將LED 作為接入市電的照明光源,，在實(shí)際操作中，還存在一系列有待優(yōu)化的問(wèn)題：
?。?）LED 驅(qū)動(dòng)方式為恒流驅(qū)動(dòng),，如此方能保證其發(fā)光強(qiáng)度均勻一致；
?。?）由于LED 的性能受溫度影響會(huì)發(fā)生較大變化,、甚至損壞，所以必須解決其散熱問(wèn)題,；
?。?）單顆LED 燈珠（ 芯片） 可近似為點(diǎn)光源，在作為照明光源時(shí),，必須改善其光線在各個(gè)方向的出射角度,，使人眼更容易長(zhǎng)時(shí)間接受。
1 恒流驅(qū)動(dòng)
圖1 所示為1W 級(jí)大功率LED 芯片在輸入為正向電壓時(shí)的伏安特性曲線,。
實(shí)際測(cè)得此芯片的開(kāi)啟電壓近似為Uon = 2. 3V,，而一旦LED 導(dǎo)通后，其中流過(guò)的電流與其兩端接入的電壓近似按照指數(shù)規(guī)律增長(zhǎng),，其關(guān)系可表示為：
式中,，i 為流過(guò)的電流；Is為反響飽和電流,；q 為電子的電量,；u 為兩端電壓；k 為玻耳茲曼常數(shù),；T 為熱力學(xué)溫度。由圖1 和式（1） 可知,，若采用恒壓驅(qū)動(dòng),，則當(dāng)兩端電壓存在微弱的波動(dòng)時(shí)，通過(guò)的電流將會(huì)發(fā)生急劇的變化，顯然這對(duì)LED 本身的性能也是一種削弱,，由后面的分析也會(huì)得知,，這對(duì)發(fā)光強(qiáng)度也會(huì)造成較大的影響，顯然這在照明領(lǐng)域是不允許的,。
引言
led（ Light Emitting Diode） 是一種節(jié)能,、長(zhǎng)壽命、環(huán)保型的新光源,，隨著LED 光源技術(shù)的快速發(fā)展及生產(chǎn)成本的下降,，其在照明領(lǐng)域的使用比例逐漸加大。如果用LED 照明光源取代目前傳統(tǒng)照明光源數(shù)量的50% ,，每年我國(guó)節(jié)省的電量就相當(dāng)于一個(gè)三峽電站發(fā)電量的總和,，其節(jié)能效益十分可觀。LED 光源在照明市場(chǎng)的前景已令全球矚目,，它正在給照明領(lǐng)域帶來(lái)一場(chǎng)全新的綠色革命,。
將LED 作為接入市電的照明光源，在實(shí)際操作中,，還存在一系列有待優(yōu)化的問(wèn)題：
?。?）LED 驅(qū)動(dòng)方式為恒流驅(qū)動(dòng)，如此方能保證其發(fā)光強(qiáng)度均勻一致,；
?。?）由于LED 的性能受溫度影響會(huì)發(fā)生較大變化、甚至損壞,，所以必須解決其散熱問(wèn)題,；
（3）單顆LED 燈珠（ 芯片） 可近似為點(diǎn)光源,，在作為照明光源時(shí),，必須改善其光線在各個(gè)方向的出射角度，使人眼更容易長(zhǎng)時(shí)間接受,。
1 恒流驅(qū)動(dòng)
圖1 所示為1W 級(jí)大功率LED 芯片在輸入為正向電壓時(shí)的伏安特性曲線,。
實(shí)際測(cè)得此芯片的開(kāi)啟電壓近似為Uon = 2. 3V，而一旦LED 導(dǎo)通后,，其中流過(guò)的電流與其兩端接入的電壓近似按照指數(shù)規(guī)律增長(zhǎng),，其關(guān)系可表示為：
式中，i 為流過(guò)的電流,；Is為反響飽和電流,；q 為電子的電量；u 為兩端電壓,；k 為玻耳茲曼常數(shù),；T 為熱力學(xué)溫度,。由圖1 和式（1） 可知，若采用恒壓驅(qū)動(dòng),，則當(dāng)兩端電壓存在微弱的波動(dòng)時(shí),，通過(guò)的電流將會(huì)發(fā)生急劇的變化，顯然這對(duì)LED 本身的性能也是一種削弱,，由后面的分析也會(huì)得知,，這對(duì)發(fā)光強(qiáng)度也會(huì)造成較大的影響，顯然這在照明領(lǐng)域是不允許的,。
2 合適工作電流的選取
在恒流輸入的工作環(huán)境下,，將1W 級(jí)大功率LED芯片" title="LED芯片">LED芯片放在暗箱中，線性改變輸入電流,，用照度計(jì)測(cè)出光照度與輸入電流的變化關(guān)系,，繪出如圖2 所示的關(guān)系曲線，光照度隨著電流的上升基本呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)的趨勢(shì),。
