CN105873296B - 一种基于最佳光效与使用寿命的led电光源装置及其设计方法 - Google Patents

一种基于最佳光效与使用寿命的led电光源装置及其设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于最佳光效与使用寿命的LED电光源装置及其设计方法，其特征包括：整流模块、PFC校正模块、恒流驱动模块和LED灯珠模组。本发明能通过降低LED灯珠的工作电流来减少LED工作时产生的热量，从而能降低LED灯珠工作时的结温，进而降低LED灯珠的光衰现象并提高LED灯珠的光效，最终达到延长LED灯珠的使用寿命，提高电能利用率的目的。

Description

一种基于最佳光效与使用寿命的LED电光源装置及其设计 方法
技术领域
本发明涉及一种基于最佳光效与使用寿命的LED电光源装置及其设计方法，属于半导体照明领域。
背景技术
作为21世纪高新技术产业，LED照明呈现迅猛发展态势，被广泛应用于各行业，具有很好的经济效益。截止当前，LED已在我国多个行业应用较成熟，并发挥了至关重要的积极效应。LED的应用主要集中在以下几个方面:
(1)显示屏
在数字化信息快速发展的推动下，LED以其突出的优点进入显示屏行业中，使得显示屏得以优化升级，同时具备一系列优势：其一由于体积小质量轻，使得该类产品较为轻薄，增加了便携性；其二由于LED的带宽窄，发出的光颜色纯，无杂色光，覆盖整个可见光的全部波段，且可由RGB组合成任意需要的可见光，增加了屏幕亮度与色彩表现力，使其更具均匀性；其三由于发光效率高，续航能力显著提高；其四环保无污染。
(2)汽车车灯
与发达国家相比，当前LED在我国汽车市场的应用正处于起步阶段，诸多方面有待进一步成熟与完善。针对汽车应用的LED研发厂商积极性很高，而LED也确实以它的独特性吸引着车用市场。优点体现为：
其一，使用寿命较长，即汽车照明灯若使用LED，那么正常情况下该车终生无需更换灯具；
其二，高效率、低能耗，符合可持续发展战略理念；
其三，结构较简单，即内部支架结构，四周以透明的环氧树脂密封，抗震性能较好；
其四，亮度高，光线亮度衰减远低于卤素灯；
其五，低压直流电即可驱动LED，负载小，干扰弱，对使用环境要求低，较适用于汽车上；
其六，响应速度较快，点亮无延迟，通常响应时间为纳米级，适应用于移动速度快的物体；
其七，LED体积相对较小，通常不会影响到汽车整体的美观。
(3)在室内、室外照明中，LED应用在景观、商业橱窗、办公环境、隧道和工矿等照明领域。随着技术的进步，LED照明的光效在不断提高，发光效率从开始的40lm/W上升到80lm/W，而且还在不断提高，理论上发光效率可达300lm/W。
然而，尽管LED有以上诸多优点，但由于LED的自身缺陷以及制造技术尚未成熟，导致LED有以下几点的不足：
(1)相对于LED灯的理论光效，市场上LED照明产品的光效普遍偏低；
(2)LED照明产品会随着工作温度的升高而产生光衰，缩短LED照明产品的寿命，当LED光衰到70％时可以认为该LED照明产品不能正常工作；
(3)目前，单个最大功率的LED灯珠也只有5W左右，光通量有限，为达到照明效果需要多个串联或并联。市场上的LED照明产品如(LED日光灯)普遍采用串联连接的结构，虽制作简单，但可靠性太低。一旦串联的LED灯珠中任意一颗灯珠由于各种原因而损坏不能工作的话，则该LED灯就不能正常工作了；
(4)由于LED照明产品都是通过将交流电转化为直流电来工作的，市场上的LED照明产品的功率因数普遍不高，导致电能利用率很低。
发明内容
