LED灯具设计安全性能要点

摘要：LED灯具结构简单，加载供电线路上的负载较低，以及光指向等特性，使得LED的灯具设计比其他光源的灯具更容易、更适合内置于其他器械与设备之内，或是自身丛集组合成大型装置。新的内建可能性，可以让该装置或是设备使用起来更方便，或是具备以前没有过的照明性能。LED背光显示屏与小型冰箱、橱柜的LED照明就是好例子。而丛集方式则是利用LED创造了新的光环境与表现方式。不用大幅度改变线路或缩减原有空间，只靠着增加了LED灯具就可以创造出奇幻的效果。

关键词：LED 灯具 散热 安全 光学 电学 结构

LED光源与传统光源存在差异，在套用传统光源的灯具中时，会产生许多缺点，如眩光、散热不佳、光型不美等问题。在设计套用传统灯具时，要注意使用避开这些问题的方法；如条件许可，应根据LED的优点，以及基本照明需求，做出全新的灯具设计。

1、光学部分

LED芯片：每种LED芯片都会有不同设计，不同设计适用于不同用途，LED灯具可靠性设计方面包含：电气安全、防火安全、适用环境安全、机械安全、健康安全、安全使用时间等因素。从电气安全角度看，应符合相关的国际、国家标准。由于LED是新产品，中国国家标准相对滞后，但国家提品合格测试。具有国际安全认证（如GS、CE、UL等）及国家产品品质合格证的LED芯片价格要高，因为这些产品在安全设计上是可靠的。现在有国际安全认证及国家产品合格证的厂家并不多。

另外还需注意，LED灯具因尺寸关系，巨大功率产生的高温常集中在一个很小的区域中，如果不具备如传统高温灯具具有保护人体避免烫伤的设计，会有机会造成意外伤害。大量强度的光机种到比传统光源更小的一个光点上，这样光线可以造成的视觉伤害、产生炫目、使人头晕。所以在LED灯具的设计上面，还是存在着许多需要注意的事项。

二次光学：LED光源与传统光源相比有许多优点，这已成为人们共识，但LED芯片体积小，结构紧凑，其发光面积相对更小，它是一种180°出光的朗伯光源，其光强分布与出光角的余弦成正比，即LED光源发出的光线在被照表面上所形成的照度随出射角的增大而迅速衰减。这样的光源特性很难满足户外照明用的实际需求。LED户外照明设计，必须根据不同的应用场合和需求，针对LED光源的特性进行二次光学设计，实现对LED芯片所发出的光进行整形和改变，尤其光强分布的情况。二次光学设计过程实际上已属于非成像光学设计的范畴。

在LED照明灯具的光学设计中，基本的光学元件主要有透镜、非球面反射镜和折光板。透镜使点光源发出的光线汇聚或发散，起到改变光束角的作用，从而改变被照表面的照明面积和照度值。非球面反射镜的形状通常为旋转二次曲面，其工作原理与透镜和反射镜完全不同，透镜是折射原理，反射镜是反射或全反射原理，它们的孔径角多在40°以下，而非球面反射镜的孔径角可达130°以上，亦即它的收集光线能力能大幅增强. 折光板的主要作用是改变光线的出射方向或在特定的方向上改变光束的角度。梯形折光板相当于平板玻璃和楔形镜的组合体，它可使一束光分成三个方向，而三个方向光束的光强比是由它的平面和斜面的面积比来控制。柱形折光板又称为复眼透镜，它由一系列圆柱面组成，每个柱面相当于一个透镜，在柱面母线方向上，光线保持原入射的方向，而在柱面非母线方向上，透镜的作用使各个方向上都有汇聚或发散作用，从而实现扩展光束角的目的。

2、电学部分

驱动电源：电源的设计分内置和外置两种，电源内置，电源的热量会加入灯具内，相当于又增加的热量。使得LED的散热困难加大，同时使得LED的使用寿命缩短。而且在某些灯具内，电源所占比重较小，所发的热量就非常集中（比如LED日光管），使得靠近电源的这些LED芯片受到烘烤，因而寿命也比其他地方的LED更短，靠近电源的部分光衰明显。在较大功率的LED灯具设计过程中，外置质量可靠性更高。

电源外置，效率更高、寿命更长、坏电源换电源、坏灯具换灯具。而且还可以增加光色控制等特殊功能，这些都是内置式所无法比拟的。但内置式的最大优点就是可以做成直接替换现有的传统灯具，而无需对原有电路作任何改动。这也是外置式电源无法替代的。

