白光LED光源在实际应用中需注意的问题

　　led（ Light Emitting Diode） 是一种节能、长寿命、环保型的新光源，随着LED 光源技术的快速发展及生产成本的下降，其在照明领域的使用比例逐渐加大。如果用LED 照明光源取代目前传统照明光源数量的50% ，每年我国节省的电量就相当于一个三峡电站发电量的总和，其节能效益十分可观。LED 光源在照明市场的前景已令全球瞩目，它正在给照明领域带来一场全新的绿色革命。

　　将LED 作为接入市电的照明光源，在实际操作中，还存在一系列有待优化的问题：

　　（1） LED 驱动方式为恒流驱动，如此方能保证其发光强度均匀一致；

　　（2） 由于LED 的性能受温度影响会发生较大变化、甚至损坏，所以必须解决其散热问题；

　　（3） 单颗LED 灯珠（ 芯片） 可近似为点光源，在作为照明光源时，必须改善其光线在各个方向的出射角度，使人眼更容易长时间接受。

　　1 恒流驱动

　　图1 所示为1W 级大功率LED 芯片在输入为正向电压时的伏安特性曲线。

　　实际测得此芯片的开启电压近似为Uon = 2. 3V，而一旦LED 导通后，其中流过的电流与其两端接入的电压近似按照指数规律增长，其关系可表示为：

　　式中，i 为流过的电流；Is为反响饱和电流；q 为电子的电量；u 为两端电压；k 为玻耳兹曼常数；T 为热力学温度。由图1 和式（1） 可知，若采用恒压驱动，则当两端电压存在微弱的波动时，通过的电流将会发生急剧的变化，显然这对LED 本身的性能也是一种削弱，由后面的分析也会得知，这对发光强度也会造成较大的影响，显然这在照明领域是不允许的。

　　2 合适工作电流的选取

　　在恒流输入的工作环境下，将1W 级大功率LED芯片放在暗箱中，线性改变输入电流，用照度计测出光照度与输入电流的变化关系，绘出如图2 所示的关系曲线，光照度随着电流的上升基本呈现线性增长的趋势。

　　计算在相应电流下的输入电功率P = UI，测出光通量Ф，则可计算出各组的发光效率η = Ф /P。绘出发光效率随输入电流的变化曲线如图3 所示，在输入电流稳定上升时，1W 级大功率LED 芯片的发光效率是呈下降趋势的。

　　综合考虑上述两种情况，即兼顾光照度以及发光效率，选取合适的驱动电流I，从而使LED 照明光源同时满足足够的亮度和相当高的发光效率。方法如下，横坐标依旧选择输入电流值，而纵轴分别进行归一化处理，作出两条曲线，而曲线的交点对应的电流值即为所要选取的合适工作电流值，此处I = 332mA，如图4 所示。

    3 灯具散热分析

　　对于由1W 级大功率LED 芯片组成的光源，其发热问题是不容忽视的，未及时散热不仅导致LED芯片的发光效率急剧下降，同时有可能使芯片烧毁，造成严重损失，因此必须考虑合适的散热方案。

　　热量的传递主要有3 种方式：热传导、热对流和热辐射。由LED 芯片制作的照明灯具主要是利用热传导和热对流方式进行散热的。热传导过程为LED芯片的铝基板→灯具外壳→金属散热片，芯片与铝基板、基板通过硅胶与灯具外壳、灯具外壳与散热片之间存在空气泡（ 制作工艺造成） 能够传热；而热对流主要是依靠散热片与空气间的对流使热量散出。

　　散热主要有两种方式：被动式散热和主动式散热。其中主动式散热主要是通过风扇等类似装置增加散热片表面的空气流动速度，以便快速带走散热片上的热量，进而提高散热效率。被动式散热是指依靠灯具（ 高导热铝材料） 自身的外表面与空气的自然对流将LED 产生的热量散出。这种散热方式设计、组装简单，并且易与灯具的机械结构设计结合起来，比较容易达到灯具的防护等级要求，并且成本较低，是目前广泛采用的一种散热方式，本文重点讨论被动式散热的有效性。