本发明要解决上述现有技术中所存在的不足之处，提供一种基于最佳光效与使用寿命的LED电光源装置及其设计方法，以期能通过降低LED灯珠的工作电流来减少LED工作时产生的热量，从而能降低LED灯珠工作时的结温，进而降低LED灯珠的光衰现象并提高LED灯珠的光效，最终达到延长LED灯珠的使用寿命，提高电能利用率的目的。
为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：
本发明一种基于最佳光效与使用寿命的LED电光源装置的特点包括：整流模块、PFC校正模块、恒流驱动模块和LED灯珠模组；
所述整流模块接入外部输入电源，用于将交流电转换为直流电，并与所述PFC校正模块相连；
所述PFC校正模块分别与所述恒流驱动模块和所述LED灯珠模组相连，用于为所述恒流驱动模块和所述LED灯珠模组供电；
所述恒流驱动模块与所述LED灯珠模组相连，用于控制并调节所述LED灯珠模组的工作电流。
本发明所述的LED电光源装置的特点也在于：
所述PFC校正模块由2个电解电容和3个二极管组成，且输出电压等于输入电压；第一电解电容的负极分别与第一二极管的阴极和第二二极管的阳极相连；第二电解电容的正极分别与第二二极管的阴极和第三二极管的阳极相连；第一二极管的阳极与第二电解电容的负极相连；第三二极管的负极与第一电解电容的正极相连。
所述LED灯珠模组是由n组LED灯珠串组成；相邻两组LED灯珠串为串联连接；每组LED灯珠串包含m个LED灯珠；每组LED灯珠串中任意两个LED灯珠为并联连接；n>1；m>1。
所述LED灯珠的个数m是根据LED灯珠的额定电流与所述LED灯珠的工作电流之比并向下取整而获得的。
所述LED灯珠串的组数n是根据所述PFC校正模块的输出电压与所述LED灯珠的工作电流所对应的工作电压之比并向下取整而获得的。
本发明一种基于最佳光效与使用寿命的LED电光源设计方法的特点是按如下步骤进行：
步骤1：根据LED寿命与结温之间的关系示意图，得出LED寿命与结温之间的函数关系式为：
L＝Ae-BT (1)
式(1)中，L为LED灯珠的寿命；T为LED灯珠的结温；A、B为常数；
步骤2：利用式(2)获得由所述LED灯珠构成的LED光源在工作时，LED灯珠的结温T所处的最佳范围为：
T＜Tmax (2)
式(2)中，Tmax表示LED灯珠产生光衰的临界温度；
步骤3：利用式(3)拟合出LED灯珠的结温T达到Tmax时所对应的LED灯珠的工作电流：
I＝Imax (3)
式(3)中，I表示稳定工作状态下LED灯珠的工作电流；
步骤4：在LED灯珠的结温T小于临界温度Tmax前提下，利用式(4)获得LED灯珠的工作电流I的范围：
0＜I＜Imax (4)
步骤5：利用式(5)构建LED灯珠的光效E与工作电流I之间的函数关系式为：
E＝aI3+bI2+cI+d (5)
式(5)中，a、b、c、d分别为常系数；
步骤6：利用式(3)获得LED灯珠在临界温度Tmax时所对应的工作电流Imax，再利用式(5)获得在LED灯珠的工作电流I小于Imax情况下所对应的最佳光效Ebest及最佳光效所对应的LED灯珠的电流Ibest。
本发明所述的基于最佳光效与使用寿命的LED电光源设计方法的特点也在于：
所述最佳光效Ebest发生在所述LED灯珠的工作电流I为额定电流的10％～30％时。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明采用降低LED灯珠工作电流的方法，并将具有高可靠性的、串并联相结合的矩阵拓扑结构作为LED灯珠模组的连接方式，解决了现有技术中LED照明产品的结温过高和低可靠性的问题，从而降低了LED照明产品的光衰，提高了LED照明产品的光效，延长了LED照明产品的使用寿命；
