摘要：介紹了大功率LED應(yīng)用于商業(yè)照明領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)展和產(chǎn)品系列化方面的成果關(guān)鍵詞：大功率 LED 商業(yè)照明
1 前言
LED尤其是大功率白光LED的誕生是人類照明工程領(lǐng)域一件具有劃時(shí)代意義的事件。包括中國(guó)在內(nèi)的很多國(guó)家都投入了巨大的人力、物力積極攻關(guān)，力求在這項(xiàng)將帶來(lái)照明革命、經(jīng)濟(jì)前景無(wú)法估量的領(lǐng)域中搶占一席之地。但是，這種努力遇到了很多問(wèn)題。例如，眾所周知的LED的發(fā)光效率問(wèn)題、散熱問(wèn)題等等。經(jīng)過(guò)艱苦的技術(shù)攻關(guān)，香港真明麗集團(tuán)在2006年成功實(shí)現(xiàn)了大功率LED在商業(yè)照明領(lǐng)域應(yīng)用中的技術(shù)突破和產(chǎn)品系列化，及時(shí)追趕到大功率LED應(yīng)用于商業(yè)照明領(lǐng)域的最前沿。
2 技術(shù)進(jìn)展
2.1 LED光效
LED的發(fā)光效率問(wèn)題一直是困擾其在商業(yè)照明領(lǐng)域應(yīng)用的一個(gè)巨大障礙，不過(guò)現(xiàn)在這個(gè)難題正得到逐步解決。表1給出了2006年各大廠商的1W大功率白光LED技術(shù)參數(shù)。對(duì)表1中的數(shù)據(jù)做分析，我們有理由相信步入半導(dǎo)體照明時(shí)代的基本條件已經(jīng)具備。
表1 1W大功率白光LED技術(shù)參數(shù)
億光
愛(ài)迪生
香港真明麗
漢城
光通量(lm)
50
4550
48
1000H衰減(%)
8.5
5
5
2
2.2 散熱技術(shù)
大功率LED的散熱可以采納的幾種形式：自然散熱、加裝風(fēng)扇強(qiáng)制散熱、回路熱管技術(shù)和半導(dǎo)體制冷等。下面詳細(xì)分析各類散熱形式的原理和優(yōu)缺點(diǎn)。
2.2.1 原理分析
⑴ 自然散熱
從傳熱學(xué)角度看，自然散熱利用自然對(duì)流和熱輻射作為基本的散熱原理。在自然散熱中，基本思想是借助燈具外壁面、尤其是翅片對(duì)周圍空氣的對(duì)流散熱和對(duì)周圍物體的輻射散熱。這種散熱形式依靠燈具自身的結(jié)構(gòu)形式實(shí)現(xiàn)散熱。
⑵ 加裝風(fēng)扇強(qiáng)制散熱
加裝風(fēng)扇強(qiáng)制散熱主要利用強(qiáng)制對(duì)流（又稱：強(qiáng)迫對(duì)流）作為實(shí)現(xiàn)散熱的原理。根據(jù)傳熱學(xué)研究，強(qiáng)制對(duì)流傳熱系數(shù)比自然對(duì)流傳熱系數(shù)大一個(gè)數(shù)量級(jí)。
⑶ 回路熱管散熱
回路熱管技術(shù)是熱管技術(shù)在LED照明領(lǐng)域的一項(xiàng)嘗試。圖1說(shuō)明了其原理：圖1（原稿無(wú)圖）
基本原理：熱量Q從熱源傳給熱管熱端內(nèi)的傳熱介質(zhì)，傳熱介質(zhì)吸收了熱量后迅速蒸發(fā)流向熱管的冷端Evaporator，釋放熱量Q冷凝后再依靠管壁內(nèi)的多孔材料的毛細(xì)力重新回到熱端。
⑷ 半導(dǎo)體制冷
半導(dǎo)體致冷器，又稱為溫差電致冷器或熱電致冷器�；驹硎桥翣柼�(yīng)：電流流經(jīng)兩個(gè)不同導(dǎo)體的接點(diǎn)處會(huì)產(chǎn)生放熱和吸熱現(xiàn)象。放熱或吸熱由電流的大小來(lái)決定。
圖2是其制冷原理示意圖：圖2（原稿無(wú)圖）
2.2.2 優(yōu)缺點(diǎn)分析
香港真明麗集團(tuán)在把大功率LED應(yīng)用于商業(yè)照明領(lǐng)域的過(guò)程中對(duì)散熱技術(shù)做過(guò)積極探索，積累了成功的經(jīng)驗(yàn)與失敗的教訓(xùn)，總結(jié)出大功率LED散熱技術(shù)方 面的一套理論體系。通過(guò)對(duì)比分析，各類散熱技術(shù)各有優(yōu)勢(shì)和不足：
⑴ 自然散熱
