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LED筒燈的光源與光學設計

日期:2013-08-07 10:54:39 人氣:

  LED筒燈的光源
  LED筒燈上的光源主要有三種:第一種是采用多顆中小功率的LED如3528、2835、3014、5050等1W以下的LED;第二種是采用數顆大功率燈珠,功率在1~3W的LED;第三種是采用一顆集成光源,也就是所謂的COB光源。三種不同光源各有優缺點。

  采用中小功率的LED作為筒燈的光源,因為LED的數量較多,能盡可能地布滿整個光源腔,這樣可以使得LED工作時轉化的熱量分布得更廣,便于散熱,同時也避免局部溫度過熱。同樣因為LED分布得比較分散,光源到出光面的距離可以設計得比較小,就能夠達到均勻光斑的效果,所以采用小功率LED來做筒燈可以將筒燈的高度設計得比較低。采用中小功率的LED也同樣存在不足,主要是體現在成本上。因為小功率的LED需要電路板進行電氣連接,通??紤]到散熱要求,采用鋁基板來進行電氣連接。同時小功率LED的數量較多,也需要采用貼片機來將LED貼在鋁基板上,這兩個方面都增加了整個燈具的成本。

  采用集成光源的LED來作為筒燈的光源,因為集成光源已經自帶電路板,在使用時僅需要固定即可,所以相比小功率的LED節省了鋁基板的成本和貼片的成本。但是集成光源在筒燈中的應用也會存在幾點不足,一是由于集成光源的功率比較大,LED在工作時,熱源比較集中,所以在散熱設計上的要求更高;二是集成光源的出光面比較小,為了避免在筒燈的出光面上產生光斑,通常需要集成光源到出光面的距離比較大,這就要求反光罩的高度比較高,所以采用集成光源的筒燈高度會比較高,整個燈具的體積自然就大了。

  采用大功率的LED作為筒燈的光源是考慮到小功率LED和集成光源LED的優缺點而采用的一種折中的方法。實際在設計LED筒燈時,選用哪一種燈珠來作為LED筒燈的光源并不是一定的,要綜合考慮整個性能和成本,作出全面的分析,才能確定采用什么樣的LED最合適。


  LED筒燈的光學設計
  筒燈作為普通照明和輔助照明通常在光學上并沒有很嚴苛的要求,大多數LED燈珠的光型(朗伯型)就可以滿足筒燈的光學要求,所以在筒燈的光學設計中,不需要特別地去改變LED的出光方向,像路燈和射燈一樣,需要透鏡來達到所要的出光角度。筒燈的光學設計就是盡可能地將光源腔內的光線反射出去,同時使得出光面上光斑均勻。

  對于采用小功率的LED設計而成的筒燈,在排列LED位置時,盡可能地將LED的分布面積增大均勻排布,一來熱源比較分散便于散熱,二來可以使得整個燈具的光型比較均勻,在出光面的透光罩上的光斑基本上可以達到均勻的效果。這里的透光罩因為僅僅是起保護光源的作用,所以盡可能選擇透光率高的材質來作為透光罩。同時為了提高整個燈具的出光效率,盡可能多地將LED發出的光反射到燈具外部,筒燈內部光源腔如圖所示。


  LED筒燈
  大部分LED發出的光是直接通過透光罩發射到筒燈外部的,還有一部分光是LED發射到周圍的反光罩上,然后經由反光罩再反射通過透光罩發射到筒燈外部的。這里的透光罩通常會選擇高透光率的材質,通常透光率在85%以上。而反光罩則根據不同的結構,選用的材質可能不同。在這里反光罩僅僅是一個光學部件的名稱,其有可能是一個零件,也有可能是某一個零件的一個面。因為要提高整個燈具的出光效率,所以反光罩也要經過一些光面處理,以提高其反射率。而透光罩的透光率不是1OO%的,從LED和反光罩發出的光經過透光罩后,仍有少量的光會被反射回去??梢钥吹椒瓷浠厝サ墓鈺l射到鋁基板上而被浪費,我們應該想辦法將這部分光再反射出去。有一個好的解決方法是提高鋁基板表面的反射系數。通常在生產鋁基板的時候,要求鋁基板的表面做噴白油處理,這樣就可以提高鋁基板表面的反射系數,讓反射回來的光再次反射出去。