計(jì)算在相應(yīng)電流下的輸入電功率P = UI,，測(cè)出光通量Ф，則可計(jì)算出各組的發(fā)光效率η = Ф /P,。繪出發(fā)光效率隨輸入電流的變化曲線如圖3 所示,，在輸入電流穩(wěn)定上升時(shí)，1W 級(jí)大功率LED 芯片的發(fā)光效率是呈下降趨勢(shì)的,。
綜合考慮上述兩種情況,，即兼顧光照度以及發(fā)光效率，選取合適的驅(qū)動(dòng)電流I,，從而使LED 照明光源同時(shí)滿足足夠的亮度和相當(dāng)高的發(fā)光效率,。方法如下，橫坐標(biāo)依舊選擇輸入電流值,，而縱軸分別進(jìn)行歸一化處理,，作出兩條曲線，而曲線的交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電流值即為所要選取的合適工作電流值,，此處I = 332mA,，如圖4 所示。
3 燈具散熱分析
對(duì)于由1W 級(jí)大功率LED 芯片組成的光源,，其發(fā)熱問(wèn)題是不容忽視的,，未及時(shí)散熱不僅導(dǎo)致LED芯片的發(fā)光效率急劇下降，同時(shí)有可能使芯片燒毀,，造成嚴(yán)重?fù)p失,，因此必須考慮合適的散熱方案。
熱量的傳遞主要有3 種方式：熱傳導(dǎo),、熱對(duì)流和熱輻射,。由LED 芯片制作的照明燈具主要是利用熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流方式進(jìn)行散熱的,。熱傳導(dǎo)過(guò)程為L(zhǎng)ED芯片的鋁基板→燈具外殼→金屬散熱片，芯片與鋁基板,、基板通過(guò)硅膠與燈具外殼、燈具外殼與散熱片之間存在空氣泡（ 制作工藝造成） 能夠傳熱,；而熱對(duì)流主要是依靠散熱片與空氣間的對(duì)流使熱量散出,。
散熱主要有兩種方式：被動(dòng)式散熱和主動(dòng)式散熱。其中主動(dòng)式散熱主要是通過(guò)風(fēng)扇等類似裝置增加散熱片表面的空氣流動(dòng)速度,，以便快速帶走散熱片上的熱量,，進(jìn)而提高散熱效率。被動(dòng)式散熱是指依靠燈具（ 高導(dǎo)熱鋁材料） 自身的外表面與空氣的自然對(duì)流將LED 產(chǎn)生的熱量散出,。這種散熱方式設(shè)計(jì),、組裝簡(jiǎn)單，并且易與燈具的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)合起來(lái),，比較容易達(dá)到燈具的防護(hù)等級(jí)要求,，并且成本較低，是目前廣泛采用的一種散熱方式,，本文重點(diǎn)討論被動(dòng)式散熱的有效性,。
在被動(dòng)式散熱中，選擇合適的散熱片至關(guān)重要,，其主要參數(shù)有：材料,、高度、散熱片面積,、散熱片溝槽間距等,。就材料而言，導(dǎo)熱性能由高到低排列依次是：銀,、銅,、鋁、鋼,，銀價(jià)格昂貴,；銅的價(jià)格仍稍貴，并且加工難度大,、容易氧化,；而鋁雖然價(jià)格便宜，但其導(dǎo)熱性能卻不及銅的50%,。所以一般而言,，常采用的散熱片材質(zhì)是銅鋁合金，既能保持成本低廉,，同時(shí)還具有較高的導(dǎo)熱性能,。對(duì)于散熱片的表面積而言,，有效表面積越大，其散熱效果越好,。散熱片高度H 以及溝槽間距D 主要影響空氣流通,，若是其比值D /H 非常小，即形成一個(gè)很窄的溝槽,，則結(jié)果是溝槽中的空氣很難與外界中的氣體流通,，這樣對(duì)于整個(gè)燈具系統(tǒng)而言，其散熱效果會(huì)相對(duì)差很多,。所以對(duì)于一個(gè)散熱片而言,，需要綜合材料性能、燈具封裝尺寸,、整體散熱效果來(lái)選擇或是設(shè)計(jì)專門(mén)的散熱片,。
為了進(jìn)一步改善LED 燈具的散熱效果，一般采用在LED 基板上涂抹導(dǎo)熱硅脂或是導(dǎo)熱硅膠的方法,。這種方式雖然成本比較低,，但是存在涂抹不均勻又不容易固定、導(dǎo)熱性能差（ 導(dǎo)熱系數(shù)較低,，往往低于5W/m·K） 等問(wèn)題,。導(dǎo)熱墊片是一種性能更優(yōu)的導(dǎo)熱材料，它的導(dǎo)熱系數(shù)可以達(dá)到10W/m·K,，且其導(dǎo)熱效果與其整體面積成正比,。另外，減小LED 與散熱片的間距,，將LED 固定在散熱片上,，使散熱墊片作為中間載體也是一種不錯(cuò)的選擇。