由于完全依靠自身的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)散熱，散熱成本最低。但是，這種方式對(duì)燈具的結(jié)構(gòu)形式要求很高。在這方面香港真明麗集團(tuán)積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，以其60W大功率LED路燈為例，散熱完全采用自然散熱，通過(guò)燈體結(jié)構(gòu)與傳熱形式的精心設(shè)計(jì)，LED基板溫度控制在55℃以下，完全達(dá)到了LED的正常使用條件。
⑵ 加裝風(fēng)扇強(qiáng)制散熱
由于借助了強(qiáng)迫對(duì)流散熱，LED基板上的熱量可以更迅速地?cái)U(kuò)散到周圍的環(huán)境。但是，這種散熱方式增加了成本；而且風(fēng)扇的壽命有限，一般3年左右；風(fēng)扇在運(yùn)行中有一定噪音。另外，這種散熱方式如果用在戶外燈具上由于防水的要求使用效果會(huì)打折扣。
⑶ 回路熱管散熱
與加裝風(fēng)扇強(qiáng)制散熱相比，回路熱管散熱技術(shù)不需要增加額外的控制電路，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但是，在具體的設(shè)計(jì)中要考慮燈具的美觀問(wèn)題，盡量避免熱管暴露在燈具外殼面上。圖3是回路熱管應(yīng)用于大功率LED燈具散熱的具體示例。從圖上可以看出，回路熱管的散熱部分暴露在燈具外殼面上，很不美觀，影響了燈具整體的品位。圖3（原稿無(wú)圖）
⑷ 半導(dǎo)體制冷
在半導(dǎo)體制冷應(yīng)用于大功率LED散熱方面，香港真明麗集團(tuán)也做了積極的努力、并積累了使用經(jīng)驗(yàn)。半導(dǎo)體制冷具有壽命長(zhǎng)、無(wú)噪音的優(yōu)點(diǎn)。但是，對(duì)使用條件要求較高。一旦使用方法不恰當(dāng)，會(huì)造成相反的結(jié)果。
2.3 光學(xué)二次開(kāi)發(fā)
LED燈具的光學(xué)二次開(kāi)發(fā)在整個(gè)燈具設(shè)計(jì)的過(guò)程中扮演了非常重要的角色，在整個(gè)的燈具的整體設(shè)計(jì)流程中應(yīng)該是優(yōu)先考慮的一環(huán)。香港真明麗集團(tuán)在這一方面做了很多有意義的工作，取得了豐碩的成果。下面就LED燈具光學(xué)二次開(kāi)發(fā)做簡(jiǎn)要說(shuō)明。
2.3.1 常用的光學(xué)軟件
根據(jù)筆者的了解，在商業(yè)照明領(lǐng)域目前國(guó)內(nèi)常用的光學(xué)軟件主要分為兩類：照明工程設(shè)計(jì)軟件和燈具配光設(shè)計(jì)軟件。照明工程設(shè)計(jì)軟件的作用是依據(jù)已有的標(biāo)準(zhǔn)化燈具制定一套最佳的使用方案，為用戶提供最好的視覺(jué)需求。目前，常見(jiàn)的照明工程設(shè)計(jì)軟件有DIALux、OxyTech等；燈具配光設(shè)計(jì)軟件的作用是依據(jù)光源的特點(diǎn)以及期望的光學(xué)效果設(shè)計(jì)出相應(yīng)的光學(xué)器件。以LED燈具為例，LED用反光杯和透鏡就是常用的實(shí)現(xiàn)期望光學(xué)效果的光學(xué)器件。目前，做燈具配光設(shè)計(jì)的常用軟件有ZEMAX、TracePro、ASAP、LightTools等。
2.3.2 光學(xué)二次開(kāi)發(fā)中的注意事項(xiàng)
⑴ 光學(xué)二次開(kāi)發(fā)在燈具設(shè)計(jì)中的位置
筆者曾有幸參與燈具的配光設(shè)計(jì)，根據(jù)筆者的理解，燈具設(shè)計(jì)的合理設(shè)計(jì)流程如下（在這里不僅僅局限于LED燈具）：
燈具配光設(shè)計(jì) → 控制電路設(shè)計(jì) → 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
從設(shè)計(jì)流程可見(jiàn)，燈具配光設(shè)計(jì)應(yīng)該要優(yōu)先處理。
⑵ 光學(xué)器件形式的選擇
常見(jiàn)的LED用光學(xué)器件形式有反光杯和透鏡，各有優(yōu)點(diǎn)和局限性，應(yīng)該根據(jù)需要來(lái)選擇。相比于反光杯，透鏡對(duì)光的損耗要大，而且透鏡還存在色散問(wèn)題；但是，在處理小角度（例如：光束角20o以下）的配光需求時(shí)，反光杯會(huì)顯得很笨拙，而透鏡則比較容易。
⑶ 視覺(jué)科學(xué)研究的納入
