由于我國(guó)LED 產(chǎn)業(yè)發(fā)展的不均衡以及部分相關(guān)工程人員LED 專業(yè)知識(shí)的欠缺，致使盲目使用LED 照明顆粒以及LED 照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)的不合理現(xiàn)象的出現(xiàn)。從LED 照明顆粒原理及特點(diǎn)入手，結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)討論了LED 照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程及注意事項(xiàng)，給出了解決相應(yīng)問(wèn)題的建議。
一、LED 照明顆粒原理及特點(diǎn)
LED 即發(fā)光二極管，是一種固態(tài)的半導(dǎo)體器件，它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光。LED 的核心結(jié)構(gòu)是一個(gè)半導(dǎo)體的晶片，晶片的一端附在支架上，一端為負(fù)極，另一端連接電源的正極，并將整個(gè)晶片用環(huán)氧樹(shù)脂( 膠) 封裝起來(lái)。
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圖3 LED 結(jié)構(gòu)示意圖
LED 結(jié)構(gòu)如圖3 所示，基本結(jié)構(gòu)包括： 環(huán)氧樹(shù)脂、晶片、金線、銀膠及支架。環(huán)氧樹(shù)脂的作用是保護(hù)LED 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，添加不同材料或塑造形狀可改變LED 發(fā)光二極管的發(fā)光顏色、亮度及角度。晶片是LED 的主要組成材料，半導(dǎo)體晶片由兩部分組成： 一部分是P 型半導(dǎo)體，在它里面空穴占主導(dǎo)地位; 另一部分是N 型半導(dǎo)體，在此處主要是電子。
當(dāng)這兩種半導(dǎo)體連接起來(lái)的時(shí)候，它們之間就形成一個(gè)“P - N 結(jié)”。當(dāng)電流通過(guò)導(dǎo)線作用于這個(gè)晶片的時(shí)候，電子就會(huì)被推向P 區(qū)，在P 區(qū)里電子跟空穴復(fù)合，然后就會(huì)以光子的形式發(fā)出能量，而光的波長(zhǎng)也就是光的顏色是由形成“P - N 結(jié)”的材料決定的。LED 中金線用于連接晶片焊墊( PAD) 與支架，并使其能夠?qū)? 銀膠起到固定晶片和導(dǎo)電作用; 支架是由支架素材經(jīng)過(guò)電鍍而形成。
LED 相對(duì)于白熾燈、熒光燈等傳統(tǒng)光源的優(yōu)勢(shì)不僅體現(xiàn)在發(fā)光質(zhì)量方面，在其生產(chǎn)、制造及易用性方面都大大得到改善。相對(duì)于老一代發(fā)光設(shè)備，LED 的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
1) LED 為環(huán)氧樹(shù)脂包裹結(jié)構(gòu)，同時(shí)元器件封裝體積一般較小，無(wú)需考慮將燈管內(nèi)部空氣抽取再注入惰性氣體，因此在抗振動(dòng)、抗沖擊性方面具有良好的性能，為生產(chǎn)、運(yùn)輸及安裝等各個(gè)環(huán)節(jié)提供便利。
2) LED 的光線能量集中度高，指向性好，集中在較小的波長(zhǎng)窗口內(nèi)，純度高，亮度衰減比傳統(tǒng)光源低很多。
3) LED 器件屬于固體冷光源，由于環(huán)氧樹(shù)脂封裝使得燈體內(nèi)部沒(méi)有易于松動(dòng)的結(jié)構(gòu)，不存在燈絲發(fā)光易燒毀、熱沉積等缺點(diǎn)，普遍使用壽命在5 萬(wàn)～ 10 萬(wàn)h 之間，即使頻繁開(kāi)關(guān)也不會(huì)影響到使用壽命。
4) LED 在生產(chǎn)過(guò)程中不添加“汞”，廢棄物可回收，光譜中沒(méi)有紫外線和紅外線，熱量低并且無(wú)頻閃、無(wú)輻射，可以安全觸摸，屬于典型的綠色照明光源。
5) LED 響應(yīng)時(shí)間非?？?，在微秒級(jí)別。
6) LED 使用低壓直流電源即可驅(qū)動(dòng)，超低功耗( 單管功率為0. 03 ～ 1 W) ，對(duì)使用環(huán)境要求較低。
7) LED 可利用紅、綠及藍(lán)三基色原理，在計(jì)算機(jī)技術(shù)控制下使三種顏色具有256 級(jí)灰度并任意混合，即可產(chǎn)生16 777 216 種顏色，形成不同光色的組合，實(shí)現(xiàn)豐富多彩的動(dòng)態(tài)變化效果及各種圖像。
二、LED 照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程及注意事項(xiàng)
LED 照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本流程以及注意事項(xiàng)有以下幾點(diǎn)。
( 1) 結(jié)合應(yīng)用環(huán)境確認(rèn)照明需求
由于現(xiàn)存的大部分照明燈飾基本都屬于傳統(tǒng)光源的范疇，如果全部將其丟棄而搭建全新的LED 照明系統(tǒng)將會(huì)是極大的浪費(fèi)，因此客觀地分析現(xiàn)存燈飾的光學(xué)結(jié)構(gòu)，結(jié)合LED 的照明特點(diǎn)以及實(shí)際應(yīng)用成本考慮是否替換或改進(jìn)。
部分傳統(tǒng)光源采用經(jīng)燈罩內(nèi)部反射后再投射到路面的光學(xué)照明結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)源于傳統(tǒng)光源屬于全指向性光源，這樣在其燈罩內(nèi)部會(huì)造成不同程度的光學(xué)效率軟降低，使用指向性較好的LED 光源就可以避免此類問(wèn)題的發(fā)生。將反射體設(shè)計(jì)、光學(xué)透鏡設(shè)計(jì)、高可靠的LED 電源設(shè)計(jì)及野外防雷電感應(yīng)等關(guān)鍵環(huán)節(jié)納入到照明需求論證方案中進(jìn)行論證。
( 2) 分析系統(tǒng)指標(biāo)得出設(shè)計(jì)目標(biāo)
在確認(rèn)照明需求的前提下，計(jì)算總體光照需求以及配套設(shè)備( 燈桿、燈頭以及太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)等) 的功耗，根據(jù)分析所得的環(huán)境參數(shù)選擇驅(qū)動(dòng)、控制器件等級(jí)、殼體材料硬度以及柔韌度等參數(shù)。
由于我國(guó)已成為繼美國(guó)之后的世界第二大電力消費(fèi)大國(guó)，對(duì)于用電緊張的地區(qū)需要考慮是否引入太陽(yáng)能光伏供電系統(tǒng)，對(duì)于太陽(yáng)能板的安裝角度問(wèn)題可以采用通過(guò)多類型傳感器融合數(shù)字信號(hào)跟蹤算法、利用緯度大致估計(jì)傾斜度等方法，如下表所示。
表1 太陽(yáng)能板安裝傾斜度緯度對(duì)照表
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