LED应用设计教程.

惠州市萤河光电科技有限公司(2012.12.20)LED设计浅谈目录LED台灯市场发展优势一LED台灯产品特性及质量要求二LED台灯设计思路三LED台灯结构设计方案（两个案例）四一、LED台灯市场发展优势目前市场上的台灯可分为四类：普通白炽台灯，卤素台灯、普通荧光粉节能台灯，LED台灯。各类台灯性能比较：1、采用普通的白炽灯泡或卤素灯的台灯：优点：价廉、发光连续性能好。缺点：耗能多，辅射热能。由于灯丝发光较集中，如果功率稍大就会产生眩光，反之，又会造成照度不够。2、采用普通荧光粉节能灯的台灯：优点：因荧光管发光面较大，从而被照射面光线较均匀，被照射物后影形较小，对眼睛较小干扰。缺点：显色指数低，频闪效应使眼睛容易疲劳。3、LED台灯：优点：以大功率LED(LightEmittingDiode)即发光二极管为光源。LED是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。大功率LED作为第四代电光源，赋有“绿色照明光源”之称，具有体积小、安全低电压、寿命长、电光转换效率高、响应速度快、节能、环保等优良特性。且产品能够结合装饰照明效果，性能稳定，安全环保，耗能极低，且造型多变，是非常理想的新一代环保节能台灯产品。缺点：大功率白光LED的转换效率还在改善，受光通量较小、成本较高等方面因素的制约，大功率白光LED前期的应用主要是一些特殊领域的特种工作灯具，中长期目标才是通用照明领域。LED台灯的发展前景：可以预计,在不久的将来,随着成本的不断下降,它的市场会有爆炸性的发展。大功率LED台灯将进入千家万户,成为我们每天工作生活的好伙伴。二、LED台灯产品特性和质量要求1、优质大功率LED光源特点：※发光效率高:大功率LED的发光效率已超过140lm/W，更由于LED的光谱几乎全部集中于可见光频段，光效率远远大于白炽灯、节能灯和荧光灯。※光线质量高，保健护眼:由于光谱中没有紫外线和红外线，故没有热量，没有辐射。采用低压恒流电源，无频闪，无眩光，照射面积广，亮度均匀，视觉效果好。真正做到了发光柔和、平稳、连续，接近自然光，是真正的理想光源。长时间阅读或工作不会有眼睛发疼发胀的现象。※显色性好:与荧光灯相比，大功率LED台灯的显色指数高，通常在80左右。这样有利于减少人眼的疲劳程度，对保护视力有很大帮助。※节能：光源采用大功率LED，能耗低，效率高。功率：3W-10W。※寿命长，经久耐用：LED寿命长，光通量半衰期寿命超过50000小时以上，一般正常使用30年以上。抗冲击和抗震能力强，没有钨丝、玻壳等易损坏的部件，非正常“报废”的可能性很小。※绿色环保:无紫、红外线和热辐射。废弃物可回收无污染；不像荧光灯含有汞成分。※体积小，灯罩造型多变:可以使灯具小巧精致，款式多样，更适合不同的使用场所。※雾化面板体现高品位质感:灯珠表面装雾化效果面板，质感好，能清晰辩别是LED产品。2、LED台灯高效能的光学系统台灯作为学习工作照明用具，需要一个优秀的高效能的光学系统。直观上应无眩光问题。不能让光线直线投射于眼睛。光线直接投射于眼睛，眼睛会有畏光感而容易疲倦，且瞳孔缩小而感觉周围变暗，进而导致视线不清。长时间在这种眩光照明环境下看书、写字，视力就会大大受损。影响LED台灯质量的光学因素介绍：※光通量φ：发光体每秒钟所发出的光量的总和。单位：流明（Lm），表示发光体发光的多少，发光愈多流明数愈大。※光强I：发光体在特定方向单位立体角内所发射的光通量。单位：坎德拉（cd）。※照度E：发光体照射在被照物体单位面积上的光通量。单位：勒克斯（Lux）=流明Lm/面积m2。※亮度L：发光体在特定方向单位立体角单位面积内的光通量。单位：尼脱（mcd）。※光效：电光源将电能转化为光的能力，以发出的光通量除以耗电量来表示。单位：每瓦流明（Lm/w）。※显色指数Ra：物体受到光源照明后的复原程度，用显色指数来衡量。在照度相同的情况下，显色好的光源比显色差的光源使人看得更清楚。