照明的最終目的是為人服務(wù)，為人類的工作、生活提供一種舒適的視覺(jué)效果。因此，對(duì)人的視覺(jué)科學(xué)的研究成果有必要納入燈具的配光設(shè)計(jì)。但是，不足的是除了個(gè)別科研機(jī)構(gòu)開(kāi)展過(guò)這方面的研究，大多企業(yè)還暫時(shí)沒(méi)有做這方面的工作。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看我們有必要做好這項(xiàng)有意義的工作。
3 大功率LED燈具的系列化
大功率LED應(yīng)用于商業(yè)照明是一個(gè)新生事物，而至于產(chǎn)品的系列化方面還沒(méi)有成熟。目前國(guó)外只有少數(shù)的大公司（例如：Philips、ERCO等）在做這方面的工作，國(guó)內(nèi)也較少有企業(yè)在做這方面的嘗試。香港真明麗集團(tuán)經(jīng)過(guò)艱苦的努力，在大功率LED燈具的系列化方面取得了一定的成就。下面以香港真明麗集團(tuán)的大功率LED燈具系列產(chǎn)品為例做說(shuō)明。
3.1 投、泛光燈系列
目前，LED投光燈與泛光燈的定義我們不做大的區(qū)分。其基本用途都是做建筑裝飾照明之用。因?yàn)橐话愣家紤]散熱，目前常見(jiàn)的LED投、泛光燈基本上是選用1W大功率LED。受價(jià)格、光效及人們傳統(tǒng)觀念的影響，大功率LED投、泛光燈的應(yīng)用并不太廣，但這種狀況正在慢慢改變，國(guó)內(nèi)已有很多工程（如珠江兩岸亮化、廈門中山路亮化工程等）應(yīng)用了大功率LED投光燈。圖4（原稿無(wú)圖）為香港真明麗集團(tuán)開(kāi)發(fā)的大功率LED投光燈與泛光燈。此兩款燈主體部分由高質(zhì)量鋁合金壓鑄而成；燈罩采用高質(zhì)量鋼化玻璃,具有良好的透光性和防塵防水性。可廣泛應(yīng)用于建筑壁面、公園、高尚建筑、停車場(chǎng)等。圖4（原稿無(wú)圖）
3.2 商業(yè)裝飾照明系列
香港真明麗集團(tuán)開(kāi)發(fā)了比較齊全的大功率LED商業(yè)裝飾照明產(chǎn)品，具體細(xì)化有單元燈系列、桿燈系列、柔性管燈系列、嵌燈系列、埋地?zé)粝盗小⒌鯚粝盗�，等等。限于篇幅，不做詳�?xì)介紹。除埋地?zé)糁饕糜趹敉庋b飾照明，其它系列產(chǎn)品主要用于戶內(nèi)裝飾性照明。此類產(chǎn)品可廣泛應(yīng)用于商場(chǎng)、樣品陳列室、高檔住宅、旅館、辦公樓等等。圖5給出了大功率LED商業(yè)裝飾照明產(chǎn)品實(shí)際應(yīng)用的效果。圖5（原稿無(wú)圖）
3.3 導(dǎo)光板系列
按照光源的位置劃分，背光模組分為邊光式和直下式兩種。我們這里的導(dǎo)光板系列產(chǎn)品屬于前者。在這種背光模組中LED光源放在整個(gè)模組的邊緣，通過(guò)中間的光學(xué)級(jí)壓克力材料將側(cè)邊的光線導(dǎo)向正面視線方向，并達(dá)到亮度的均勻。 導(dǎo)光板系列產(chǎn)品光學(xué)設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，通過(guò)導(dǎo)光板網(wǎng)點(diǎn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)出光的均勻性是我們的主要目標(biāo)。
此類產(chǎn)品可以應(yīng)用于高檔的廣告裝飾、墻面裝飾等。圖6是香港真明麗集團(tuán)開(kāi)發(fā)的導(dǎo)光板系列產(chǎn)品的實(shí)物圖片。圖6（原稿無(wú)圖）
3.4 其它
除了以上介紹的產(chǎn)品，大功率LED在商業(yè)照明中的應(yīng)用還有大功率LED路燈、水底燈等。令人欣慰的是香港真明麗集團(tuán)目前已經(jīng)研發(fā)出這些系列的產(chǎn)品。其中對(duì)大功率LED路燈、太陽(yáng)能大功率LED路燈的詳細(xì)介紹筆者曾撰寫(xiě)論文發(fā)表在《照明》與《國(guó)際照明與燈飾》，請(qǐng)有興趣的讀者參考相關(guān)文獻(xiàn)，在此不再贅述。
4 結(jié)束語(yǔ)
本文通過(guò)對(duì)當(dāng)前大功率LED在商業(yè)照明領(lǐng)域應(yīng)用中的技術(shù)和產(chǎn)品系列化兩方面的最新進(jìn)展做了詳細(xì)介紹，期望能夠把最新的信息傳遞給廣大關(guān)注半導(dǎo)體照明事業(yè)的人士。作為半導(dǎo)體照明的推動(dòng)者，我們有責(zé)任也有信心與眾多的同行一道為中國(guó)和世界的照明事業(yè)作出重要的貢獻(xiàn)。 |
