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照明LED的陣列研究與仿真

發(fā)布時間:2011-02-22 來源:光電新聞網(wǎng)

中心議題:
  • LED及其照明應(yīng)用
  • LED陣列照度計算及其分布研究
  • LED陣列仿真及比較分析
解決方案:
  • LED陣列照度的計算
  • LED陣列中LED間距的分析
  • 矩形平面的仿真結(jié)果及分析
  • 內(nèi)半圓柱表面的仿真結(jié)果及分析

LED是一種壽命長、功耗低、無輻射的節(jié)能環(huán)保型光源,大多數(shù)專家預(yù)測21世紀(jì)將是以固體發(fā)光材料為核心的,即以LED為代表的新型光源、綠色照明的世紀(jì),因此LED光源具有光明的前景。近年來,LED燈具產(chǎn)品開發(fā)的種類越來越多,設(shè)計合適的LED燈具顯得尤為重要。由于單顆LED的功率很小,作為照明來使用,要求在照明區(qū)域內(nèi)具有一定的均勻光通量和照度,所以需要采用LED的陣列形式,加大其發(fā)光亮度和發(fā)光面積,改善光照的均勻性。本文對LED陣列進(jìn)行仿真,并根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行分析,得出各種陣列的特點(diǎn),分析適合此陣列的燈具,為LED燈具設(shè)計提供精確的參考依據(jù)。

1.LED及其照明應(yīng)用

LED(LightingEmittingDiode)即發(fā)光二極管,它是利用固體半導(dǎo)體芯片作為發(fā)光材料,在半導(dǎo)體中通過載流子發(fā)生復(fù)合放出過剩的能量而引起光子發(fā)射,直接發(fā)出紅、黃、藍(lán)、綠、青、橙、紫、白色的光。因其是壽命長、功耗低、無輻射的節(jié)能環(huán)保型光源,所以近年來,LED光源特別是白光LED引起人們的極大關(guān)注。

LED在照明領(lǐng)域的應(yīng)用主要包括夜景照明、汽車照明、交通燈、專用普通照明、特種照明和安全照明。隨著LED發(fā)光效率的不斷提高,LED照明會慢慢代替白熾燈照明,走入千家萬戶。

2.LED陣列照度計算及其分布研究

2.1LED陣列照度的計算

照度(Luminosity)指物體被照亮的程度,采用單位面積所接受的光通量來表示,表示單位為勒[克斯](Lux),即lm/m2。1勒[克斯]等于1流[明](lm)的光通量均勻分布于1m2面積上的光照度。LED陣列的照度是多個單個LED照度的線性疊加。因此只分析單個LED照度。通常LED所照射的目標(biāo)距離比LED本身大的多,在這種情況下將LED發(fā)光管簡化為一個有一定空間光強(qiáng)分布的點(diǎn)光源。點(diǎn)光源的特點(diǎn)是能以4立體角向周圍空間發(fā)出相同發(fā)光強(qiáng)度的光輻射。假設(shè)面元dS接受LED點(diǎn)光源S的光照,設(shè)點(diǎn)光源S至面元dS的距離為r,并且點(diǎn)光源發(fā)出的元光束的光軸與面元的法線N之間的夾角為,則面元上的照度為:

LED的光強(qiáng)分布不是一個理想的余弦分布,該分布可以表示為:

當(dāng)LED照射到與其光軸方向垂直的平面時,在該平面上的光照度分布為:

以上公式為下面LED陣列照度仿真的依據(jù)公式。

2.2 LED陣列研究

2.2.1 LED陣列中LED間距的分析

由于LED是一種非相干光源,因此兩個LED對平面上某一區(qū)域的光照度為其單個的疊加(多個LED同理疊加),則有(式中d為兩個LED之間的距離)

d增加到0.0218時,原點(diǎn)附近的區(qū)域的光照度不至下降很多,此距離比較合適。通過仿真可以驗(yàn)證計算結(jié)果,如圖1所示,當(dāng)d=0.0218m時,原點(diǎn)附近照度較均勻。 [page]



