智能LED照明系統(tǒng)設計流程探討

　　1） LED 為環(huán)氧樹脂包裹結(jié)構(gòu)，同時元器件封裝體積一般較小，無需考慮將燈管內(nèi)部空氣抽取再注入惰性氣體，因此在抗振動、抗沖擊性方面具有良好的性能，為生產(chǎn)、運輸及安裝等各個環(huán)節(jié)提供便利。

　　2） LED 的光線能量集中度高，指向性好，集中在較小的波長窗口內(nèi)，純度高，亮度衰減比傳統(tǒng)光源低很多。

　　3） LED 器件屬于固體冷光源，由于環(huán)氧樹脂封裝使得燈體內(nèi)部沒有易于松動的結(jié)構(gòu)，不存在燈絲發(fā)光易燒毀、熱沉積等缺點，普遍使用壽命在5 萬～ 10 萬h 之間，即使頻繁開關也不會影響到使用壽命。

　　4） LED 在生產(chǎn)過程中不添加“汞”，廢棄物可回收，光譜中沒有紫外線和紅外線，熱量低并且無頻閃、無輻射，可以安全觸摸，屬于典型的綠色照明光源。

　　5） LED 響應時間非?？?，在微秒級別。

　　6） LED 使用低壓直流電源即可驅(qū)動，超低功耗（ 單管功率為0. 03 ～ 1 W） ，對使用環(huán)境要求較低。

　　7） LED 可利用紅、綠及藍三基色原理，在計算機技術控制下使三種顏色具有256 級灰度并任意混合，即可產(chǎn)生16 777 216 種顏色，形成不同光色的組合，實現(xiàn)豐富多彩的動態(tài)變化效果及各種圖像。

　　二、LED 照明系統(tǒng)設計流程及注意事項

　　LED 照明系統(tǒng)設計的基本流程以及注意事項有以下幾點。

　　（ 1） 結(jié)合應用環(huán)境確認照明需求

　　由于現(xiàn)存的大部分照明燈飾基本都屬于傳統(tǒng)光源的范疇，如果全部將其丟棄而搭建全新的LED 照明系統(tǒng)將會是極大的浪費，因此客觀地分析現(xiàn)存燈飾的光學結(jié)構(gòu)，結(jié)合LED 的照明特點以及實際應用成本考慮是否替換或改進。

　　部分傳統(tǒng)光源采用經(jīng)燈罩內(nèi)部反射后再投射到路面的光學照明結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)源于傳統(tǒng)光源屬于全指向性光源，這樣在其燈罩內(nèi)部會造成不同程度的光學效率軟降低，使用指向性較好的LED 光源就可以避免此類問題的發(fā)生。將反射體設計、光學透鏡設計、高可靠的LED 電源設計及野外防雷電感應等關鍵環(huán)節(jié)納入到照明需求論證方案中進行論證。

　?。?2） 分析系統(tǒng)指標得出設計目標

　　在確認照明需求的前提下，計算總體光照需求以及配套設備（ 燈桿、燈頭以及太陽能光伏系統(tǒng)等） 的功耗，根據(jù)分析所得的環(huán)境參數(shù)選擇驅(qū)動、控制器件等級、殼體材料硬度以及柔韌度等參數(shù)。

　　由于我國已成為繼美國之后的世界第二大電力消費大國，對于用電緊張的地區(qū)需要考慮是否引入太陽能光伏供電系統(tǒng)，對于太陽能板的安裝角度問題可以采用通過多類型傳感器融合數(shù)字信號跟蹤算法、利用緯度大致估計傾斜度等方法，如下表所示。

表1 太陽能板安裝傾斜度緯度對照表

　?。?3） 參照元器件參數(shù)確定使用類型

　　結(jié)合元器件參數(shù)指標，選擇不低于最低指標要求的電子元器件，由于LED 光學照明系統(tǒng)屬于熱量影響光輸出的特殊系統(tǒng)，因此需要確認LED的驅(qū)動電流和結(jié)溫，這個環(huán)節(jié)需要實際測量而不能完全依賴技術手冊。

　　LED 照明測試參數(shù)一般包括光通量（ 單位時間內(nèi)光源輻射產(chǎn)生視覺響應強弱的能力，單位是流明） ; 照明效率（ 單位是流明每瓦） ; 相關色度（ 與具有相同亮度刺激的顏色最相似的黑體輻射體的溫度，單位是開氏度） ; 顯色指數(shù)，白熾燈的顯色指數(shù)定義為100，視為理想的基準光源。標準測試系統(tǒng)以8 種彩度中等的標準色樣來檢驗，比較在測試光源下與在同色溫的基準下此8 種標準色樣的偏離程度，以測量該光源的顯色指數(shù)，取平均偏差值Ra20 ～ Ra100，以Ra100 為最高，平均色差越大，Ra 值越低。低于Ra20 的光源通常不適于一般用途。

