智能LED照明系统设计流程分析

由于我国LED 产业发展的不均衡以及部分相关工程人员LED 专业知识的欠缺，致使盲目使用LED 照明颗粒以及LED 照明系统设计的不合理现象的出现。从LED 照明颗粒原理及特点入手，结合工程实践经验讨论了LED 照明系统设计流程及注意事项，给出了解决相应问题的建议。

一、LED 照明颗粒原理及特点

LED 即发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。LED 的核心结构是一个半导体的晶片，晶片的一端附在支架上，一端为负极，另一端连接电源的正极，并将整个晶片用环氧树脂( 胶) 封装起来。

图3 LED 结构示意图

LED 结构如图3 所示，基本结构包括： 环氧树脂、晶片、金线、银胶及支架。环氧树脂的作用是保护LED 的内部结构，添加不同材料或塑造形状可改变LED 发光二极管的发光颜色、亮度及角度。晶片是LED 的主要组成材料，半导体晶片由两部分组成： 一部分是P 型半导体，在它里面空穴占主导地位; 另一部分是N 型半导体，在此处主要是电子。

当这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个“P - N 结”。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P 区，在P 区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，而光的波长也就是光的颜色是由形成“P - N 结”的材料决定的。LED 中金线用于连接晶片焊垫( PAD) 与支架，并使其能够导通; 银胶起到固定晶片和导电作用; 支架是由支架素材经过电镀而形成。

LED 相对于白炽灯、荧光灯等传统光源的优势不仅体现在发光质量方面，在其生产、制造及易用性方面都大大得到改善。相对于老一代发光设备，LED 的特点主要体现在以下几个方面：

1) LED 为环氧树脂包裹结构，同时元器件封装体积一般较小，无需考虑将灯管内部空气抽取再注入惰性气体，因此在抗振动、抗冲击性方面具有良好的性能，为生产、运输及安装等各个环节提供便利。

2) LED 的光线能量集中度高，指向性好，集中在较小的波长窗口内，纯度高，亮度衰减比传统光源低很多。

3) LED 器件属于固体冷光源，由于环氧树脂封装使得灯体内部没有易于松动的结构，不存在灯丝发光易烧毁、热沉积等缺点，普遍使用寿命在5 万～ 10 万h 之间，即使频繁开关也不会影响到使用寿命。

4) LED 在生产过程中不添加“汞”，废弃物可回收，光谱中没有紫外线和红外线，热量低并且无频闪、无辐射，可以安全触摸，属于典型的绿色照明光源。

5) LED 响应时间非常快，在微秒级别。

6) LED 使用低压直流电源即可驱动，超低功耗( 单管功率为0. 03 ～ 1 W) ，对使用环境要求较低。

7) LED 可利用红、绿及蓝三基色原理，在计算机技术控制下使三种颜色具有256 级灰度并任意混合，即可产生16 777 216 种颜色，形成不同光色的组合，实现丰富多彩的动态变化效果及各种图像。

二、LED 照明系统设计流程及注意事项

LED 照明系统设计的基本流程以及注意事项有以下几点。

( 1) 结合应用环境确认照明需求

由于现存的大部分照明灯饰基本都属于传统光源的范畴，如果全部将其丢弃而搭建全新的LED 照明系统将会是极大的浪费，因此客观地分析现存灯饰的光学结构，结合LED 的照明特点以及实际应用成本考虑是否替换或改进。

部分传统光源采用经灯罩内部反射后再投射到路面的光学照明结构，这种结构源于传统光源属于全指向性光源，这样在其灯罩内部会造成不同程度的光学效率软降低，使用指向性较好的LED 光源就可以避免此类问题的发生。将反射体设计、光学透镜设计、高可靠的LED 电源设计及野外防雷电感应等关键环节纳入到照明需求论证方案中进行论证。

( 2) 分析系统指标得出设计目标

在确认照明需求的前提下，计算总体光照需求以及配套设备( 灯杆、灯头以及太阳能光伏系统等) 的功耗，根据分析所得的环境参数选择驱动、控制器件等级、壳体材料硬度以及柔韧度等参数。

由于我国已成为继美国之后的世界第二大电力消费大国，对于用电紧张的地区需要考虑是否引入太阳能光伏供电系统，对于太阳能板的安装角度问题可以采用通过多类型传感器融合数字信号跟踪算法、利用纬度大致估计倾斜度等方法，如下表所示。

表1 太阳能板安装倾斜度纬度对照表