由于我國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)計的不合理現(xiàn)象的出現(xiàn)。從LED 照明顆粒原理及特點入手，結(jié)合工程實踐經(jīng)驗討論了LED 照明系統(tǒng)設(shè)計流程及注意事項，給出了解決相應(yīng)問題的建議。
一、LED 照明顆粒原理及特點
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，并將整個晶片用環(huán)氧樹脂( 膠) 封裝起來。
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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)氧樹脂、晶片、金線、銀膠及支架。環(huán)氧樹脂的作用是保護(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)體連接起來的時候，它們之間就形成一個“P - N 結(jié)”。當(dāng)電流通過導(dǎo)線作用于這個晶片的時候，電子就會被推向P 區(qū)，在P 區(qū)里電子跟空穴復(fù)合，然后就會以光子的形式發(fā)出能量，而光的波長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)過電鍍而形成。
LED 相對于白熾燈、熒光燈等傳統(tǒng)光源的優(yōu)勢不僅體現(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。相對于老一代發(fā)光設(shè)備，LED 的特點主要體現(xiàn)在以下幾個方面：
1) LED 為環(huán)氧樹脂包裹結(jié)構(gòu)，同時元器件封裝體積一般較小，無需考慮將燈管內(nèi)部空氣抽取再注入惰性氣體，因此在抗振動、抗沖擊性方面具有良好的性能，為生產(chǎn)、運輸及安裝等各個環(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)氧樹脂封裝使得燈體內(nèi)部沒有易于松動的結(jié)構(gòu)，不存在燈絲發(fā)光易燒毀、熱沉積等缺點，普遍使用壽命在5 萬～ 10 萬h 之間，即使頻繁開關(guān)也不會影響到使用壽命。
4) LED 在生產(chǎn)過程中不添加“汞”，廢棄物可回收，光譜中沒有紫外線和紅外線，熱量低并且無頻閃、無輻射，可以安全觸摸，屬于典型的綠色照明光源。
5) LED 響應(yīng)時間非?？?，在微秒級別。
6) LED 使用低壓直流電源即可驅(qū)動，超低功耗( 單管功率為0. 03 ～ 1 W) ，對使用環(huán)境要求較低。
7) LED 可利用紅、綠及藍(lán)三基色原理，在計算機(jī)技術(shù)控制下使三種顏色具有256 級灰度并任意混合，即可產(chǎn)生16 777 216 種顏色，形成不同光色的組合，實現(xiàn)豐富多彩的動態(tài)變化效果及各種圖像。
二、LED 照明系統(tǒng)設(shè)計流程及注意事項
LED 照明系統(tǒng)設(shè)計的基本流程以及注意事項有以下幾點。
( 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)將會是極大的浪費，因此客觀地分析現(xiàn)存燈飾的光學(xué)結(jié)構(gòu)，結(jié)合LED 的照明特點以及實際應(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題的發(fā)生。將反射體設(shè)計、光學(xué)透鏡設(shè)計、高可靠的LED 電源設(shè)計及野外防雷電感應(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)計目標(biāo)
在確認(rèn)照明需求的前提下，計算總體光照需求以及配套設(shè)備( 燈桿、燈頭以及太陽能光伏系統(tǒng)等) 的功耗，根據(jù)分析所得的環(huán)境參數(shù)選擇驅(qū)動、控制器件等級、殼體材料硬度以及柔韌度等參數(shù)。
由于我國已成為繼美國之后的世界第二大電力消費大國，對于用電緊張的地區(qū)需要考慮是否引入太陽能光伏供電系統(tǒng)，對于太陽能板的安裝角度問題可以采用通過多類型傳感器融合數(shù)字信號跟蹤算法、利用緯度大致估計傾斜度等方法，如下表所示。
表1 太陽能板安裝傾斜度緯度對照表
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( 3) 參照元器件參數(shù)確定使用類型
結(jié)合元器件參數(shù)指標(biāo)，選擇不低于最低指標(biāo)要求的電子元器件，由于LED 光學(xué)照明系統(tǒng)屬于熱量影響光輸出的特殊系統(tǒng)，因此需要確認(rèn)LED的驅(qū)動電流和結(jié)溫，這個環(huán)節(jié)需要實際測量而不能完全依賴技術(shù)手冊。
