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知识:手把手教你计算光电参数,设计高光效产品(纯干货)
2016/4/1 9:33:28

作为一个光学设计师,在工作中经常遇到关于光电参数计算的问题,以前100lm/W灯管就是好产品,但随着LED的发展,要求也水涨船高,现在很多工程案例为了节能,光效从120涨到150、甚至180lm/W,让人非常头疼。

下面结合实例,谈一谈怎么设计一款光电满足要求的灯具。

标称值一般指产品稳定后的测试数据。

你首先必须知道灯具测试的标准,大部分灯具可以直接通过积分球完成光电测试,依据IESLM79提供的方法,需要待灯具稳定后来测试,至于一些参数虚标的产品可以无视。

图1.IES LM79中对灯具稳定的要求

为什么一定是稳定后的数据,大部分LED产品从瞬态到稳态都有一个衰减,而这些衰减很大,不能够忽视。
通过测试这些衰减大小,可以等到一个相对的热衰减系数,可以参看红字部分。

 

表2市场上8-9W球泡灯的测试参数

LED灯珠选型与测试

设计的时候,首先是LED选型,LED规格书好多页,让你眼花缭乱。主要有额定功率、光通量、电压、色温、显色指数、色容差等等。如果继续深究下去,支架有ppa、pct、emc几种,芯片尺寸有好多种,荧光粉、硅胶、金线、支架金属都有很大的猫腻,这些对光源寿命都有着很大影响。

对LED而言,最重要的就是额定电流下光通量,比如现在最常用2835颗粒,额定60mA的光通量24-26lm。那是不是我将100pcs该LED焊在灯条上,60mA测试时光通量就是240-260lm?

答案是否定的,以下是一些误差的来源,最后测试报告一定是以自己仪器测试为准,所以就需要弄清楚这些系数。

表3 一些误差汇总

然而这些系数有时候推算比较麻烦,也少不了很多一对一测试。所以我的思路是,直接将厂商的标准LED灯珠焊在灯板上,用大积分球测试,直流供电,测试多个电流下的数据。

如果你设计一款常规的产品,对光效没有要求,额定电流下测试就可以了。但如果你需要更高光效的产品,那些方法就不适用了,要么选择更亮的灯珠,要么就是降低电流使用,更多的时候两者需要结合来使用。

表4 一款颗粒的测试数据

  LED灯珠数量计算

做好以上一些工作后了,你还缺少两个重要的参数,一个是灯具电源转换效率,另外一个就是灯具的光学效率,可以通过如下公式计算,有时候面对全新的灯具无从入手,可以根据经验进行一些估算。

电源效率=LED电压×通过LED的电流÷输入功率

光学效率=灯具光通量÷裸光源测试光通量

注.以上均为瞬态测试

下面就开始正式的计算步骤:

1、确定设计光效;

假设客户要求是13W1800lm,那么此时光效要求就是139lm/W

2、确定使用颗粒的电流:

影响光效的主要有透光率、灯珠本身、热衰减系数(光通量衰减、VF衰减),公式如下:

LED灯珠光效×透光率×衰减系数×电源效率=灯具光效

比如现在需要做的灯管,透光率94%,瞬态到稳态光效衰减1.5%,电源效率90%,灯珠光效即139lm/W÷0.94÷0.985÷0.9=167lm/W。通过查表,得到一个合适的电流55mA

3、确定灯珠数量

单颗灯珠功率×数量=灯具功率×电源效率×衰减系数

电流确定后,查表可以得到单颗功率0.153W。数量=13×0.9×0.975÷0.153=75颗,但这个数量不能直接使用,因为还要考虑电源的参数,搭配合适的串并联,得到最终一个准确的数值:40串2并。

注.有可能计算需要的很少颗粒数,但使用起来会明显的颗粒感,所以这样的设计也是不合理的。


进阶篇-计算工具设计

通过以上过程,你能算出各种LED灯珠方案。但有时候经常需要计算不同厂商的不同灯珠,从而比较哪种方案更优,重复的计算也是很麻烦的一件事,所以交给excel会方便很多。

首先对原始数据整理,可得如下两个曲线,如果要求不高,可以采用线性拟合,即y=ax+b。为了更加精确,我此处采用的二项式拟合,y=ax2+bx+c。

图5电流与正向电压、光效的关系

通过电流,将灯具的所有参数联系起来,通过表格设计,就可以更加简单的计算光效了。后续也可以增进一些亮度BIN、电压BIN、电源恒流精度等参数,计算整批产品的参数范围。

表6计算表格与光源数据库

结语:高光效LED是未来趋势

LED的在使用过程中,将电转化为光的比例在40%左右,而其他能量用于发热,还有很大的空间去提高这一数值,理论上LED的光效极限是300多。随着光效的逐年提升,LED会越来越节能,发热量也会大大降低,甚至以后都不需要单独的散热器。

在高光效产品的设计中,性能和成本始终很矛盾,只能综合各部分,从而达到一个平衡,以下一些个人经验,可以供大家参考,有不足之处请指出:

1、使用更好的光源,并将光源降低电流使用,从某种程度是可以达到目标,但成本也会成倍增加

2、提高光学效率,比如PCB使用高反射白油,金属反射杯表面处理,降低PC雾度,使用更好的扩散粒子,通过这些优化,球泡灯和灯管的光学效率可以达到97%

3、优化电源效率,现在非隔离的效率一般都是90%,通过某一点的优化,还能够提升2%

4、创造更好的散热条件,从文章一开始就知道,灯具从瞬态到稳态的过程,光通量会瞬时很多,如果加大散热结构,使用铝基板并增大敷铜面积,无疑能够提升稳态的光通量。

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