4 光線分布
單片1W 級(jí)大功率LED 芯片可近似視為點(diǎn)光源,。大部分LED 的配光曲線都是呈朗伯（ Lanmbertian distribution） 形分布,，即中心光強(qiáng)比較強(qiáng)，而且是對(duì)稱的圓形光斑分布,，不可直接用于照明,。
在實(shí)際生活中，需要的是一種有效發(fā)光面積大,，光強(qiáng)度和照度均勻的面光源,，同時(shí)又避免產(chǎn)生眩光。
為了更好地利用LED 進(jìn)行照明,，需要對(duì)其光線進(jìn)行重分布和改善,。商品化的照明白光LED 采用內(nèi)置的反射器和封裝樹(shù)脂等已經(jīng)形成了一次光學(xué)系統(tǒng)，使得其光輸出具有固定的形式,。盡管如此,，其光出射角度還是很小,，難以滿足正常照明的需求，因此有必要對(duì)其進(jìn)行二次光學(xué)設(shè)計(jì),。
首先,，對(duì)于LED 而言，增大其光出射角度可以組合使用反射罩和透鏡,，常用的反射罩形狀有拋物面,、橢球面、雙曲面,、半球面等，其反射原理如圖5 所示,。
有時(shí)經(jīng)過(guò)反射罩后,，輸出光線角度擴(kuò)大，光線經(jīng)過(guò)足夠的混合后,，出射的光強(qiáng)度和照度也達(dá)到均勻性要求,。但是，對(duì)于大多數(shù)情形,，這是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,，沒(méi)有充分利用光輸出量，同時(shí)在出光面的邊緣也會(huì)產(chǎn)生眩光等令人不舒服的光線,?；谏鲜鲈颍枰M(jìn)一步使用控光元件,，如光透鏡,、均光片以及遮光器等。常用的光透鏡有凸透鏡或菲涅爾透鏡,、凹透鏡或楔形透鏡等,，其光線方向轉(zhuǎn)變?nèi)鐖D6 所示。
為了進(jìn)一步保證光照度的均勻性,，也常常通過(guò)添加均光片的方法,，通過(guò)其漫反射的作用，將單片或多片組合發(fā)光不均勻的LED 的光輸出進(jìn)行均勻處理,，獲得均勻的照度,。另外配合使用遮光器，可以防止不必要的眩光刺眼以及進(jìn)行光輸出的二次分配,，提高被照明環(huán)境的舒適度,。
目前單片1W 級(jí)LED 高端芯片產(chǎn)品的發(fā)光效率約為100 lm /W 左右，作為照明光源,，其光亮度是不夠的,，此時(shí)需要多片組合,。白熾燈的發(fā)光效率是10lm /W，家庭用60W 的白熾燈照明即已足夠,，對(duì)比可知用6 片1W LED 串聯(lián)組合（ 亮度要求高時(shí)可以串聯(lián)更多） 形成的LED 陣列更利于光照度的均勻,，同時(shí)還能保證較高的亮度。
針對(duì)LED 陣列的實(shí)際情況,，可以配合著使用反光罩和光透鏡,。對(duì)于出現(xiàn)的刺眼眩光，可以相應(yīng)使用遮光器來(lái)消除,。其中需要注意的是,，在經(jīng)過(guò)多次反射使光線混合均勻的過(guò)程中，為防止過(guò)多的光損失,，提高發(fā)光效率,，需要在散熱片上噴上反光漆，同時(shí)在反光罩的內(nèi)側(cè)面鍍上反射率高的膜,。
結(jié)合LED 發(fā)光特性設(shè)計(jì)出合適的燈具,，既能有效提高光源的利用率，又能減少光污染,，保護(hù)人眼健康,，使LED 作為下一代綠色照明光源成為可能。
5 結(jié)語(yǔ)
LED 照明光源具有獨(dú)特的電,、光,、熱等特性，在其應(yīng)用設(shè)計(jì)中需要綜合考慮驅(qū)動(dòng)方式,、合適電流的選擇,、散熱、改善光線分布等等因素,，本文較為詳盡地介紹了目前解決上述問(wèn)題的種種方案,。在具體使用中，需要結(jié)合相應(yīng)的使用環(huán)境加以應(yīng)用,?？梢韵嘈牛S著LED 技術(shù)的不斷發(fā)展,、進(jìn)步以及LED 照明燈具設(shè)計(jì)的日臻完善,，更多更新更好的照明產(chǎn)品將層出不窮，真正迎來(lái)LED 光源在照明領(lǐng)域的革命浪潮,。