LED 照明測試參數(shù)一般包括光通量( 單位時間內(nèi)光源輻射產(chǎn)生視覺響應(yīng)強(qiáng)弱的能力，單位是流明) ; 照明效率( 單位是流明每瓦) ; 相關(guān)色度( 與具有相同亮度刺激的顏色最相似的黑體輻射體的溫度，單位是開氏度) ; 顯色指數(shù)，白熾燈的顯色指數(shù)定義為100，視為理想的基準(zhǔn)光源。標(biāo)準(zhǔn)測試系統(tǒng)以8 種彩度中等的標(biāo)準(zhǔn)色樣來檢驗，比較在測試光源下與在同色溫的基準(zhǔn)下此8 種標(biāo)準(zhǔn)色樣的偏離程度，以測量該光源的顯色指數(shù)，取平均偏差值Ra20 ～ Ra100，以Ra100 為最高，平均色差越大，Ra 值越低。低于Ra20 的光源通常不適于一般用途。
由于LED 自身的特點，要有效控制LED 的工作電流，同時降低最高工作環(huán)境溫度，否則將縮短LED 的使用壽命。
( 4) 結(jié)合實際亮度計算LED 數(shù)量及組合方式
根據(jù)不同的驅(qū)動電路驅(qū)動負(fù)載能力和LED 實際流明量計算出需要的LED 數(shù)量。同時需要注意，驅(qū)動電路的電氣損失會降低總體照明效果，同時將輸入功率轉(zhuǎn)化為熱量，而且驅(qū)動器的效率會隨負(fù)載變化而變化，因此不能隨意改動設(shè)計方案的負(fù)載數(shù)量或連接方式。
在選取LED 顆粒時，由于各個廠家的制造工藝的差異致使各個LED 發(fā)光強(qiáng)度、驅(qū)動電流、承受最大電流以及發(fā)熱程度有所差異，容易造成某個LED 的損壞而導(dǎo)致整個照明系統(tǒng)的壽命縮短，因此建議采用動態(tài)驅(qū)動電路控制LED 陣列，同時盡量采用同廠家同批次的LED 顆粒。
在使用陣列LED 時需要注意LED 的組合方式，常用的一般是平面陣列型和圓球陣列型，由于LED 集成在高密度區(qū)域，因此要考慮到散熱問題的處理。
( 5) 比較設(shè)計方案并權(quán)衡成本效益
由于LED 照明設(shè)計屬于逐步成熟階段，因此在設(shè)計時提出至少兩套備用方案，根據(jù)實際環(huán)境測試情況選擇適當(dāng)方案，方案間的優(yōu)勢和劣勢要有互補(bǔ)性。
在戶外使用的燈具要考慮達(dá)到一定的防塵防水等級，同時考慮到散熱性問題，建議采用導(dǎo)熱板或?qū)艟咄鈿ぴO(shè)計為類似散熱器的機(jī)械結(jié)構(gòu)。
另外，LED 戶外照明系統(tǒng)光學(xué)特性直接影響其輸出功率、配光曲線和光斑均勻性，在高質(zhì)量應(yīng)用方案的制定時需進(jìn)行光學(xué)理論計算、計算機(jī)模擬及優(yōu)化、光學(xué)元器件精密加工和模具制造等環(huán)節(jié)，最終形成具備較好的均勻度，無熱點、眩光和光污染的光學(xué)系統(tǒng)。
這里需要注意重視照明成本。照明成本不僅涉及燈具的初始生產(chǎn)成本，還涉及燈具正常工作所需消耗能源的成本，當(dāng)電燈無法正常工作時更換電燈所需的勞動成本。白熾燈的初始成本很低，但它們將電能轉(zhuǎn)換成光能的效率比較低，而且容易燒壞。計算LED 的照明成本時一般都假定：
LED 燈的光輸出降到一半時，LED 燈的使用壽命就終止，因此假定典型LED 燈的壽命是7. 5 萬h而非10 萬h，同時照明成本的計算參量成為生產(chǎn)資料成本、能源損耗成本、生產(chǎn)維護(hù)成本以及貨幣流通等資金價值的總和。
( 6) 投入工程實踐并反復(fù)論證改進(jìn)
在工程實踐階段，對于PCB 板圖設(shè)計要考慮到散熱、防靜電和成本問題。采取樣機(jī)內(nèi)部試驗驗證光學(xué)指標(biāo)、高低溫指標(biāo)和電氣系統(tǒng)指標(biāo)后送交第三方( 例如國家電光源質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心、國家燈具質(zhì)量檢測中心等) 測試通過后再定型生產(chǎn)。
( 7) 監(jiān)督施工環(huán)節(jié)并定期維護(hù)檢測在LED 照明系統(tǒng)工程安裝過程中要注意
1) 電源配置。確認(rèn)輸入電源是直流還是交流、是否配置漏電保護(hù)裝置和過載保護(hù)裝置。
2) 防水結(jié)構(gòu)。在戶外使用的LED 照明系統(tǒng)特別要考慮這類問題。
3) 實時監(jiān)測。安裝前要檢測產(chǎn)品是否破損。
4) 控制LED 數(shù)量。不允許隨意串接數(shù)量。
5) 燈具打孔需要認(rèn)真討論。確保燈具防水、防塵和散熱良好。
上述LED 照明系統(tǒng)設(shè)計的基本流程以及注意事項是以太陽能光伏LED 路燈為例，但可以將所述設(shè)計流程和注意事項應(yīng)用于其他LED 照明系統(tǒng)設(shè)計之中。
結(jié)束語
在設(shè)計、安裝及使用的過程中結(jié)合文中所述LED 照明系統(tǒng)設(shè)計流程以及注意事項將會有助于完善LED 照明系統(tǒng)設(shè)計方案，提高LED 照明系統(tǒng)設(shè)計的安全性和可靠性，加速LED 照明系統(tǒng)的商業(yè)化進(jìn)程。