※色温K：又称为颜色温度，以绝对温标K表示。在高色温的灯光下工作，人的醒觉度高，在低色温的灯光下有益于人休息。色温、照度与舒适度3、LED台灯安全的低压电路设计LED产品供电方式有多种，台灯一般情况下采用低压恒流驱动。采用恒流驱动方式，是比较理想的LED驱动方式，它能避免LED正向电压的改变而引起电流变动，同时恒定的电流使LED的亮度稳定。一般采用交流电驱动的光源具有频闪效应会使视觉神经受到不断变化的光强刺激容易疲劳，采用恒流驱动的LED能够发出稳定的光线，完全无频闪现象，使视觉感到十分舒适。台灯为安全低电压输入，避免了普通灯具因电路故障带来的安全事故。另，触控式台灯，能手触调节台灯的亮度。原理是电子触摸式ic与台灯触摸处之电极片形成一控制回路。当人体碰触到感应之电极片，触摸信号藉由脉动直流电产生一脉冲信号传送至触摸感应端，接着触摸感应端会发出一触发脉冲信号，就可控制开灯；如再触摸至换档完毕，触摸信号会再藉由脉动直流电产生一脉冲信号传送至触摸感应端，此时触摸感应端就会停止发出触发脉冲信号，当交流电过零时，灯自然熄灭。4、LED台灯良好的散热系统散热是影响台灯LED使用主要因素，大功率LED应用过程中器件和灯具的散热显得很是重要。需对LED封装和二次散热进行充分设计，采用中空带翅金属散热体和金属材质的灯罩散热，降低LED光源的热阻，能获得良好的整体热特性．5、LED台灯高档的结构设计大功率LED台灯产品设计时应充分利用大功率LED的特点和优势，在满足实用需求和最大限度地发挥光源功效的前提下，对灯具进行小型化设计，将灯具整体设计成小巧精致可以适合不同的使用场所。使灯具在外观造型上具有美观、舒服、耐用等美学效果又能够和环境相协调。灯具的结构件全部采用金属材质，给人以结实耐用和高档次的特点，体现出产品高档和现代感的特点。灯具的结构件运用塑胶材质，能做出色彩和造形丰富的结构，更符合家庭装饰、儿童客户群的要求。由于LED本身的优势以及高品位的灯具结构，我们将大功率LED台灯定位为高档台灯产品，广泛适用于办公和学习场所。目前市场对于台灯结构的要求可从两个方面划分:一是追求个性化，由于书桌在居住环境中的地位越来越重要，因此，书桌上的重要摆放也成为主人个性及爱好的体现；二是多功能性及保健性，无频闪。因此台灯已逐步向组合化、装饰化、情趣化、环保化方向发展。组合化：随着人们生活节奏的加快，一些方便实用、新颖美观的组合台灯正在市场上兴起，有闹钟与台灯组合的，有小型取暖与台灯组合的，有微型电讯与台灯组合的，还有把文件夹板、笔架、小风扇、文具盒、像片框与台灯组合的等等，使台灯更具有实用性。装饰化：装饰化台灯注重装饰效果，体现鲜明的艺术特色，使台灯成为一件具有实用性的艺术品。由于这些台灯不但具有现代工艺性，而且式样多变，工艺精湛，造型也别具匠心。质料上不再是单一塑料制品，还能采用不锈钢、铜、铝、玻璃等材料制成，风格各异。有乳白、橘黄、草绿、玫瑰红、湖绿等颜色，消费者可按房间装饰风格及家具风格来选购不同款式、质料的台灯，使台灯与室内布置形成一个完善的艺术整体。情趣化：情趣化台灯往往以小巧玲珑、想象丰富等特点而颇受青少年青睐。环保化：在未来的5至10年内，LED半导体灯具很可能成为下一代环保照明的主流产品。从2006年开始，国家已将半导体照明工程作为一个重大工程进行推动。这也为半导体环保节能台灯的推广应用提拱了良好的发展契机。6、LED台灯质量总要求：1.亮度要达标，桌面照明要有足够的照度，目前我国学校及写字楼等照明场所普遍采用的照明设计标准是80年代制定的，其中办公、学习的桌上照度标准仅为国际标准的1/2,国际标准为300-500勒克斯(lx)，而我国标准约150勒克斯。2.显色性要好，显色指数不低于80。3.发光效率要高，不低于50lm/W，节省电能。4.光源色温要适宜。低色温的光源偏黄，适合休息。高色温光源发白，冷色调使人兴奋。中间色温的光源比较柔和，适用于读书、工作。5.LED发光光线质量要高，光源发光稳定，不会产生频闪、眩光现象。