  當然如果反光罩和鋁基板的反射系數沒法做得比較高的話,就可以采用另外的反射系數比較高的材質。這里介紹一種反射效率極高的反光板MCPET。MCPET反光板是日本古河電工株式會社發明的尖端節能科技新產品。日本古河電工花費十年時間開發出微發泡反射板(MCPET),協助燈具廠商解決眩光及亮度不均勻等問題,并且借由微發泡反射的高反射和擴散能力,在不增加光源的情況下,進而提升燈具的照度,視結構設計與應用,提升幅度可高達40%~60%。

  微發泡反射板的正式名稱為MCPET(micro cellular PET).采用PET (polyethyleneterephthalate)為基材進行發泡制程。MCPET具有下列優點:優異的光反射特性、輕巧、抗落下沖、承受高溫(在160℃下仍能保持形狀)、可利用PET資源回收方式廢棄處理、材料未使用有害原料以及表面具有高平滑性等。

  其中,古河電工新推出的MCPET R2 GRADE是使用古河電工(株)生產的原材料研發出的天花照明用反光片,它是一種將潔凈的二氧化碳注入發泡劑后,使用于制造飲料容器等可以循環利用PET樹脂發泡到5倍后制成的薄片。它具有出色的光學特點,對可視光的全反射率在99%以上,散射率在95%以上,可以高效地應用于日光燈以及所有使用了冷陰極的照明設備上。而且經過特殊的丙烯加工,和以往的MCPET RB(耐用年限為8年)相比更能經受紫外線的照射,耐用性在10~15年以上。被反射的光之中,99%里面有3%屬于鏡面反射(光澤),約96% 為眾多微細氣泡進行反射的漫射(亂反射)。
  在二次加工方面,可利用裁切、沖壓、彎曲加熱等方式進行成型。

  MCPET材料本身的難燃性符合發泡材料UL94-HBF的燃燒標準。此外,由于MCPET材科的絕佳特性,因此對于各波長光LED射能力都能夠維持均一性,在有忠實反射光原要求的情況下,更能發揮其特長。除了LED以及冷陰極燈管(CCFL)燈具之外,對于室內燈源以及廣告燈箱的應用方面,也能夠在減少燈管數量的情況下,維持所期望的亮度與照度,進而減少照明電費的支出,達到節約能源的目的。

  對于采用集成光源的筒燈的光學設計,其設計方法與小功率筒燈的光學設計相似。不同之處在于集成光源的發光面比較小。所以為了使得出光面的光斑比較均勻,就需要加大光源到出光面的距離。這也是我們在市面上看到大部分集成光源的筒燈,其高度比較高的原因。

  集成光源的筒燈內部光源腔原理和采用小功率的LED筒燈的光學原理是一樣的,大部分的光是直接通過透光罩發射到燈具外部的。這里的透光罩仍然是采用透光率較高的材質。為了能夠降低整個筒燈的高度,主要是降低反光罩的高度,因為降低了反光罩的高度也可以節省整個燈具的成本’可以利用前面所說的高反射系數的反光板來達到目的。

  首先要說明的一個條件是這里選用的透光罩并非高透光率材質的透光罩,而是透光率較低在60%左右的透光罩,選用低透光率的透光罩是為了消除透光罩上的不均勻光斑。雖然采用的是60%透光率的透光罩,并不說明整個燈具的出光率就低于60%。任何材質其光學性能都有這樣一個特點,透光率十反射率十吸收率=1。上例中的透光罩材質選用乳白色的PC罩,透光罩的厚度通常選用1~2mm,整個透光罩的吸收率是極低的,大概連1%不到,所以其余的30%多的光是反射回去的。而在整個光源腔的內部,除了光源的發光面以外,其余的表面都采用了反射率極高達到99%的MCPET材質,被反射回去的光又會通過MCPET反光板反射到透光罩上,這時又會重復出現大部分光直接投射出去,而一部分光又被反射回來。如此反復經過多次反射,整個燈具的出光效率會大大提高,遠遠地超過了60%,通常整體的出光效率達到85%以上是沒有問題的。由此可知,燈具的出光效率和透光罩的透光率沒有直接的聯系,并不是選用透光率越高的透光罩燈具的出光效率就越高。畢竟內部的光線并不是全部先通過透光罩發射到外部的,有很大一部分光是經過反射再經過透光罩發射到燈具外部的。所以要得到高的出光效率,還要提高反射部位零件的反射系數。

  選用大功率1~3W的LED作為筒燈的光源,其光學結構設計與上述兩種光源的光學結構基本上相同,這里就不再贅述了。

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