LED光学设计 LED基础知识

LED是点光源，与现在市场上的节能灯或白炽灯泡不同。点光源如其名，是从一个点发出的光，从该点发出的光同时具有另一个重要特征（以往的背面反射盖对LED自身来说毫无意义）。要将这种特殊的光作为照明来使用，必须要将这种光进行一定的处理，因此不能达到我们的要求和目的，所以要加上光学设计，将这种相对集中的点光源变成具有一定角度的散光。这是众所周知的草帽LED，草帽LED是以照明设计为专业的包装形式。另一方面，可以将光线从一的集中点光源改变为具有一定角度的散射光源，但具有较少的光衰减效果，可以使用更多光透射出来。

草帽LED在光学角度实现了质的飞跃，但与我们所熟知的面光源相比，它仍然是点光源，亮度过于集中，所以人们的眼睛直接看光源会对我们的眼睛造成一定的伤害。所以LED照明在应用于家庭照明中，我们进一步处理了它的光线，再增加一定的光学设计，更达到了人眼可以直接观测的目的，同时柔和的光线，一边又扩大了它的照射角度，虽然草帽LED本身已经达到了120度的范围如果直接应用于家庭照明，会让我们感到在屋顶上表现的黑暗。必须利用灯具最外面的透明罩，使光再次分散，以适应正常的家庭照明。

大功率与小输出LED的不同

LED随着技术的不断发展，人们为了适应大面积的照明而开发出越来越大的单粒LED芯片，目前世界上最先进的已经可以单粒LED电力在200W以上，电力可以变大，但是其性价值比不好。接下来，以一般的几个LED为例进行分析。

目前，业界内大量使用的是单一的0.06W的电力，其亮度最大可以达到7LM。我们暂时用普通的6LM计算。如果要使电力成为1W，需要使用17个同样的LED。其总亮度为17*6=102LM。也就是说，可以设定为100LM/W。如果我们把单个芯片的功率调到1W，其输出亮度最高可达80LM。经常使用的是60LM左右。这是亮度的主要差异，可以看出在家庭中使用选择小输出LED是适当的。

从产品成本的观点来看，大功率的LED成本比小功率的成本高，这来自两个方面。一个是LED自身的价格，二个是大功率的LED加铝散热片，小功率仅使用普通的电路板，就可以通过施加自然散热来达到要求。

从产品今后的维护成本来看，如果我们的灯具在使用中出现故障，可以找哪家维修店换坏了LED，一粒0.06W的LED成本最大为1元，维修费也不超过5元，换一粒1W的LED，LED成本为8元加上修理费用的话需要15元左右。相比之下，在小功率的LED市场上，任何电子市场都可以买到，在大功率的市场上不一定哪里都能买到。

LED趋势大功率是市场趋势，也是将来发展的主流，但是现在还没有达到技术期待的结果，所以在技术上不适合家庭照明。

散热设计的重要性

LED其本身是半导体装置，为了使所有半导体装置正常工作，有包含环境温度及动作温度的一定的温度要求。一般来说，半导体器件正常工作的环境温度小于80度，LED内部的pN结温度达到140度则失效。当正常操作时，其自身的温度经由销或专用基片发射，并且经由连接到销的电路基板或铝基板发射到周围的空气中，以保证LED的正常操作。一般来说，当单个功率大于0.2W时，使用铝基板散热，并进一步增加大功率铝壳和铝散热片。当然，这与整个灯LED的数量和密度有关，过于集中的小功率LED也必须考虑散热设计。这是像电视、显示器、电脑主机等身边的电子产品一样的东西。不精确的散热设计直接导致LED寿命缩短和光衰减速度加快。

1.现在，大部分结温的上限都是120度左右，现在CREE的上限应该是150度左右。

2.灯珠的热阻根据封装材料的结构而不同，达到几个多芯片的数十个，单个芯片的一般比特数为十几个，当然这是直接关系到结温、LED寿命、光效应等的重要参数。

3.目前，灯具的设计寿命大部分为20000~500H，这是由很多因素决定的，首先IC等寿命限制了整个灯具的寿命。

4.在结构配置上，从散热方面来说，实际上接触热阻是导热瓶颈的问题，这与很多事情有关，很难列出。总的来说，结构是一体的，大面积接触良好。PCB上面的珠子尽可能平均分布就可以了，所以不要集中热源。

5.驱动效率当然越高越好，布局上尽可能原理上是最大热源led灯珠。采用填充橡胶等方式，可以达到散热固定绝缘的效果。

综合考虑，良好的散热设计的温度上升优选控制在35以下。结温80以下。理论寿命50000以上。

目前散热设计的难题

1.自然散热空间限制过大辐射散热其自身影响较小，受空间尺寸限制）。

2.自然散热面积改善空间有限（对流散热有限）。

3.目前，金属部件作为散热器采用，小空间的热传导足够。（散热器的温度差小，导热系数影响小。

4.大多数散热设计只能集中在灯珠选择、散热面积、界面接触热阻、辐射散热上。几乎被逼入绝境。

5.目前情况下，散热设计的突破点是照明设备系统的散热设计，是结合实际生产制造、材料部件、结构造型和散热设计的各种经验的成果。