2、本发明利用PFC校正模块，将LED照明产品的功率因数从0.5～0.6提高到0.8～0.95，进而提高了LED照明产品的电能利用率；
3、本发明采用串并联相结合的矩阵拓扑结构作为LED灯珠模组的连接方式，相比串联结构或并联结构，都极大的提高了LED灯珠模组的可靠性，降低了模组中任意1颗LED灯珠损坏对其它LED灯珠的影响，进而延长了LED照明产品的使用寿命；
4、本发明根据恒流驱动模块的额定驱动电流与LED灯珠的最佳工作电流，可以精确地计算出LED灯珠模组矩阵拓扑结构的m、n的值，降低了LED灯珠模组设计过程中的复杂性，并提高了可操作性；
5、本发明结合LED灯珠的结温与电流之间的关系，选择低结温T(T＜Tmax)下的电流为LED灯珠的工作电流，在同样的外部散热条件下，可以有效的降低了LED灯珠的光衰，提高了光效，进而延长了LED灯珠的使用寿命；
6、本发明可以将LED灯珠模组的光效提高15～30lm/w。
附图说明
图1是本发明的系统结构框图；
图2是本发明中PFC校正模块示意图；
图3是本发明中LED灯珠模组示意图；
图4是本发明的电路原理图；
图5是本发明中LED的结温与寿命之间的关系示意图；
图6是本发明中LED灯珠模组的光效与LED工作电流的关系示意图。
具体实施方式
本实施例中，基于最佳光效与使用寿命的LED电光源装置，其系统结构如图1所示，包括以下模块：整流模块、PFC校正模块、恒流驱动模块和LED灯珠模组。
其中，整流模块由4个1N4007的整流二极管组成，并接入外部交流输入电源，用于将交流电转换为直流电；然后与PFC校正模块相连，用于提高LED电光源装置的功率因数；
PFC校正模块由2个10uF/400V电解电容和3个1N4007二极管组成，如图2所示。第一电解电容的负极分别与第一二极管的阴极和第二二极管的阳极相连；第二电解电容的正极分别与第二二极管的阴极和第三二极管的阳极相连；第一二极管的阳极与第二电解电容的负极相连；第三二极管的负极与第一电解电容的正极相连。
PFC校正模块的输出电压等于输入电压，并分别与恒流驱动模块和LED灯珠模组相连，用于为恒流驱动模块和LED灯珠模组供电；
恒流驱动模块由NU507恒流驱动芯片组成，并与LED灯珠模组相连，用于控制并调节LED灯珠模组的工作电流；
LED灯珠模组是由n组LED灯珠串组成，其中相邻两组LED灯珠串为串联连接，每组LED灯珠串包含m个LED灯珠，且每组LED灯珠串中任意两个LED灯珠为并联连接，n>1和m>1，如图3所示。其中，LED灯珠串中LED灯珠的个数m是根据LED灯珠的额定电流与LED灯珠的工作电流之比并向下取整而获得的；
LED灯珠串的组数n是根据PFC校正模块的输出电压与LED灯珠的工作电流所对应的工作电压之比并向下取整而获得的。
由于本实施例中PFC校正模块的输出电压为127V，LED灯珠的额定电压为2.8～3.6，LED灯珠的额定电流为60mA，而在本实施例中LED灯珠的实际工作电压为2.5V左右，实际工作电流为20mA，故m取50，n取3。基于最佳光效与使用寿命的LED电光源装置的电路原理图如图4所示。
本实施例中，基于最佳光效与使用寿命的LED电光源设计方法，包含如下步骤：
步骤1：根据LED寿命与结温之间的关系，如图5所示，得出LED寿命与结温之间的函数关系式为：
L＝Ae-BT (1)
式(1)中，L为LED灯珠的寿命；T为LED灯珠的结温；A、B为正常数，与所选LED灯珠的类别型号有关；本实施例中，A＝2.375×1010，B＝3.628；
步骤2：利用式(2)获得由LED灯珠构成的LED光源在工作时，LED灯珠的结温T所处的最佳范围为：
T＜Tmax (2)