2.2.2 LED陣列分布研究

LED陣列分布主要研究的是LED陣列分布方式,根據(jù)陣列分布方式不同,可以分為面排列方式和立體排列方式。
面排列方式又分為平面排列與曲面排列。平面排列配光就是將多顆LED以均勻布置,軸線方向的夾角為零,安裝在平面的基板上,形成具有一定面積的面發(fā)光光源。其特點(diǎn)是:光照面積小、光輸出集中、發(fā)光均勻、光照度高。根據(jù)使用的功能要求,具體所形成的發(fā)光面形狀包含矩形、圓形、橢圓等;曲面排列主要包括柱面排列、球面排列、不規(guī)則排列等。
立體排列方式主要包括球體和柱體。

本文鑒于篇幅,只分析平面排列中的矩形與曲面排列中的內(nèi)半圓柱面排列,立體排列其實(shí)是曲面排列的特例(不只分析底面光照,而是各個面的光照),不再作具體分析。

3. LED陣列仿真及比較分析

LED陣列用Matlab軟件進(jìn)行仿真。

3.1矩形平面的仿真結(jié)果及分析

圖2為7×17矩形陣列仿真結(jié)果。本次仿真取陣列距離照射面為6米(根據(jù)具體燈具應(yīng)變換仿真距離)。


從圖2的仿真結(jié)果,我們可以看出,7×17矩形陣列的中心最大照度約為40Lux,在過最大照度的一半即20Lux的區(qū)域?yàn)榫嘀行募s0.75m的范圍內(nèi)。通過以上數(shù)據(jù)可知,矩形陣列的照射范圍比較集中,此類陣列分布的燈具適用于照射面較小且比較集中的照射領(lǐng)域。

3.2內(nèi)半圓柱表面的仿真結(jié)果及分析

圖3為7×17內(nèi)半圓柱陣列仿真結(jié)果。同上,本次仿真取陣列距離照射面為6米。

從圖3的仿真結(jié)果,我們可以看出,7×17內(nèi)半圓柱陣列的中心最大照度約為3.3Lux,在過最大照度的一半即1.65Lux的區(qū)域x軸為距中心約7m的范圍內(nèi),y軸為距中心0.8m的范圍內(nèi)。通過以上數(shù)據(jù)可知,內(nèi)半圓柱陣列的照射范圍分布成長條狀,此類陣列分布的燈具適用于一方向上照射區(qū)域較大且與其垂直方向上照射區(qū)域較小的照射領(lǐng)域。

3.3陣列分布在平面與曲面上的比較

對于以上分析的兩種陣列,所用LED及數(shù)目均相同,但是根據(jù)仿真結(jié)果我們可以看出,在照度大小、照射區(qū)域等方面存在很大的區(qū)別。代表平面的矩形分布的陣列中心照度比較大,達(dá)到了40Lux,但是其照射區(qū)域比較小,20Lux內(nèi)僅有約0.75m的范圍內(nèi),而代表曲面的內(nèi)半圓柱表面分布的陣列中心照度比較小,僅為3.3Lux,但照射區(qū)域比較大,最大照度值一半的區(qū)域在一方向上達(dá)到了7m。

比較仿真結(jié)果可以得出,平面分布陣列的光照面積小、光輸出集中、發(fā)光均勻、光照度高,可以應(yīng)用于模塊照明、照相制版、化妝鏡燈、聚光(投光)燈等;曲面分布陣列照射面積較大,具有發(fā)散的照明效果,可獲得特殊的裝飾照明效果,適用于廣場燈、路燈等。

總之,針對LED照明燈具中LED陣列的照度計算和分布問題,文章著重就LED陣列在具體設(shè)計、分布上作了仿真及較為詳細(xì)的分析,對于設(shè)計出更完美的LED燈具具有一定的參考價值??梢韵嘈?,隨著LED技術(shù)的不斷發(fā)展以及LED照明燈具設(shè)計制造的不斷完善,更新更好的技術(shù)方案及產(chǎn)品將會層出不窮。

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