淺析LED光學(xué)設(shè)計(jì)的一些基礎(chǔ)要點(diǎn)

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　　LED是點(diǎn)光源，不同于目前市場(chǎng)上的節(jié)能燈或白熾燈。點(diǎn)光源顧名思義也就是一個(gè)點(diǎn)發(fā)出的光亮，而這個(gè)點(diǎn)發(fā)出光還同時(shí)具有另一個(gè)重要特征，那就是只有一方向上有光（所有傳統(tǒng)的背面反光罩對(duì)于LED本身來(lái)說(shuō)是沒(méi)有任何意義的）。如果我們想要用這種特殊的光來(lái)做照明使用，就必須對(duì)這個(gè)光進(jìn)行一定的處理，才可以達(dá)到我們的要求和目的，所以我們要加上光學(xué)設(shè)計(jì)，把這個(gè)相對(duì)集中的點(diǎn)光源變成具有一定角度的散光，這也就是大家所熟悉的草帽LED，草帽LED是專業(yè)用于照明設(shè)計(jì)的一種封裝形式，一方面它可以讓光線從一個(gè)集中的點(diǎn)光源變成具有一定角度的散光源，另一方面，它具有更少的光衰效果，而讓更多的光透射出來(lái)為我們所用。

　　雖然草帽LED在光學(xué)角度上有了質(zhì)的飛躍，但相對(duì)我們所熟悉的面光源來(lái)講，它依舊是一個(gè)點(diǎn)光源，因其亮度過(guò)于集中，如果人眼直接看向光源，還是會(huì)對(duì)我們的眼睛造成一定的傷害。所以在LED照明應(yīng)用于家庭照明燈中，我們還要進(jìn)一步進(jìn)其光線進(jìn)行處理，再增加一定的光學(xué)設(shè)計(jì)，而達(dá)到人眼可以直接觀測(cè)的目的，同時(shí)柔和光線，另一方面還要再次放大其照射角度，雖然草帽LED本身已經(jīng)做到120度范圍，但如果直接應(yīng)用于家庭照明，給我們的感覺(jué)是屋頂上表現(xiàn)出來(lái)是一片漆黑，我們要利用燈具最外面的透明罩把光線再次分散開(kāi)來(lái)，從而適應(yīng)正常的家庭照明。

　　大功率與小功率LED的區(qū)別

　　隨著LED技術(shù)的不斷發(fā)展，人們?yōu)檫m應(yīng)大面積照明而研發(fā)出功率越來(lái)越大的單顆LED芯片，目前全球最前沿已經(jīng)可以做到單顆LED功率為200W以上，雖然功率可以做到很大，但其性價(jià)比并不佳。下面以我們以常見(jiàn)的幾種LED為例做一個(gè)分析。

　　目前業(yè)內(nèi)大量使用的都是單顆0.06W功率，其亮度最大可以做到7LM，我們暫按普通的做到6LM計(jì)算，如果要讓功率達(dá)到1W，我們需要用17個(gè)同樣的LED，其總亮度為17*6=102LM，也就是說(shuō)可以做到100LM/W，如果我們采用單顆芯片為1W的功率，其輸出的亮度最高做到80LM，常用的一般在60LM左右，這是亮度上的一個(gè)主要區(qū)別，由此可見(jiàn)，對(duì)于家庭使用來(lái)講，我們還是要選擇小功率的LED比較合適。

　　從產(chǎn)品成本角度講，大功率的LED成本要高于小功率的成本，這來(lái)自于兩個(gè)方面，一是LED本身的造價(jià)，二是大功率的LED要加鋁散熱片，小功率只要用普通電路板，加上自然散熱就可以達(dá)到要求。

　　從產(chǎn)品日后維護(hù)成本來(lái)看，如果我們的燈具在使用中出現(xiàn)故障，可以找任何一家電器修理店去更換損壞的LED，一顆0.06W的LED成本最多1元錢(qián)，加上維修費(fèi)也不超過(guò)5元，如果是更換1顆1W的LED，LED成本就要8元，加上維修費(fèi)用就要15元左右。而相對(duì)來(lái)講，小功率的LED市場(chǎng)上隨便一個(gè)電子市場(chǎng)都可以采購(gòu)到，大功率的則不一定哪里都可以買(mǎi)到。