式(2)中，Tmax表示LED灯珠产生光衰的临界温度，可通过生产LED灯珠的企业所提供的资料获得。若LED灯珠的结温大于Tmax，则LED灯珠会产生严重的光衰；反之，若结温小于Tmax，则LED灯珠几乎不产生光衰或者产生极小的光衰；本实施例中，Tmax＝60度。
步骤3：观察LED灯珠的结温T随LED灯珠的电流从0逐渐增大到其额定电流的变化情况并记录实验数据，本实施例中，待测量的LED灯珠在工作电流变化的过程中外部散热条件保持不变。在测量LED灯珠结温时，LED灯珠的工作电流每次较上次增大5mA，直到超过额定电流的10％为止。结合实验数据，即增大到66mA；根据实验数据，利用式(3)拟合出LED灯珠的结温T达到Tmax＝60℃时所对应的LED灯珠的工作电流I，即：
I＝30mA (3)
步骤4：在LED灯珠的结温T小于临界温度Tmax前提下，利用式(4)获得LED灯珠的工作电流I的范围：
0＜I＜30mA (4)
步骤5：观察LED灯珠的光效随LED灯珠的工作电流从0逐渐增大时的变化情况并记录实验数据，本实施例中，测量LED灯珠光效时LED的工作电流每次较上次增大5mA，且需要等待LED灯珠通电30分钟以上再进行测量；根据实验数据，拟合出LED灯珠的光效与电流的关系示意图，如图6所示，并利用式(5)构建LED灯珠的光效E与工作电流I之间的函数关系式为：
E＝aI3+bI2+cI+d (5)
式(5)中，E代表LED光源在某一电流下的光效；a、b、c、d分别为常系数；本实施例中，E＝1.186×10-4I3-1.78×10-2I2+4.745×10-1I+112.4；
步骤6：利用式(3)获得LED灯珠在临界温度Tmax时所对应的工作电流Imax，再利用式(5)获得在LED灯珠的工作电流I小于Imax情况下所对应的最佳光效Ebest及最佳光效所对应的LED灯珠的电流Ibest。本实施例中，结合式(4)，再利用式(5)获得在LED灯珠的最佳光效Ebest＝116lm/w及最佳光效所对应的LED灯珠的工作电流Ibest＝15mA。实验证明，最佳光效Ebest发生在LED灯珠的工作电流I为额定电流的10％～30％时。

Claims (2)

1.一种基于最佳光效与使用寿命的LED电光源设计方法，其特征是按如下步骤进行：
步骤1：根据LED寿命与结温之间的关系示意图，得出LED寿命与结温之间的函数关系式为：
L＝Ae-BT (1)
式(1)中，L为LED灯珠的寿命；T为LED灯珠的结温；A、B为常数；
步骤2：利用式(2)获得由所述LED灯珠构成的LED光源在工作时，LED灯珠的结温T所处的最佳范围为：
T＜Tmax (2)
式(2)中，Tmax表示LED灯珠产生光衰的临界温度；
步骤3：利用式(3)拟合出LED灯珠的结温T达到Tmax时所对应的LED灯珠的工作电流：
I＝Imax (3)
式(3)中，I表示稳定工作状态下LED灯珠的工作电流；
步骤4：在LED灯珠的结温T小于临界温度Tmax前提下，利用式(4)获得LED灯珠的工作电流I的范围：
0＜I＜Imax (4)
步骤5：利用式(5)构建LED灯珠的光效E与工作电流I之间的函数关系式为：
E＝aI3+bI2+cI+d (5)
式(5)中，a、b、c、d分别为常系数；
步骤6：利用式(3)获得LED灯珠在临界温度Tmax时所对应的工作电流Imax，再利用式(5)获得在LED灯珠的工作电流I小于Imax情况下所对应的最佳光效Ebest及最佳光效所对应的LED灯珠的电流Ibest。
2.根据权利要求1所述的基于最佳光效与使用寿命的LED电光源设计方法，其特征是：所述最佳光效Ebest发生在所述LED灯珠的工作电流I为额定电流的10％～30％时。
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