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手把手教你計算光電參數,設計高光效產品(純干貨)


添加時間:2016-10-23 | 返回首頁
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  作為一個光學設計師,在工作中經常遇到關于光電參數計算的問題,以前100lm/W燈管就是好產品,但隨著LED的發展,要求也水漲船高,現在很多工程案例為了節能,光效從120漲到150、甚至180lm/W,讓人非常頭疼。

  下面結合實例,談一談怎么設計一款光電滿足要求的燈具。

  標稱值一般指產品穩定后的測試數據。

  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IESLM79提供的方法,需要待燈具穩定后來測試,至于一些參數虛標的產品可以無視。

  圖1.IES LM79中對燈具穩定的要求

  為什么一定是穩定后的數據,大部分LED產品從瞬態到穩態都有一個衰減,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,可以參看紅字部分。

 

  表2市場上8-9W球泡燈的測試參數

  LED燈珠選型與測試

  設計的時候,首先是LED選型,LED規格書好多頁,讓你眼花繚亂。主要有額定功率、光通量、電壓、色溫、顯色指數、色容差等等。如果繼續深究下去,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,最重要的就是額定電流下光通量,比如現在最常用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,最后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。

  表3 一些誤差匯總

  然而這些系數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據。

  如果你設計一款常規的產品,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合來使用。

  表4 一款顆粒的測試數據

  LED燈珠數量計算

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

  電源效率=LED電壓×通過LED的電流÷輸入功率

  光學效率=燈具光通量÷裸光源測試光通量

  注.以上均為瞬態測試

  下面就開始正式的計算步驟:

  1、確定設計光效;

  假設客戶要求是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(光通量衰減、VF衰減),公式如下:

  LED燈珠光效×透光率×衰減系數×電源效率=燈具光效

  比如現在需要做的燈管,透光率94%,瞬態到穩態光效衰減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、確定燈珠數量

  單顆燈珠功率×數量=燈具功率×電源效率×衰減系數

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

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


  進階篇-計算工具設計

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

  首先對原始數據整理,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。為了更加精確,我此處采用的二項式擬合,y=ax2+bx+c。

  圖5電流與正向電壓、光效的關系

  通過電流,將燈具的所有參數聯系起來,通過表格設計,就可以更加簡單的計算光效了。后續也可以增進一些亮度BIN、電壓BIN、電源恒流精度等參數,計算整批產品的參數范圍。

  表6計算表格與光源數據庫

  結語:高光效LED是未來趨勢

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

  在高光效產品的設計中,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,通過這些優化,球泡燈和燈管的光學效率可以達到97%

  3、優化電源效率,現在非隔離的效率一般都是90%,通過某一點的優化,還能夠提升2%

  4、創造更好的散熱條件,從文章一開始就知道,燈具從瞬態到穩態的過程,光通量會瞬時很多,如果加大散熱結構,使用鋁基板并增大敷銅面積,無疑能夠提升穩態的光通量。


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