基于LED的高棚燈具的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)與解決方案

雖然住宅應(yīng)用的固態(tài)照明成為頭條新聞，但商業(yè)和工業(yè)高棚照明應(yīng)用的獨(dú)特定位是利用LED的優(yōu)勢。高棚照明由天花板安裝的燈具組成，設(shè)計(jì)用于照亮距離燈具15至25英尺的表面。使用高棚照明的環(huán)境遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出倉庫和工廠車間，包括機(jī)場大廳，體育場館和雜貨店等公共場所。通常，設(shè)施每天24小時(shí)都在運(yùn)行，因此LED可以在運(yùn)營成本和最小化停機(jī)時(shí)間方面節(jié)省大量成本。為了開發(fā)利用這些特性的燈具，照明設(shè)計(jì)師不僅需要選擇合適的發(fā)射器，還必須采用系統(tǒng)級(jí)方法來解決以LED為中心的挑戰(zhàn)，如驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)和熱管理。

Designlights聯(lián)盟1已為非住宅固定裝置制定了以下規(guī)范。

高棚/低棚燈具高棚過道照明最小光輸出（lm）10,000 10,000區(qū)域流明強(qiáng)度≥30％：20-50°≥50 ％：20-50°
≥30％：0-20°最低燈具效率（lm/W）70 60允許的相關(guān)色溫≤5,700K≤6,500K

表1：非住宅燈具的照明規(guī)格。

設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

高棚照明給設(shè)計(jì)師帶來了許多挑戰(zhàn)。高輸出流明規(guī)格需要大量的LED陣列，這會(huì)產(chǎn)生大量的熱量。驅(qū)動(dòng)程序拓?fù)浔仨毮軌蛱幚頂?shù)百個(gè)設(shè)備，同時(shí)保持輕量，經(jīng)濟(jì)且盡可能高效?？拷旎ò?，通常靠近HVAC管道，固定裝置可能承受高于正常的環(huán)境溫度，幾乎沒有空間進(jìn)行對流冷卻。此外，許多設(shè)施對光分布有非常具體的要求，這可能需要光束整形元件。

高棚照明的最初趨勢是朝向更少數(shù)量的高亮度LED。后來，設(shè)計(jì)人員開始切換到非常大的低功率LED陣列，降低了成本和散熱。然而，這些好處付出了代價(jià)：使用更多的LED會(huì)使驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)復(fù)雜化并增加故障點(diǎn)。目前，趨勢似乎正在回歸使用高亮度設(shè)備，如Cree的XM-L。 XM-L在100 lm/W時(shí)產(chǎn)生高達(dá)1,000 lm的壓力。它的熱阻為2.5°C/W，簡化了熱量管理，125°視角可以更容易地產(chǎn)生所需的光分布。

確定達(dá)到目標(biāo)所需的器件數(shù)量來自燈具Lf的流明，用戶需要首先確定光學(xué)和熱損耗后Lreq所需的總流明：

Lreq = Lf/（EoET）

其中Eo是光學(xué)效率，ET是熱效率但是，僅僅選擇LED的數(shù)量是不夠的。

特別是對于高棚照明應(yīng)用，必須將燈具設(shè)計(jì)作為系統(tǒng)級(jí)任務(wù)，從一開始就考慮電源和驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)，光學(xué)設(shè)計(jì)和熱管理。例如，在他們最終完成LED陣列之后推遲考慮當(dāng)前光源的設(shè)計(jì)人員冒著無法找到合適電子設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)，這種錯(cuò)誤會(huì)增加成本并延遲上市時(shí)間。

陣列可以由兩種類型的驅(qū)動(dòng)程序驅(qū)動(dòng)：集成，單級(jí)驅(qū)動(dòng)程序和雙級(jí)驅(qū)動(dòng)程序。單級(jí)驅(qū)動(dòng)器在一個(gè)單元中集成了AC/DC電源和LED驅(qū)動(dòng)器。例如，來自Recom Power的RACD60系列單級(jí)LED驅(qū)動(dòng)器可以產(chǎn)生高達(dá)4.2 A的電流，精度為±5％，可驅(qū)動(dòng)多達(dá)6個(gè)XM-L器件。這些單元可用作恒定電壓或恒定電流源，并提供優(yōu)于0.9的功率因數(shù)校正。

雖然單級(jí)驅(qū)動(dòng)程序具有簡單的優(yōu)點(diǎn)，但它們可能很大。兩級(jí)設(shè)計(jì)可為尺寸和重量都很重要的高棚燈具提供更好的解決方案。兩級(jí)設(shè)計(jì)涉及連接到一個(gè)或多個(gè)LED驅(qū)動(dòng)器的單獨(dú)DC電源或變壓器。該方法提供更嚴(yán)格的電流控制，提供精確的輸出，效率高于90％。例如，Recom的RCD48系列驅(qū)動(dòng)器可以產(chǎn)生高達(dá)1.2 A的輸出電流，效率高達(dá)96％。與RACD60開放式框架版本相比，32.6 x 16.7 x 11.2 mm設(shè)備能夠提供高達(dá)60 V的電壓，小到足以與LED集成在電路板上，尺寸為101.6 x 50.8 x 20.0 mm。兩級(jí)驅(qū)動(dòng)器的主要缺點(diǎn)是成本。