　　LED走向大功率是一個(gè)市場(chǎng)趨勢(shì)，也是未來(lái)發(fā)展的主流，但目前由于技術(shù)上還未能達(dá)到我們所期望的結(jié)果，從技術(shù)角度講，目前還不太適合用于家庭照明。

　　散熱設(shè)計(jì)的重要性

　　LED本身是半導(dǎo)體器件，所有半導(dǎo)體器件正常工作都有一定的溫度要求，包括環(huán)境溫度和工作溫度。一般半導(dǎo)體器件正常工作的環(huán)境溫度都要低于80度，當(dāng)LED內(nèi)部的PN結(jié)溫度到達(dá)140度的時(shí)候，就會(huì)失效。正常工作時(shí)其自身的溫度會(huì)通過(guò)引腳或?qū)Ｓ玫鬃l(fā)出來(lái)，進(jìn)而再通過(guò)連接在引腳上的電路板或鋁基板向四周的空氣中散發(fā)出去，以保證LED的正常工作。一般來(lái)講單顆功率大于0.2W以上，都要采用鋁基板做散熱，再大功率還要增加鋁殼和鋁散熱片。當(dāng)然這與整個(gè)燈內(nèi)LED的數(shù)量和密度有關(guān)，過(guò)于集中的小功率LED同樣要考慮散熱設(shè)計(jì)。這如同于各位身邊的每一件電子產(chǎn)品，如：電視機(jī)、顯示器、計(jì)算機(jī)主機(jī)等。不正確的散熱設(shè)計(jì)會(huì)直接導(dǎo)致LED壽命縮短和加快光衰速度。

　　1.現(xiàn)在大部分的結(jié)溫上限都能做到120度左右，目前cree的應(yīng)該算是較高的，為150度。

　　2.燈珠熱阻根據(jù)封裝材料結(jié)構(gòu)不同而不同，有些多芯片的高達(dá)幾十，單芯片的一般都是個(gè)位數(shù)，頂多十幾，當(dāng)然這直接關(guān)系到結(jié)溫，算是關(guān)系到LED壽命，光效等的重要參數(shù)了。

　　3.目前大部分LED燈具設(shè)計(jì)壽命都是20000~50000H，這由許多因素決定，首先IC等的壽命就限制了整燈的壽命。

　　4.結(jié)構(gòu)布局上從散熱方面來(lái)說(shuō)其實(shí)就是接觸熱阻與導(dǎo)熱瓶頸的問(wèn)題，這涉及較多，不好列出。總的來(lái)說(shuō)就是結(jié)構(gòu)一體，大面積良好接觸。PCB上面燈珠盡量平均分布就是了，避免熱源集中。

　　5.驅(qū)動(dòng)效率當(dāng)然越高越好，布局上盡量原理最大熱源，也就是LED燈珠?？刹捎霉嗄z等方式，達(dá)到散熱固定絕緣的效果。

　　綜合考慮：良好的散熱設(shè)計(jì)溫升最好控制在35以下。結(jié)溫80以下。理論壽命50000以上。

　　目前的散熱設(shè)計(jì)難題

　　1.自然散熱受空間限制太大（輻射散熱本身影響較小，且受空間尺寸限制）。

　　2.自然散熱面積改善空間有限（對(duì)流散熱有限）。

　　3.目前都采用金屬部件做散熱器，較小空間內(nèi)熱傳導(dǎo)已經(jīng)足夠。（散熱器溫差較小，導(dǎo)熱系數(shù)影響較小）。

　　4.大部分的散熱設(shè)計(jì)都只能集中在燈珠選擇，散熱面積，界面接觸熱阻，輻射散熱上面。幾乎窮途末路。

　　5.目前狀況，散熱設(shè)計(jì)的突破點(diǎn)在燈具系統(tǒng)的散熱設(shè)計(jì)，是一個(gè)實(shí)際生產(chǎn)制造，材料配件，結(jié)構(gòu)造型與散熱設(shè)計(jì)各種經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的成果。