淺析LED光學(xué)設(shè)計的一些基礎(chǔ)要點

　　LED是點光源，不同于目前市場上的節(jié)能燈或白熾燈。點光源顧名思義也就是一個點發(fā)出的光亮，而這個點發(fā)出光還同時具有另一個重要特征，那就是只有一方向上有光（所有傳統(tǒng)的背面反光罩對于LED本身來說是沒有任何意義的）。如果我們想要用這種特殊的光來做照明使用，就必須對這個光進行一定的處理，才可以達到我們的要求和目的，所以我們要加上光學(xué)設(shè)計，把這個相對集中的點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)計的一種封裝形式，一方面它可以讓光線從一個集中的點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，但相對我們所熟悉的面光源來講，它依舊是一個點光源，因其亮度過于集中，如果人眼直接看向光源，還是會對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，我們還要進一步進其光線進行處理，再增加一定的光學(xué)設(shè)計，而達到人眼可以直接觀測的目的，同時柔和光線，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，給我們的感覺是屋頂上表現(xiàn)出來是一片漆黑，我們要利用燈具最外面的透明罩把光線再次分散開來，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，但其性價比并不佳。下面以我們以常見的幾種LED為例做一個分析。

　　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計算，如果要讓功率達到1W，我們需要用17個同樣的LED，其總亮度為17*6=102LM，也就是說可以做到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，這是亮度上的一個主要區(qū)別，由此可見，對于家庭使用來講，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，這來自于兩個方面，一是LED本身的造價，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到要求。

　　從產(chǎn)品日后維護成本來看，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，加上維修費也不超過5元，如果是更換1顆1W的LED，LED成本就要8元，加上維修費用就要15元左右。而相對來講，小功率的LED市場上隨便一個電子市場都可以采購到，大功率的則不一定哪里都可以買到。

　　LED走向大功率是一個市場趨勢，也是未來發(fā)展的主流，但目前由于技術(shù)上還未能達到我們所期望的結(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LED內(nèi)部的PN結(jié)溫度到達140度的時候，就會失效。正常工作時其自身的溫度會通過引腳或?qū)Ｓ玫鬃l(fā)出來，進而再通過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。當然這與整個燈內(nèi)LED的數(shù)量和密度有關(guān)，過于集中的小功率LED同樣要考慮散熱設(shè)計。這如同于各位身邊的每一件電子產(chǎn)品，如：電視機、顯示器、計算機主機等。不正確的散熱設(shè)計會直接導(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，有些多芯片的高達幾十，單芯片的一般都是個位數(shù)，頂多十幾，當然這直接關(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說其實就是接觸熱阻與導(dǎo)熱瓶頸的問題，這涉及較多，不好列出?？偟膩碚f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)動效率當然越高越好，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，達到散熱固定絕緣的效果。

　　綜合考慮：良好的散熱設(shè)計溫升最好控制在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?。?/p>

　　4.大部分的散熱設(shè)計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)計的突破點在燈具系統(tǒng)的散熱設(shè)計，是一個實際生產(chǎn)制造，材料配件，結(jié)構(gòu)造型與散熱設(shè)計各種經(jīng)驗相結(jié)合的成果。