电路方式：大功率LED灯具无一例外都是采用恒流源全串的电路方式，即将多个LED的正极对负极串联在一起，其优点是通过每个LED的工作电流一样（一般应在串联支路中串人限流电阻），当LED的一致性差别较大时，虽然分配在不同的LED两端的电压不同，但通过每只LED的电流相同，所以LED的亮度还是一致的。但这样会造成LED驱动电源输出较高的电压。在技术改进，如果按此电路方式进行设计，整灯功率数百瓦的大功率市政照明LED灯具上，输出电压甚至会超过1000V。为解决这个问题，一般有两种做法。一种是将灯珠进行分配，串并结合，采用多路输出分配电流的方式进行。比如一功率LED路灯有200粒芯片，额定电流350mA，单颗功率1.25W，全串后电压为200*1.25/0.35=DC714V，将其非为4路，每路50颗灯珠，选用输出电流为1400mA的驱动进行分流。每路电流为1400/4=350mA，输出电压为50*1.25/0.35=DC79V。这样可以达到降低输出电压的效果。但是这个方案有个坏处，一旦有一颗灯珠由于各种原因造成断路，电流会平均分摊到其他三路上去，灯珠的电流会增加1400/3-350=117mA，造成其他灯珠损坏及恶性循环最后导致整灯电流严重过载。另一种方案是在整灯上配置多电源的方案，每个电源驱动一组LED芯片，可以有效的降低输出电压，缺点就是会增加产品的材料成本和生产工艺成本。也会给结构设计造成麻烦。

3、结构部分

散热：LED的散热现在越来越为人们所重视，这是因为LED的光衰或其寿命是直接和其结温有关，散热不好结温就高，寿命就短，依照阿雷纽斯法则温度每降低10℃寿命会延长2倍。结温假如能够控制在65°C，那么其光衰至70%的寿命可以高达10万小时！这是人们梦寐以求的寿命，可是真的可以实现吗？是的，只要能够认真地处理它的散热问题就有可能做到！遗憾的是，现在实际的LED灯的散热和这个要求相去甚远！以致LED灯具的寿命变成了一个影响其性能的主要问题，所以必须要认真对待！

要谈到散热器，有一个概念先要搞清楚，就是导热和散热的区别。导热就是要把热量最快地从发热源传送到散热器表面，而散热则是要把热量从散热器表面散发到空气中去。首先要把热最快的导出来，然后要最有效地散到空气里去。因为不管采用什么方法散热，最后还是只能把热量散发到空气中。而热量的散发只有两种途径：对流和辐射。

热辐射的散热公式为“Q =E×S×F×Δ（Ta-Tb）”。公式中Q代表热辐射所交换的能力，E是物体表面的热辐射系数。在实际中，当物质为金属且表面光洁的情况下，热辐射系数比较小，而把金属表面进行处理后（比如发黑）其表面热辐射系数值就会提升。塑料或非金属类的热辐射系数值大部分都比较高。S是物体的表面积，F则是辐射热交换的角度和表面的函数关系，但这里这个函数比较难以解释。Δ（Ta-Tb）则是表面a的温度同表面b之间的温度差。因此热辐射量和热辐射系数、物体表面积的大小以及温度差之间都存在正比关系。绝对黑体的辐射系数为1。热辐射散热也可以用另一个公式来表示：

热辐射的散热量[W]=5.67x10-8x辐射率x散热器面积[m2]x（平均温度+273）3x（温差）[°C]

氧化处理是改进材料的辐射散热的重要途径。采用铸铁的暖气片有相当一部分的散热靠的是辐射散热。而且塑料的热辐射性能和氧化后的金属差不多。

为了改进辐射散热，铝合金鳍片散热器可以发黑处理，但是有人是采用喷黑色塑胶漆的方法，这种方法虽然也使其表面变黑，但是实际上又加上了一层绝缘层，妨碍了它的散热。最好的方法是采用阳极氧化发黑处理，这个氧化层可以做得很薄，不至于影响其散热，但对辐射散热有很大的改进。

总之，不管是对流还是辐射都是和散热器的散热面积成正比，所以要改善散热一定要加大散热器的面积。

重量：解决了光、电、散热后，还有一个容易被忽视的问题，就是重量。与传统的节能灯相比，LED照明灯的重量显然比较大。螺旋类接口的灯具中，荧光灯的重量只有LED灯具的数分之一，由于没有了散热片的问题，荧光灯的重量对灯座来说可以忽略不计，但是LED的重量对灯座是一个很严重的考验。

特别是我们设计LED光源去替换传统光源的时候。大家可以这样想，传统灯具在国家强制性产品认证范围内，对此类灯具，会做重力垂吊试验保证灯具牢固。现在我们用远重于传统光源的LED光源去做更换，新的灯具是有传统灯具加新的LED光源，那这个组合是否仍满足相关的国家强制性标准？

4、结语

LED要想成为大众化的照明工具，必须要解决上述难问题。当然，任何一个新型产品都要经过市场的磨合以及时间的检验。LED作为全球节能的引擎，虽然面临上述的不足，但是还是有着传统节能灯所无法超越的优势。

参考文献

[1]杨恒.《LED照明驱动器设计步骤详解》 中国电力出版社.

[2]李农，杨燕.《LED照明设计与应用》LED照明推进协会.科学出版社.

[3]李春茂.《LED结构原理与应用技术》.机械工业出版社.

[4]俞建峰，顾高浪，陶宏锦.《LED照明产品质量控制与国际认证/LED＼OLED技术与应用丛书》.人民邮电出版社.