　　由于LED 自身的特點，要有效控制LED 的工作電流，同時降低最高工作環(huán)境溫度，否則將縮短LED 的使用壽命。

　　（ 4） 結(jié)合實際亮度計算LED 數(shù)量及組合方式

　　根據(jù)不同的驅(qū)動電路驅(qū)動負載能力和LED 實際流明量計算出需要的LED 數(shù)量。同時需要注意，驅(qū)動電路的電氣損失會降低總體照明效果，同時將輸入功率轉(zhuǎn)化為熱量，而且驅(qū)動器的效率會隨負載變化而變化，因此不能隨意改動設計方案的負載數(shù)量或連接方式。

　　在選取LED 顆粒時，由于各個廠家的制造工藝的差異致使各個LED 發(fā)光強度、驅(qū)動電流、承受最大電流以及發(fā)熱程度有所差異，容易造成某個LED 的損壞而導致整個照明系統(tǒng)的壽命縮短，因此建議采用動態(tài)驅(qū)動電路控制LED 陣列，同時盡量采用同廠家同批次的LED 顆粒。

　　在使用陣列LED 時需要注意LED 的組合方式，常用的一般是平面陣列型和圓球陣列型，由于LED 集成在高密度區(qū)域，因此要考慮到散熱問題的處理。

　　（ 5） 比較設計方案并權衡成本效益

　　由于LED 照明設計屬于逐步成熟階段，因此在設計時提出至少兩套備用方案，根據(jù)實際環(huán)境測試情況選擇適當方案，方案間的優(yōu)勢和劣勢要有互補性。

　　在戶外使用的燈具要考慮達到一定的防塵防水等級，同時考慮到散熱性問題，建議采用導熱板或?qū)艟咄鈿ぴO計為類似散熱器的機械結(jié)構(gòu)。

　　另外，LED 戶外照明系統(tǒng)光學特性直接影響其輸出功率、配光曲線和光斑均勻性，在高質(zhì)量應用方案的制定時需進行光學理論計算、計算機模擬及優(yōu)化、光學元器件精密加工和模具制造等環(huán)節(jié)，最終形成具備較好的均勻度，無熱點、眩光和光污染的光學系統(tǒng)。

　　這里需要注意重視照明成本。照明成本不僅涉及燈具的初始生產(chǎn)成本，還涉及燈具正常工作所需消耗能源的成本，當電燈無法正常工作時更換電燈所需的勞動成本。白熾燈的初始成本很低，但它們將電能轉(zhuǎn)換成光能的效率比較低，而且容易燒壞。計算LED 的照明成本時一般都假定：

　　LED 燈的光輸出降到一半時，LED 燈的使用壽命就終止，因此假定典型LED 燈的壽命是7. 5 萬h而非10 萬h，同時照明成本的計算參量成為生產(chǎn)資料成本、能源損耗成本、生產(chǎn)維護成本以及貨幣流通等資金價值的總和。

　?。?6） 投入工程實踐并反復論證改進

　　在工程實踐階段，對于PCB 板圖設計要考慮到散熱、防靜電和成本問題。采取樣機內(nèi)部試驗驗證光學指標、高低溫指標和電氣系統(tǒng)指標后送交第三方（ 例如國家電光源質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心、國家燈具質(zhì)量檢測中心等） 測試通過后再定型生產(chǎn)。

　?。?7） 監(jiān)督施工環(huán)節(jié)并定期維護檢測在LED 照明系統(tǒng)工程安裝過程中要注意

　　1） 電源配置。確認輸入電源是直流還是交流、是否配置漏電保護裝置和過載保護裝置。

　　2） 防水結(jié)構(gòu)。在戶外使用的LED 照明系統(tǒng)特別要考慮這類問題。

　　3） 實時監(jiān)測。安裝前要檢測產(chǎn)品是否破損。

　　4） 控制LED 數(shù)量。不允許隨意串接數(shù)量。

　　5） 燈具打孔需要認真討論。確保燈具防水、防塵和散熱良好。

　　上述LED 照明系統(tǒng)設計的基本流程以及注意事項是以太陽能光伏LED 路燈為例，但可以將所述設計流程和注意事項應用于其他LED 照明系統(tǒng)設計之中。

　　結(jié)束語

　　LED 照明系統(tǒng)作為新型高效固態(tài)光源、半導體照明光源具有無污染、壽命長、指向性好及便于運輸?shù)葍?yōu)點，已經(jīng)廣泛應用于醫(yī)院、商場、賓館飯店及學校等場所的照明系統(tǒng)，伴隨著智能電網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)技術及智能監(jiān)測控制系統(tǒng)的照明應用展現(xiàn)出LED照明系統(tǒng)蓬勃的生命力和廣闊的應用前景。

　　在設計、安裝及使用的過程中結(jié)合文中所述LED 照明系統(tǒng)設計流程以及注意事項將會有助于完善LED 照明系統(tǒng)設計方案，提高LED 照明系統(tǒng)設計的安全性和可靠性，加速LED 照明系統(tǒng)的商業(yè)化進程。