在逐渐退化到其最初光输出通量（也称作流明维持）的70%之前，具有至少5万小时的使 用寿命，也就是说连续点亮 5.7年！ 不过，在大多数照明环境下，灯有规律地熄灭。这一熄灭期足足可以将 LED的使用寿命延长到30年以上， 如曲线1所示。过了这么多年之后，L

6、ED照明将 烧尽”而那时LED照明技术下的照明将更亮、 效率更高， 与老式LED照明相比很可能要节省 TCO。 a jo 曷 II c 曲12SD Hours On Per Dny Chart 1 - Wliett 50,000 Hours Means in Prdctital Terms 不要忘记：LED照明的这5万小时使用寿命避免了多少对环境的影响。送往填埋场的白炽灯泡至少要少 2 5倍,并且能源消耗量要少 5倍。（美国约50%的能源来自燃煤，而燃煤会给空气中释放汞 ）。或者，送往处 理的含汞C灯泡至少减少5倍。 如前面提到的，不用维护是LED照明的一个重要优点。 因此，设计LED照明，使

7、其使用寿命最长并节省 T CO是一个应对LED照明原始成本高这一障碍的极佳策略。 表1列出了设计大功率 LED照明的一般步骤。本文的其余部分依次讨论这些设计步骤。 为了更好地说明这 些设计概念，本文给出了一个LED照明取代23W CFL嵌顶灯的计算例子。不仅对本例，对所有类型照明， 本设计步骤都可重复使用。 1表口大功率LED照明的一娛设计步骤口 步骤 说明 1.确定熊明需求 设计自棕应是基于现有灯具的性能，或者是基于应用用 rfri 2确定设计目标 列出设计目标，这些目标应根据应用的照明需求而戈 设计师应列出影响设计的所有其它目标，如特殊光圉 者是要能耐受高規. 3,估计光学、热和电气系 蜿

8、的效率 设计目标会对光学、棚口电气系轨产生限制。 根据这些限制对各系统的效率进行估讣结果不徐 将照明目标和系统融率结合起来，能驱动照明需要朋 数量 4-计算需要的LED数量 根据设计目标和估计削贵失程廈，设计!阿以计算犒 计目标需要的LED数量。 5.对所有的視计可能都予 以考虑从中选择最佳设 计 所有设计都一样，不同的方祛达到最佳设计E ED照明仍然是一个新兴领域，朋乩对传統照明駆 的假设可能无袪用于LED照明祓计。 6.完成最后步僵 *完成电路板布局。 构造原型机照明，测试设计选揮。 -确认设计达到了所有设计目掠。 -使用原型机设计进一步完善照明设计。 *写出观鹽报吿和改进盍见 fnakh

9、ir or better illunvr Powti (eeluding dciwerj w 23 Efficacy Im/W 3B Life time hourt 別砂 CCT K 4000 CR1 75 tlrculftr openiint) *n Nwirn Lim 讪晞时 Tt“rr：卩一 55 Commernal building with ftoted ciling Higli volum* BOW co us ai r4 imgik 25 C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-

10、E白色L ED。该曲线通过选择特定相对光输岀或者特定结温，给岀了其它特性值。 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，对光输岀、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 C或以下。因此，CFL 示例的最高合适结温为 80 C。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。 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 25507510012 Junction Temperatitre

11、 (C ) Chart 3 - Example Relative tntensity vs Junction Tempera- ture Graph for XLamp XR E White LED 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 率可能随输岀负载而变化，如曲

12、线 4所示。应指定驱动器工作在大于 50%输岀负载下，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 LT- 6 1 1 204U创30100 Output Load （张） Chart 4 - Examplevs Load Graph for LED Driver 对于室内应用，驱动器效率 87%的估值很好。室外用或非常长的使用寿命的驱动器，效率可能要低一些。 表5概括了示例照明的光、热和电气系统的效率。 System Efficiency Type Optical 91% Li勺 ht Thermal 35% Light Electrical 87% Power

13、rable 5 - Summary of Example CFL Replacement Efficiencies 步骤四：计算需要的 LED数量 实际需要的流明量 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。对本计算，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岀量。示例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 羽热效率)=810/(91% X 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

14、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，如表6所示。根据应用的不同，考虑到每个 LED流明输岀值更高，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。 表6髙LED照明工作电流餉誤点。 铳点 解釋 功熾降低 工作电渝提髙会降低功率UID电流产生的功敢.一般来包 源尺寸大小将随工作电流的提高而增犬因为产生相同牛 数需要的功率更大. 最高环境温廈降低我 者使用寿命缩短 电沸的摄髙将增大LSD结点和LED热通道

15、的温差否实际. 于已经确定了舉高呃固此这样可以薛(删明的最高歩 度.反之.如果章裔环境温度不是降低，而是升高，则在 的使用寿窃期内，光输出下降会更快. LED数量 工作电流确定之后，就可以计算各LED的流明输岀数了。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供应商文档给岀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。 本例中的照明使用 4000K CCT的XLamp XR-E LED，350

16、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 海个LED的流明数=1,050 lm / 67.2 lm=16个LED 步骤五：考虑所有设计可能并选择最佳设计 LED数计算好之后，考虑满足设计目标的所有设计可能。 由于每个LED都是一个小照明，比传统照明的使 用寿命要长许多，因此 LED可以与新型和非常规设计元件一起集成到照明中。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，。 同时不要忘记，有许多不同规则限制着设计的选择。要给岀适用LED照明的完整的世界标准列表超岀了本 文的范围，不过，下面的

17、表7给岀了世界某些地域使用的规则的例子。 本节的其余部分对本示例 LED照明的各系统(光学、热和电器)的3个选项进行说明。对每个系统，给出了 最佳选项的选择指南。 Type of Standard Example Standards for Lighting EMI (Electro Migrtetic interterence) FCC CFR Title 47 Part 1弓 * fNeiOOD Sa f tty * UL 131Qr2 * UL4fi trfic!?ncv * Calrforma Titte 24. Partof the Chfcrnj Lode uJ Recjiu ca

18、lh(orniaJs Ene- gy tfShcftrncy/ds forar residential Busldings 7 - EXdinple SldncMnls VlMt PerMin 10 LED LlQhliny 光学系统选项 1 .裸LED和现有灯反射器 如前面所述，现有 CFL灯具的角度和LED的角度非常相似，因此，可选则不使用次级光学器件。本选项 可使成本最低，并且系统光损失最小。使用的元件较少，人力也较少，这样使照明安装更简单并且费用更 低。 缺点是会出现多照明阴影效应，下面将对此予以说明。另外，如果LED的光分布与目标照明的光分布差异 很大，就不能采用此方法。 2 带有次

19、级光学器件的LED和现有灯反射器 次级光学器件是除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。 每个LED使用一个次级光学器件，各 LED的光束角度就可以定制，从而得到所需的准确光图像输出。例 如，可以缩小各LED的光束角度，为点照明优化照明，而不是为普通照明优化。 这种方法有几个缺点。首先，因为增加了元件并且装配较复杂，所以照明的成本较高。其次，由于光学器件 连接到各LED上，可能仍然存在多照明阴影。最后，次级光学器件会降低光学系统的功效。 3 裸LED，现有的灯反射器和漫射器 不是每个LED都使用一个光学器件，整个 LED阵列可以使用一个漫射器来传播光。这种方法的优点是光 束角度比裸LED能达到的光束角度宽，并且消除了多

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