基于照明的LED陣列研究與仿真

1、基于照明的LED陣列研究與仿真    基于照明的LED陣列研究與仿真霍彥明吳淑梅（河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院，河北石家莊050018）摘要：LED是21世紀(jì)的綠色光源，具有廣闊的照明前景。該文首先計(jì)算LED陣列的照度疊加，進(jìn)而根據(jù)疊加公式對(duì)陣列仿真，分析兩種LED陣列分布的仿真結(jié)果，得出不同陣列的分布特點(diǎn)，并比較兩種陣列的特點(diǎn)，最后分析出不同陣列分布的適用燈具，為LED燈具設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)。關(guān)鍵詞：LED,陣列,仿真LED是一種壽命長、功耗低、無輻射的節(jié)能環(huán)保型光源,基于照明的LED陣列研究與仿真霍彥明  吳淑梅（河北科技大學(xué)電氣信息學(xué)院，河北

2、石家莊 050018）摘要： LED是21世紀(jì)的綠色光源，具有廣闊的照明前景。該文首先計(jì)算LED陣列的照度疊加，進(jìn)而根據(jù)疊加公式對(duì)陣列仿真，分析兩種LED陣列分布的仿真結(jié)果，得出不同陣列的分布特點(diǎn)，并比較兩種陣列的特點(diǎn)，最后分析出不同陣列分布的適用燈具，為LED燈具設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)。關(guān)鍵詞：LED,陣列,仿真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(cè)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(jì)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

3、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(duì)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(jì)提供精確的參考依據(jù)。1. LED及其照明應(yīng)用LED(LightingEmitting Diode)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。L

4、ED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(huì)慢慢代替白熾燈照明，走入千家萬戶。2. LED陣列照度計(jì)算及其分布研究2.1 LED陣列照度的計(jì)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 1 m2 面積上的光照度。LED陣列的照度是多個(gè)單個(gè)LED照度的線性疊加。因此只分析單個(gè)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)

5、光管簡化為一個(gè)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(gè)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(shí)，在該平面上的光照度分布為：                  以上公式為下面LE

6、D陣列照度仿真的依據(jù)公式。2.2 LED陣列研究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

7、例（不只分析底面光照，而是各個(gè)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

8、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(duì)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

9、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。4. 結(jié)語總之，針對(duì)LED照明燈具中LED陣列的照度計(jì)算和分布問題，文章著重就LED陣列在具體設(shè)計(jì)、分布上作了仿真及較為詳細(xì)的分析，對(duì)于設(shè)計(jì)出更完美的LED燈具具有一定的參考價(jià)值。可以相信，隨著LED技術(shù)