【干貨】如何計算LED照明燈具的光電參數(shù)

作為一個光學(xué)設(shè)計師，在工作中經(jīng)常遇到關(guān)于光電參數(shù)計算的問題，以前100lm/W燈管就是好產(chǎn)品，但隨著LED的發(fā)展，要求也水漲船高，現(xiàn)在很多工程案例為了節(jié)能，光效從120漲到150、甚至180lm/W，讓人非常頭疼。

下面結(jié)合實例，談一談怎么設(shè)計一種光電滿足要求的燈具。

標稱值一般指產(chǎn)品穩(wěn)定后的測試數(shù)據(jù)。

你首先必須知道燈具測試的標準，大部分燈具可以直接通過積分球完成光電測試，依據(jù)IESLM79提供的方法，需要待燈具穩(wěn)定后來測試，至于一些參數(shù)虛標的產(chǎn)品可以無視。

 

圖1.IESLM79中對燈具穩(wěn)定的要求

為什么一定是穩(wěn)定后的數(shù)據(jù)，大部分LED產(chǎn)品從瞬態(tài)到穩(wěn)態(tài)都有一個衰減，而這些衰減很大，不能夠忽視。

通過測試這些衰減大小，可以等到一個相對的熱衰減系數(shù)，可以參看紅字部分。

 

表2 市場上8-9W球泡燈的測試參數(shù)

LED燈珠選型與測試

設(shè)計的時候，首先是LED選型，LED規(guī)格書好多頁，讓你眼花繚亂。主要有額定功率、光通量、電壓、色溫、顯色指數(shù)、色容差等等。如果繼續(xù)深究下去，支架有ppa、pct、emc幾種，芯片尺寸有好多種，熒光粉、硅膠、金線、支架金屬都有很大的貓膩，這些對光源壽命都有著很大影響。

對LED而言，蕞重要的就是額定電流下光通量，比如現(xiàn)在蕞常用2835顆粒，額定60mA的光通量24-26lm。那是不是我將100pcs該LED焊在燈條上，60mA測試時光通量就是240-260lm？

答案是否定的，以下是一些誤差的來源，后面測試報告一定是以自己儀器測試為準，所以就需要弄清楚這些系數(shù)。

 

表3 一些誤差匯總

然而這些系數(shù)有時候推算比較麻煩，也少不了很多一對一測試。所以我的思路是，直接將廠商的標準LED燈珠焊在燈板上，用大積分球測試，直流供電，測試多個電流下的數(shù)據(jù)。

如果你設(shè)計一種常規(guī)的產(chǎn)品，對光效沒有要求，額定電流下測試就可以了。但如果你需要更高光效的產(chǎn)品，那些方法就不適用了，要么選擇更亮的燈珠，要么就是降低電流使用，更多的時候兩者需要結(jié)合來使用。

 

表4 一種顆粒的測試數(shù)據(jù)

LED燈珠數(shù)量計算

做好以上一些工作后了，你還缺少兩個重要的參數(shù)，一個是燈具電源轉(zhuǎn)換效率，另外一個就是燈具的光學(xué)效率，可以通過如下公式計算，有時候面對全新的燈具無從入手，可以根據(jù)經(jīng)驗進行一些估算。

電源效率=LED電壓×通過LED的電流÷輸入功率

光學(xué)效率=燈具光通量÷裸光源測試光通量

注.以上均為瞬態(tài)測試

下面就開始正式的計算步驟：

1、確定設(shè)計光效；

假設(shè)客戶要求是13W1800lm，那么此時光效要求就是139lm/W

2、確定使用顆粒的電流：

影響光效的主要有透光率、燈珠本身、熱衰減系數(shù)（光通量衰減、VF衰減），公式如下：

LED燈珠光效×透光率×衰減系數(shù)×電源效率=燈具光效

比如現(xiàn)在需要做的燈管，透光率94%，瞬態(tài)到穩(wěn)態(tài)光效衰減1.5%，電源效率90%，燈珠光效即139lm/W÷0.94÷0.985÷0.9=167lm/W。通過查表，得到一個合適的電流55mA

3、確定燈珠數(shù)量

單顆燈珠功率×數(shù)量=燈具功率×電源效率×衰減系數(shù)

電流確定后，查表可以得到單顆功率0.153W。數(shù)量=13×0.9×0.975÷0.153=75顆，但這個數(shù)量不能直接使用，因為還要考慮電源的參數(shù)，搭配合適的串并聯(lián)，得到蕞終一個準確的數(shù)值：40串2并。

注.有可能計算需要的很少顆粒數(shù)，但使用起來會明顯的顆粒感，所以這樣的設(shè)計也是不合理的。

進階篇-計算工具設(shè)計

通過以上過程，你能算出各種LED燈珠方案。但有時候經(jīng)常需要計算不同廠商的不同燈珠，從而比較哪種方案更優(yōu)，重復(fù)的計算也是很麻煩的一件事，所以交給excel會方便很多。

首先對原始數(shù)據(jù)整理，可得如下兩個曲線，如果要求不高，可以采用線性擬合，即y=ax+b。為了更加精Q，我此處采用的二項式擬合，y=ax2+bx+c。

 

圖5 電流與正向電壓、光效的關(guān)系

通過電流，將燈具的所有參數(shù)聯(lián)系起來，通過表格設(shè)計，就可以更加簡單的計算光效了。后續(xù)也可以增進一些亮度BIN、電壓BIN、電源恒流精度等參數(shù)，計算整批產(chǎn)品的參數(shù)范圍。

 

 

表6 計算表格與光源數(shù)據(jù)庫

結(jié)語：高光效LED是未來趨勢

LED的在使用過程中，將電轉(zhuǎn)化為光的比例在40%左右，而其他能量用于發(fā)熱，還有很大的空間去提高這一數(shù)值，理論上LED的光效極限是300多。隨著光效的逐年提升，LED會越來越節(jié)能，發(fā)熱量也會大大降低，甚至以后都不需要單獨的散熱器。

在高光效產(chǎn)品的設(shè)計中，性能和成本始終很矛盾，只能綜合各部分，從而達到一個平衡，以下一些個人經(jīng)驗，可以供大家參考，有不足之處請指出：

1、使用更好的光源，并將光源降低電流使用，從某種程度是可以達到目標，但成本也會成倍增加

2、提高光學(xué)效率，比如PCB使用高反射白油，金屬反射杯表面處理，降低PC霧度，使用更好的擴散粒子，通過這些優(yōu)化，球泡燈和燈管的光學(xué)效率可以達到97%

3、優(yōu)化電源效率，現(xiàn)在非隔離的效率一般都是90%，通過某一點的優(yōu)化，還能夠提升2%

4、創(chuàng)造更好的散熱條件，從文章一開始就知道，燈具從瞬態(tài)到穩(wěn)態(tài)的過程，光通量會瞬時很多，如果加大散熱結(jié)構(gòu)，使用鋁基板并增大敷銅面積，無疑能夠提升穩(wěn)態(tài)的光通量。