手把手教你計(jì)算光電參數(shù)（純干貨）
來源： 發(fā)布日期：2022/01/16
? 作為一個(gè)光學(xué)設(shè)計(jì)師，在工作中經(jīng)常遇到關(guān)于光電參數(shù)計(jì)算的問題，以前100lm/W燈管就是好產(chǎn)品，但隨著LED的發(fā)展，要求也水漲船高，現(xiàn)在很多工程案例為了節(jié)能，光效從120漲到150、甚至180lm/W，讓人非常頭疼。
下面結(jié)合實(shí)例，談一談怎么設(shè)計(jì)一款光電滿足要求的燈具。
標(biāo)稱值一般指產(chǎn)品穩(wěn)定后的測(cè)試數(shù)據(jù)。
你首先必須知道燈具測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)，大部分燈具可以直接通過積分球完成光電測(cè)試，依據(jù)IESLM79提供的方法，需要待燈具穩(wěn)定后來測(cè)試，至于一些參數(shù)虛標(biāo)的產(chǎn)品可以無視。
圖1.IES LM79中對(duì)燈具穩(wěn)定的要求
為什么一定是穩(wěn)定后的數(shù)據(jù)，大部分LED產(chǎn)品從瞬態(tài)到穩(wěn)態(tài)都有一個(gè)衰減，而這些衰減很大，不能夠忽視。
通過測(cè)試這些衰減大小，可以等到一個(gè)相對(duì)的熱衰減系數(shù)，可以參看紅字部分。
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表2市場(chǎng)上8-9W球泡燈的測(cè)試參數(shù)
LED燈珠選型與測(cè)試
設(shè)計(jì)的時(shí)候，首先是LED選型，LED規(guī)格書好多頁，讓你眼花繚亂。主要有額定功率、光通量、電壓、色溫、顯色指數(shù)、色容差等等。如果繼續(xù)深究下去，支架有ppa、pct、emc幾種，芯片尺寸有好多種，熒光粉、硅膠、金線、支架金屬都有很大的貓膩，這些對(duì)光源壽命都有著很大影響。
對(duì)LED而言，最重要的就是額定電流下光通量，比如現(xiàn)在最常用2835顆粒，額定60mA的光通量24-26lm。那是不是我將100pcs該LED焊在燈條上，60mA測(cè)試時(shí)光通量就是240-260lm？
答案是否定的，以下是一些誤差的來源，最后測(cè)試報(bào)告一定是以自己儀器測(cè)試為準(zhǔn)，所以就需要弄清楚這些系數(shù)。
表3 一些誤差匯總
然而這些系數(shù)有時(shí)候推算比較麻煩，也少不了很多一對(duì)一測(cè)試。所以我的思路是，直接將廠商的標(biāo)準(zhǔn)LED燈珠焊在燈板上，用大積分球測(cè)試，直流供電，測(cè)試多個(gè)電流下的數(shù)據(jù)。
如果你設(shè)計(jì)一款常規(guī)的產(chǎn)品，對(duì)光效沒有要求，額定電流下測(cè)試就可以了。但如果你需要更高光效的產(chǎn)品，那些方法就不適用了，要么選擇更亮的燈珠，要么就是降低電流使用，更多的時(shí)候兩者需要結(jié)合來使用。
表4 一款顆粒的測(cè)試數(shù)據(jù)
LED燈珠數(shù)量計(jì)算
做好以上一些工作后了，你還缺少兩個(gè)重要的參數(shù)，一個(gè)是燈具電源轉(zhuǎn)換效率，另外一個(gè)就是燈具的光學(xué)效率，可以通過如下公式計(jì)算，有時(shí)候面對(duì)全新的燈具無從入手，可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行一些估算。
電源效率=LED電壓×通過LED的電流÷輸入功率
光學(xué)效率=燈具光通量÷裸光源測(cè)試光通量
注.以上均為瞬態(tài)測(cè)試
下面就開始正式的計(jì)算步驟：
1、確定設(shè)計(jì)光效；
