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LED筒灯的光源与光学设计

日期:2013-08-07 10:54:39 人气:

  LED筒灯的光源
  LED筒灯上的光源主要有三种:第一种是采用多颗中小功率的LED如3528、2835、3014、5050等1W以下的LED;第二种是采用数颗大功率灯珠,功率在1~3W的LED;第三种是采用一颗集成光源,也就是所谓的COB光源。三种不同光源各有优缺点。

  采用中小功率的LED作为筒灯的光源,因为LED的数量较多,能尽可能地布满整个光源腔,这样可以使得LED工作时转化的热量分布得更广,便于散热,同时也避免局部温度过热。同样因为LED分布得比较分散,光源到出光面的距离可以设计得比较小,就能够达到均匀光斑的效果,所以采用小功率LED来做筒灯可以将筒灯的高度设计得比较低。采用中小功率的LED也同样存在不足,主要是体现在成本上。因为小功率的LED需要电路板进行电气连接,通常考虑到散热要求,采用铝基板来进行电气连接。同时小功率LED的数量较多,也需要采用贴片机来将LED贴在铝基板上,这两个方面都增加了整个灯具的成本。

  采用集成光源的LED来作为筒灯的光源,因为集成光源已经自带电路板,在使用时仅需要固定即可,所以相比小功率的LED节省了铝基板的成本和贴片的成本。但是集成光源在筒灯中的应用也会存在几点不足,一是由于集成光源的功率比较大,LED在工作时,热源比较集中,所以在散热设计上的要求更高;二是集成光源的出光面比较小,为了避免在筒灯的出光面上产生光斑,通常需要集成光源到出光面的距离比较大,这就要求反光罩的高度比较高,所以采用集成光源的筒灯高度会比较高,整个灯具的体积自然就大了。

  采用大功率的LED作为筒灯的光源是考虑到小功率LED和集成光源LED的优缺点而采用的一种折中的方法。实际在设计LED筒灯时,选用哪一种灯珠来作为LED筒灯的光源并不是一定的,要综合考虑整个性能和成本,作出全面的分析,才能确定采用什么样的LED最合适。


  LED筒灯的光学设计
  筒灯作为普通照明和辅助照明通常在光学上并没有很严苛的要求,大多数LED灯珠的光型(朗伯型)就可以满足筒灯的光学要求,所以在筒灯的光学设计中,不需要特别地去改变LED的出光方向,像路灯和射灯一样,需要透镜来达到所要的出光角度。筒灯的光学设计就是尽可能地将光源腔内的光线反射出去,同时使得出光面上光斑均匀。

  对于采用小功率的LED设计而成的筒灯,在排列LED位置时,尽可能地将LED的分布面积增大均匀排布,一来热源比较分散便于散热,二来可以使得整个灯具的光型比较均匀,在出光面的透光罩上的光斑基本上可以达到均匀的效果。这里的透光罩因为仅仅是起保护光源的作用,所以尽可能选择透光率高的材质来作为透光罩。同时为了提高整个灯具的出光效率,尽可能多地将LED发出的光反射到灯具外部,筒灯内部光源腔如图所示。


  LED筒灯
  大部分LED发出的光是直接通过透光罩发射到筒灯外部的,还有一部分光是LED发射到周围的反光罩上,然后经由反光罩再反射通过透光罩发射到筒灯外部的。这里的透光罩通常会选择高透光率的材质,通常透光率在85%以上。而反光罩则根据不同的结构,选用的材质可能不同。在这里反光罩仅仅是一个光学部件的名称,其有可能是一个零件,也有可能是某一个零件的一个面。因为要提高整个灯具的出光效率,所以反光罩也要经过一些光面处理,以提高其反射率。而透光罩的透光率不是1OO%的,从LED和反光罩发出的光经过透光罩后,仍有少量的光会被反射回去。可以看到反射回去的光会发射到铝基板上而被浪费,我们应该想办法将这部分光再反射出去。有一个好的解决方法是提高铝基板表面的反射系数。通常在生产铝基板的时候,要求铝基板的表面做喷白油处理,这样就可以提高铝基板表面的反射系数,让反射回来的光再次反射出去。