6.抗冲击和抗震能力强，光通量半衰期寿命超过5万小时以上。7.光源PCB板灯珠排列合理，透光率不低于85%。8.散热系统要先进，降低LED光源的热阻，获得良好的整体热特性。9.低电压输入，避免灯具因电路故障带来的安全事故。10.LED台灯结构设计应注意安规要求。三、LED台灯设计思路大功率LED台灯产品应用是一个多个学科的融合,影响产品的因素很多,主要包括光学设计、大功率LED的性能和参数、散热设计、电路设计、结构设计、加工工艺、生产工艺等环节。在设计和生产过程中必须充分考虑相关因素,任何一个环节出现偏差都会影响产品的性能和效果。设计难题：电源光源散热结构Text电路设计光学设计散热设计工艺设计结构设计LED台灯设计要素LED台灯电路设计：首先要将高压的交流电变换成低压的直流恒流源，才能点亮LED光源。使用最经济有效的方法降压和进行交直流变换是设计的首要考虑，当今便携式电子产品使用交流电源的交直流降压变换器——适配器(Adapter)就成了既经济实惠、又现成、又好用的首选。适配器(Adapter)输出直流端体积小，与LED台灯底座、支架的连接面积小，更有利于轻薄、时尚、简约型台灯的结构设计。LED台灯光学设计：LED灯珠的选用性能参数，PCB印制电路板元件布局合理，布线能达到最佳的电器性能。LED灯珠焊接质量保证，以及PCB光源与供电低压电路的合理匹配。另，从结构上说，光源与灯罩结构的搭配很重要，最终需形成较好的桌面照度。LED灯珠的布列应对正在挡光板的居中位置，且PCBA板不能陷入灯壳太深，可在灯珠排列区四周增加斜坡面反射挡板，使LED光线完全反射到发光平面。灯罩光源遮光板应在材质和结构上多尝试改良，提高透光率，从而提高整灯照度，保证光学质量。设计思路：三、LED台灯设计思路LED台灯散热设计：LED发光热能传递一般路径为：LED金线-PCB电路板-散热系统-空气。一般而言，LED发光时所产生的热能若无法导出，将会使LED结面温度过高，进而影响产品生命周期、发光效率、稳定性，而LED结面温度、发光效率及寿命之间的关系，以下将利用关系图作进一步说明。图一为LED结面温度与发光效率之关系图，当结面温度由25℃上升至100℃时，其发光效率将会衰退20%到75%不等，其中又以黄色光衰退75%最为严重。此外，当LED的操作环境温度愈高，其产寿命亦愈低(如图二所示)，当操作温度由63℃升到74℃时，LED平均寿命将会减少3/4。因此，要提升LED的发光效率，LED系统的热散管理与设计便成为了一重要课题，在了解LED散热问题之前，必须先了解其散热途径，进而针对散热瓶颈进行改善。经由以上散热途径解释，可得知散热基板材料的选择于LED热散管理上占了极重要的一环。系统电路板是LED台灯散热系统中，最终将热能导至外壳或大气中的材料。近年来印刷电路板(PCB)的生产技术已非常纯熟，早期LED产品的系统电路板多以玻纤板PCB为主，但随着高功率LED的需求增加，玻纤板PCB之材料散热能力有限，使其无法应用于高功率产品。为了改善高功率LED散热问题，近期已发展出高热导系数铝基板(MCPCB)，利用金属材料散热特性较佳的特色（热传导率约为1-2.2W/mk），已达到高功率产品散热的目的。LED台灯工艺设计：LED台灯工艺设计对散热系统和光学系统有一定影响：LED台灯在加工及生产工艺中，应注意系统电路板与台灯光源外壳的安装应保持紧密接触，保证良好的散热途径。同时，加工和生产工艺中难免对LED灯珠会有人手、机械接触，对光学系统有潜在的风险。应注意不能对LED灯珠造成挤压、静电、化学腐蚀，或其它危害LED灯珠质量的事项。尽可能减少LED光源板在生产线上的工序周转时间。LED台灯工艺设计：LED台灯工艺设计对散热系统和光学系统有一定影响：LED台灯在加工及生产工艺中，应注意系统电路板与台灯光源外壳的安装应保持紧密接触，保证良好的散热途径。同时，加工和生产工艺中难免对LED灯珠会有人手、机械接触，对光学系统有潜在的风险。应注意