LED灯具的关键技术
陈俞荣浙大光电系
一．背景
1.行业背景
近年来LED照明产业的发展取得了突飞猛进的发展。随着全球民众节能意识的高涨，以及在相对较高的电价下，促使建筑、商业应用领域持续导入LED照明，而日本、北美、欧洲及中国大陆则成为主要应用市场。据了解,2010年全球LED照明市场规模达49.8亿美元，较2009年大幅成长46%。工研院IEK预估，2015年全球LED照明市场产值将上升至212亿美元，市场渗透率达15%。LED灯具具有节能环保、长寿命、高光效等特点，并以多样化、强调设计与流行、功能性为决胜关键，受到了市场的欢迎。随着LED照明灯具产业的发展，LED照明灯具产品成为了新一代的照明趋势。 2.LED灯具分类和优点
一般LED照明灯具产品分为户外照明和室内照明两大系列，户外照明系列包括LED路灯、LED隧道灯、LED投光灯，可用于小区、街道、道路、投光照明。室内照明包括LED筒灯、LED日光灯、LED格栅灯、LED球泡，适用于家居、商业、机关、学校、部队、医院、航天等领域的室内照明场所，以及节日灯饰、公园、舞台等，可普遍代替传统的各种吊灯、筒灯、日光灯、灯条等灯具。
LED照明灯具不管应用在户外还是室内照明都具有以下的五大特点：单乙醇胺
1）节能。采用高品质的LED光源，在同样的电能下1W 发的光相当于白炽灯的4-5倍，是节能灯2倍以上。mapgis6.7
2）环保。LED是半导体材料，无任何有害物质，可回收利用，因为属于固态，不易碎。
3）寿命长。LED灯具寿命正常使用下寿命普遍为节能灯的5倍以上。醉公主
4）光纯正。LED显指数(RA)比传统灯具要高，普遍达到75以上，传统灯大概是40-50.
5）可以工作在高速状态。节能灯如果频繁的启动或关断灯丝就会发黑很快的坏掉，LED属于半导体，可工作在高速开关状态。
二．LED灯具设计的关键问题
1.散热为LED灯具设计关键
一般常称LED为冷光源，这是因为LED的发光原理是电子经过复合直接发出光子，而不需要热的过程。但是由于焦耳热的存在，LED在发光的同时也有热量伴随。而与传统光源不同的是，钨丝灯等传统光源将热量集中在灯丝，但LED 的光源的热量却集中在发光二极管的PN结面上，两者相较起来，钨丝灯的散热面积仍远大于PN结界面的面积，甚至PN结面可以视为1个点，LED发光产生的热能全部集中在单一点上。在工程设计方面，“面”形式产生的热可用散热片或是自体增加热对流空间即可处理，但“点”状的热
源在散热处理就更为复杂与困难，处理不妥很容易造成PN 结面因高热、高电流出现击穿损坏，而组件长期处于高热，也会让产品的可用寿命受到影响。
另一方面，LED 晶粒为提升亮度表现，必须在单位LED 上施加更多电源功率，同时灯具设计也会采较多数量的LED 同时运行，这将使灯具内产生大量的热。当单颗LED晶粒随亮度提升，功耗也由0.1W提升到1、3、甚至5W，经LED 光源模型实测分析结果，封装模组也会因增加发光效能而出现热阻抗攀升的问题。
LED不同于白炽灯、荧光灯等传统照明光源，过高的温度会缩短甚至终止其使用寿命；原本单颗LED组件具
20,000—40,000小时寿命，可能因功率与散热处理不佳降至仅2,000小时。而且LED是温度敏感器件，当温度上升时，其发光效率急剧下降。所以系统结构设计及散热技术开发是LED灯具设计急需面对的课题。
光源在空间各个方向的光强分布即为配光，为了使LED芯片发出的光能够更好地输出，得到最大程度的利用，并且在照明区域内满足设计要求，需要对LED进行光学系统的设计。其中，在封装过程中的设计被称为一次光学设计，在使用LED发光器件时，整个系统的出光效果和光强、温的分布设计被称为二次光学设计，也叫二次配光。
LED灯具的二次配光设计，对最终的照明器件和工程的性能起着至关重要的作用。第一，部分光线未能达到有效的照明范围从而导致能量的损失，需要二次配光提高光能利用率；第二，封装之后，像面照度分布均匀性达不到设计要求，难以在每一点的照度值都大于要求的最低照度值，这都需要对LED灯具进行二次配光设计。
例如LED路灯，LED路灯配光是使光线尽可能投射到被照路面各个区域，获得符合道路照明要求的光分布。如果没有对LED路灯光源配光，照射在路面上的光型为面积较大的圆形光斑，会有部分光散落到路面之外而没有被利用，如图1(a)所示。为了满足对路面的亮度、照度、均匀度的要求，
结构性过剩
且尽可能使得大部分光都分布在道路面上以提高灯光的利用率，减少不必要的浪费，通常需要对LED路灯进行配光，LED路灯输出的光线照射在路面上所形成的光型或光斑以矩形为佳，如图1(b)所示。
a)未经配光(b)经配光后
图（1）LED路灯配光示意图
交巡警服务平台的设置与调度从LED路灯可以看出，配光设计是否准确到位是其能否替代传统光源的关键因素之一，研究LED灯具二次配光对今后
LED照明的系统设计研究具有重要意义。
微笑图书室3.LED灯具系统的可靠性是基础
LED光源，有人称它为长寿灯，作为固体发光器件，其理论寿命应在10万小时以上，使用寿命远比传统光源要长，因此在一些不易更换、维护的场合使用，维护成本可大大
降低。但是目前在许多实际应用中却无法看到这个优点，反而给使用者看到的是光衰严重，且寿命短，有的用不到1万小时就坏了。
例如，2009年开始的“十城万盏”示范项目全面催生了我国的室外照明市场，但是据有关部门统计，该项目中所使用的LED灯具有一小半出现了光衰严重乃至已经损坏的问题。若
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