　　在被动式散热中，选择合适的散热片至关重要，其主要参数有：材料、高度、散热片面积、散热片沟槽间距等。就材料而言，导热性能由高到低排列依次是：银、铜、铝、钢，银价格昂贵；铜的价格仍稍贵，并且加工难度大、容易氧化；而铝虽然价格便宜，但其导热性能却不及铜的50%。所以一般而言，常采用的散热片材质是铜铝合金，既能保持成本低廉，同时还具有较高的导热性能。对于散热片的表面积而言，有效表面积越大，其散热效果越好。散热片高度H 以及沟槽间距D 主要影响空气流通，若是其比值D /H 非常小，即形成一个很窄的沟槽，则结果是沟槽中的空气很难与外界中的气体流通，这样对于整个灯具系统而言，其散热效果会相对差很多。所以对于一个散热片而言，需要综合材料性能、灯具封装尺寸、整体散热效果来选择或是设计专门的散热片。

　　为了进一步改善LED 灯具的散热效果，一般采用在LED 基板上涂抹导热硅脂或是导热硅胶的方法。这种方式虽然成本比较低，但是存在涂抹不均匀又不容易固定、导热性能差（ 导热系数较低，往往低于5W/m·K） 等问题。导热垫片是一种性能更优的导热材料，它的导热系数可以达到10W/m·K，且其导热效果与其整体面积成正比。另外，减小LED 与散热片的间距，将LED 固定在散热片上，使散热垫片作为中间载体也是一种不错的选择。

　　4 光线分布

　　单片1W 级大功率LED 芯片可近似视为点光源。大部分LED 的配光曲线都是呈朗伯（ Lanmbertian distribution） 形分布，即中心光强比较强，而且是对称的圆形光斑分布，不可直接用于照明。

　　在实际生活中，需要的是一种有效发光面积大，光强度和照度均匀的面光源，同时又避免产生眩光。

　　为了更好地利用LED 进行照明，需要对其光线进行重分布和改善。商品化的照明白光LED 采用内置的反射器和封装树脂等已经形成了一次光学系统，使得其光输出具有固定的形式。尽管如此，其光出射角度还是很小，难以满足正常照明的需求，因此有必要对其进行二次光学设计。

　　首先，对于LED 而言，增大其光出射角度可以组合使用反射罩和透镜，常用的反射罩形状有抛物面、椭球面、双曲面、半球面等，其反射原理如图5 所示。

　　有时经过反射罩后，输出光线角度扩大，光线经过足够的混合后，出射的光强度和照度也达到均匀性要求。但是，对于大多数情形，这是远远不够的，没有充分利用光输出量，同时在出光面的边缘也会产生眩光等令人不舒服的光线。基于上述原因，需要进一步使用控光元件，如光透镜、均光片以及遮光器等。常用的光透镜有凸透镜或菲涅尔透镜、凹透镜或楔形透镜等，其光线方向转变如图6 所示。

　　为了进一步保证光照度的均匀性，也常常通过添加均光片的方法，通过其漫反射的作用，将单片或多片组合发光不均匀的LED 的光输出进行均匀处理，获得均匀的照度。另外配合使用遮光器，可以防止不必要的眩光刺眼以及进行光输出的二次分配，提高被照明环境的舒适度。

　　目前单片1W 级LED 高端芯片产品的发光效率约为100 lm /W 左右，作为照明光源，其光亮度是不够的，此时需要多片组合。白炽灯的发光效率是10lm /W，家庭用60W 的白炽灯照明即已足够，对比可知用6 片1W LED 串联组合（ 亮度要求高时可以串联更多） 形成的LED 阵列更利于光照度的均匀，同时还能保证较高的亮度。

　　针对LED 阵列的实际情况，可以配合着使用反光罩和光透镜。对于出现的刺眼眩光，可以相应使用遮光器来消除。其中需要注意的是，在经过多次反射使光线混合均匀的过程中，为防止过多的光损失，提高发光效率，需要在散热片上喷上反光漆，同时在反光罩的内侧面镀上反射率高的膜。

　　结合LED 发光特性设计出合适的灯具，既能有效提高光源的利用率，又能减少光污染，保护人眼健康，使LED 作为下一代绿色照明光源成为可能。

　　5 结语

　　LED 照明光源具有独特的电、光、热等特性，在其应用设计中需要综合考虑驱动方式、合适电流的选择、散热、改善光线分布等等因素，本文较为详尽地介绍了目前解决上述问题的种种方案。在具体使用中，需要结合相应的使用环境加以应用。可以相信，随着LED 技术的不断发展、进步以及LED 照明灯具设计的日臻完善，更多更新更好的照明产品将层出不穷，真正迎来LED 光源在照明领域的革命浪潮。