熱管理仍然是該技術(shù)面臨的最大挑戰(zhàn)之一。 LED可以消耗多達(dá)50％的輸入功率作為熱量，而驅(qū)動(dòng)器電子設(shè)備可以消耗多達(dá)20％的功率。如果組件在電路板上包裝得太緊或者電路板沒有與外包裝緊密耦合，則熱量會(huì)迅速增加。高棚固定裝置通常安裝在天花板上，通常靠近HVAC管道。根據(jù)操作和季節(jié)，環(huán)境溫度可以飆升至55°C。

集成散熱器等散熱管理工具至關(guān)重要。選擇能夠在應(yīng)用所呈現(xiàn)的條件下存活的組件也很重要。例如，Lumex公司的TitanBrite 10 W在1A驅(qū)動(dòng)電流下平均產(chǎn)生600流明，并且可以承受高達(dá)90°C的工作溫度（圖1）。

圖1：在25°C時(shí)至少輸出490 lm，TitanBrite 10W可在很寬的溫度范圍內(nèi)工作。 （由Lumex提供。）

Cree LED允許用戶通過溫度焊點(diǎn)結(jié)監(jiān)測器件的熱量，并且與器件的結(jié)溫有很好理解的關(guān)系。通過將熱電偶連接到焊點(diǎn)結(jié)點(diǎn)，用戶可以監(jiān)控其器件的結(jié)溫。

調(diào)光功能可用于熱保護(hù)。通過增加一個(gè)簡單的熱敏電阻電路，可以設(shè)置一個(gè)系統(tǒng)，當(dāng)溫度上升到一定水平以上時(shí)，減少驅(qū)動(dòng)電流到燈具中的一個(gè)或多個(gè)LED燈串（圖2）。調(diào)光元件成本為1美元或2美元，這對于燈具來說是可以接受的，可以從幾百美元到超過1000美元。

圖2 ：在驅(qū)動(dòng)電路中添加熱敏電阻（左）會(huì)導(dǎo)致熱量超過一定水平時(shí)自身降速（右）。電路中電阻的典型值在25°C時(shí)RT =100kΩ。要在75°C下開始降額，請使用R1 =47kΩ;要在85°C時(shí)開始降額，請使用R1 =33kΩ。 （由Recom Power提供。）

基于LED的燈具具有很大的靈活性，這對于高架應(yīng)用非常重要。在運(yùn)輸和接收設(shè)施中，顯色性很可能無關(guān)緊要，但在銷售家居用品或服裝的零售盒商店中必不可少。隨著核心陣列中LED的變化，相同的燈具可用于在雜貨店生產(chǎn)部門展示水果和蔬菜，并照亮機(jī)場到達(dá)大廳。

光學(xué)設(shè)計(jì)提供了另一種自由度。例如，在倉庫應(yīng)用的情況下，照明圖案需要是長而矩形的，而不是圓形的，以便將輸出集中在過道中而不是浪費(fèi)流明照亮貨架頂部的流明。即使對附近的燈具來說，這也是一個(gè)困難的伎倆;對于位于20英尺高處的高棚燈，這是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。

高強(qiáng)度放電燈和熒光燈等現(xiàn)有技術(shù)可以各向同性地發(fā)光。今天的LED主要是在感興趣的方向上發(fā)光，但遠(yuǎn)沒有過去那么緊密。例如，歐司朗光電半導(dǎo)體的OSLON Square在120°視角下可提供200流明的亮度。通過調(diào)整燈具中的LED模式并添加光束整形光學(xué)元件，照明設(shè)計(jì)師可以創(chuàng)建所需的精確光分布，如Cree的這種高架參考設(shè)計(jì)所示（圖3）.2更好的是，光束整形根據(jù)應(yīng)用的不同，可以將光學(xué)器件切換出來以產(chǎn)生不同的分布或完全停止。

圖3：測試顯示原型生成的輸出分布（左） LED高棚燈具2無（中心）和（右）光束整形光學(xué)元件。 （由Cree提供。）

結(jié)論

基于LED的高棚燈具設(shè)計(jì)合理，可為商業(yè)和工業(yè)應(yīng)用提供巨大優(yōu)勢。通過在設(shè)計(jì)過程開始時(shí)考慮電氣，熱學(xué)和光學(xué)要求，照明工程師可以開發(fā)出能夠以最低價(jià)格提供性能和靈活性的高效產(chǎn)品。