  当然如果反光罩和铝基板的反射系数没法做得比较高的话,就可以采用另外的反射系数比较高的材质。这里介绍一种反射效率极高的反光板MCPET。MCPET反光板是日本古河电工株式会社发明的尖端节能科技新产品。日本古河电工花费十年时间开发出微发泡反射板(MCPET),协助灯具厂商解决眩光及亮度不均匀等问题,并且借由微发泡反射的高反射和扩散能力,在不增加光源的情况下,进而提升灯具的照度,视结构设计与应用,提升幅度可高达40%~60%。

  微发泡反射板的正式名称为MCPET(micro cellular PET).采用PET (polyethyleneterephthalate)为基材进行发泡制程。MCPET具有下列优点:优异的光反射特性、轻巧、抗落下冲、承受高温(在160℃下仍能保持形状)、可利用PET资源回收方式废弃处理、材料未使用有害原料以及表面具有高平滑性等。

  其中,古河电工新推出的MCPET R2 GRADE是使用古河电工(株)生产的原材料研发出的天花照明用反光片,它是一种将洁净的二氧化碳注入发泡剂后,使用于制造饮料容器等可以循环利用PET树脂发泡到5倍后制成的薄片。它具有出色的光学特点,对可视光的全反射率在99%以上,散射率在95%以上,可以高效地应用于日光灯以及所有使用了冷阴极的照明设备上。而且经过特殊的丙烯加工,和以往的MCPET RB(耐用年限为8年)相比更能经受紫外线的照射,耐用性在10~15年以上。被反射的光之中,99%里面有3%属于镜面反射(光泽),约96% 为众多微细气泡进行反射的漫射(乱反射)。
  在二次加工方面,可利用裁切、冲压、弯曲加热等方式进行成型。

  MCPET材料本身的难燃性符合发泡材料UL94-HBF的燃烧标准。此外,由于MCPET材科的绝佳特性,因此对于各波长光LED射能力都能够维持均一性,在有忠实反射光原要求的情况下,更能发挥其特长。除了LED以及冷阴极灯管(CCFL)灯具之外,对于室内灯源以及广告灯箱的应用方面,也能够在减少灯管数量的情况下,维持所期望的亮度与照度,进而减少照明电费的支出,达到节约能源的目的。

  对于采用集成光源的筒灯的光学设计,其设计方法与小功率筒灯的光学设计相似。不同之处在于集成光源的发光面比较小。所以为了使得出光面的光斑比较均匀,就需要加大光源到出光面的距离。这也是我们在市面上看到大部分集成光源的筒灯,其高度比较高的原因。

  集成光源的筒灯内部光源腔原理和采用小功率的LED筒灯的光学原理是一样的,大部分的光是直接通过透光罩发射到灯具外部的。这里的透光罩仍然是采用透光率较高的材质。为了能够降低整个筒灯的高度,主要是降低反光罩的高度,因为降低了反光罩的高度也可以节省整个灯具的成本’可以利用前面所说的高反射系数的反光板来达到目的。

  首先要说明的一个条件是这里选用的透光罩并非高透光率材质的透光罩,而是透光率较低在60%左右的透光罩,选用低透光率的透光罩是为了消除透光罩上的不均匀光斑。虽然采用的是60%透光率的透光罩,并不说明整个灯具的出光率就低于60%。任何材质其光学性能都有这样一个特点,透光率十反射率十吸收率=1。上例中的透光罩材质选用乳白色的PC罩,透光罩的厚度通常选用1~2mm,整个透光罩的吸收率是极低的,大概连1%不到,所以其余的30%多的光是反射回去的。而在整个光源腔的内部,除了光源的发光面以外,其余的表面都采用了反射率极高达到99%的MCPET材质,被反射回去的光又会通过MCPET反光板反射到透光罩上,这时又会重复出现大部分光直接投射出去,而一部分光又被反射回来。如此反复经过多次反射,整个灯具的出光效率会大大提高,远远地超过了60%,通常整体的出光效率达到85%以上是没有问题的。由此可知,灯具的出光效率和透光罩的透光率没有直接的联系,并不是选用透光率越高的透光罩灯具的出光效率就越高。毕竟内部的光线并不是全部先通过透光罩发射到外部的,有很大一部分光是经过反射再经过透光罩发射到灯具外部的。所以要得到高的出光效率,还要提高反射部位零件的反射系数。

  选用大功率1~3W的LED作为筒灯的光源,其光学结构设计与上述两种光源的光学结构基本上相同,这里就不再赘述了。