假設(shè)客戶要求是13W1800lm，那么此時(shí)光效要求就是139lm/W
2、確定使用顆粒的電流：
影響光效的主要有透光率、燈珠本身、熱衰減系數(shù)（光通量衰減、VF衰減），公式如下：
LED燈珠光效×透光率×衰減系數(shù)×電源效率=燈具光效
比如現(xiàn)在需要做的燈管，透光率94%，瞬態(tài)到穩(wěn)態(tài)光效衰減1.5%，電源效率90%，燈珠光效即139lm/W÷0.94÷0.985÷0.9=167lm/W。通過查表，得到一個(gè)合適的電流55mA
3、確定燈珠數(shù)量
單顆燈珠功率×數(shù)量=燈具功率×電源效率×衰減系數(shù)
電流確定后，查表可以得到單顆功率0.153W。數(shù)量=13×0.9×0.975÷0.153=75顆，但這個(gè)數(shù)量不能直接使用，因?yàn)檫€要考慮電源的參數(shù)，搭配合適的串并聯(lián)，得到最終一個(gè)準(zhǔn)確的數(shù)值：40串2并。
注.有可能計(jì)算需要的很少顆粒數(shù)，但使用起來會(huì)明顯的顆粒感，所以這樣的設(shè)計(jì)也是不合理的。
進(jìn)階篇-計(jì)算工具設(shè)計(jì)
通過以上過程，你能算出各種LED燈珠方案。但有時(shí)候經(jīng)常需要計(jì)算不同廠商的不同燈珠，從而比較哪種方案更優(yōu)，重復(fù)的計(jì)算也是很麻煩的一件事，所以交給excel會(huì)方便很多。
首先對(duì)原始數(shù)據(jù)整理，可得如下兩個(gè)曲線，如果要求不高，可以采用線性擬合，即y=ax b。為了更加精確，我此處采用的二項(xiàng)式擬合，y=ax2 bx c。
圖5電流與正向電壓、光效的關(guān)系
通過電流，將燈具的所有參數(shù)聯(lián)系起來，通過表格設(shè)計(jì)，就可以更加簡(jiǎn)單的計(jì)算光效了。后續(xù)也可以增進(jìn)一些亮度BIN、電壓BIN、電源恒流精度等參數(shù)，計(jì)算整批產(chǎn)品的參數(shù)范圍。
表6計(jì)算表格與光源數(shù)據(jù)庫
結(jié)語：高光效LED是未來趨勢(shì)
LED的在使用過程中，將電轉(zhuǎn)化為光的比例在40%左右，而其他能量用于發(fā)熱，還有很大的空間去提高這一數(shù)值，理論上LED的光效極限是300多。隨著光效的逐年提升，LED會(huì)越來越節(jié)能，發(fā)熱量也會(huì)大大降低，甚至以后都不需要單獨(dú)的散熱器。
在高光效產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，性能和成本始終很矛盾，只能綜合各部分，從而達(dá)到一個(gè)平衡，以下一些個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，可以供大家參考，有不足之處請(qǐng)指出：
1、使用更好的光源，并將光源降低電流使用，從某種程度是可以達(dá)到目標(biāo)，但成本也會(huì)成倍增加
2、提高光學(xué)效率，比如PCB使用高反射白油，金屬反射杯表面處理，降低PC霧度，使用更好的擴(kuò)散粒子，通過這些優(yōu)化，球泡燈和燈管的光學(xué)效率可以達(dá)到97%
3、優(yōu)化電源效率，現(xiàn)在非隔離的效率一般都是90%，通過某一點(diǎn)的優(yōu)化，還能夠提升2%
4、創(chuàng)造更好的散熱條件，從文章一開始就知道，燈具從瞬態(tài)到穩(wěn)態(tài)的過程，光通量會(huì)瞬時(shí)很多，如果加大散熱結(jié)構(gòu)，使用鋁基板并增大敷銅面積，無疑能夠提升穩(wěn)態(tài)的光通量。
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