如何提高LED照明燈具效率和照明系統光效？

傳統光源燈具一般利用一個反射器將一個光源的光通量均勻分配到受照面上；而LED照明燈具的光源是由多個LED顆粒組成的，通過設計每個LED的照射方面、透鏡角度、LED 陣列排布的相對位置等要素，可以使受照面獲得均勻并符合要求的照度。LED照明燈具與傳統光源燈具的光學設計不同，如何利用LED光源特點來提高LED照明燈具的效率是設計中必須考慮的關鍵因素。

（1） LED照明燈具的照度計算在被照物體表面上，單位面積內所接收到的光通量稱為照度，以 E 表示，單位為 1x。燈具設計前期的模擬照度計算，是 LED 燈具配光設計的關鍵步驟，其目的地將實際要求與模擬計算的結果相比較，再結合燈具外形結構、散熱情況等條件來決定LED 燈具中 LED 的種類、數量、排布方式、功率和透鏡等。

由于 LED照明燈具中的 LED 數量往往達幾十個乃至 100 多個，對于多個近似“點光源”組合排布在一起的情況，可以采用逐點計算法來計算照度。逐點計算法就是逐一計算每個 LED 計算點上的照度，然后進行疊加計算從而得到總照度。

圖 5-18 所示為逐點法照度計算示意圖。圖中 D 為光源與照度計算點之間的距離，I 為光源在照度計算點方向的光強，α 為光源至被照點連線與光源至被照點所在水平面的垂線之間的夾角。

LED燈具的總照度 E總 可依照下面的公式計算：

E總=I₁cosa₁ / D²₁ + I₂ cosa₂ / D²₂ + …. I_n cosa_n / D²_n

照度計算點方向上的光強Ⅰ則為

I=E_ffΦ

式中，E_ff為透鏡效率，即每流明的光通量通過透鏡后的特定方向的光強值（可以從透鏡的配光曲線中查到)；Φ為 LED 發出的總光通量。

（2）光源光效、燈具效率、光利用率和照明系統光效事實上，對于用戶來說，關心的是照射在實際需要照射到的面積或空間上的照度。光源光效、燈具效率和光利用率都是與 LED照明系統光效相關的概念。

LED光源的光效LED 光源的光通量 ΦLED與 LED 消耗的電功率 P_LED之比。

LED燈具效率 η_燈具為燈具出射光通量Φ_出射所占 LED 光通量Φ_LED的百分比。

光利用率 η_利用為要求被照明的有效面積內的光通量更有效所占 LED 光通量的百分比。

光源發出的光經過燈具配光后投射在目標照明區域上，照明系統出射的是一個圓形光斑，而用戶需要照明的是一個矩形區域。由此圖可以看出，LED光源光通量 ΦLED＝1000lm，功率 P_LED＝15W，有效照明面積之內的光通量中有效為450lm，燈具出射的光通量Φ出射=650lm，據此可得

LED 光源效率 η_{LED =}1000lm/15W≈67lm/W

LED 燈具效率 η_燈具 =（650lm/1000lm）×100%=65％

光利用率 η_利用 =（450]m/1000lm）×100％=45%

LED 照明系統通常由 LED 陣列光源、驅動電路、透鏡和散熱器等部分組成，當考慮 LED 驅動電路的效率可電路時，LED照明系統的光效 η_系統可以按下式來計算：

η_{系統 =} η_LED η_利用

在不考慮驅動電路效率時，LED 照明系統的光效為 67lm/W x  45％ ≈ 30lm/W。如果 LED 驅動電路的效率為85%，系統光效則為 30 1m / W × 85% = 25.5Im/W。

（3）提高 LED 燈具效率和照明系統光效的方法

①提高 LED 燈具效率的方法。

a. 優化散熱設計。

b. 選用透光率高的透鏡。

c. 優化 LED 光源在燈具內部的排列方式。

②提高 LED 照明系統光效的方法

a. 提高 LED 光源的光效。除了選用高光效的 LED光源外，還應當確保燈具的散熱性能，以避免 LED 光源在工作中溫升過高導致光輸出嚴重下降。

b. 選擇適當的 LED 照明電源拓撲結構，保證驅動電路有盡可能高的工作效率，同時滿足特定的電學與驅動要求。

通過合理的燈具結構和光學設計，保證有盡可能高的光學效率(即光利用率)。