LED投光灯的结构优化解析

LED投光灯的结构和其他大多数LED灯具的结构大致一样，主要分为机构件、散热结构、光学部件、LED光源、驱动电源这几部分。LED光源是最核心的部件，其他所有的部件都是围绕着LED光源来进行选择和设计的。而其中机构件和散热结构是有一部分共用的。图6.19所示为一款50W投光灯的结构。

图6.19 50WLED投光灯的结构

传统投光灯的尺寸通常由光源的体积大小及反光杯来决定。而LED投光灯的尺寸大小一般都由功率来决定，也就是由散热器的大小来决定，因为功率越大需要的散热器的尺寸也越大。图6.19中的散热器不仅起着散热的功能，同时也担当着密封光源腔的作用，避免灰尘和水汽进入光源腔对LED造成损坏。背部的一个方形盒子是放置驱动的，这样的结构是将驱动电源和散热器分离，使得电源远离热源，从而可以延长驱动电源的寿命。图6.20所示为驱动电源的放置图。

在不同的应用场合对于灯具的发光角度的要求不尽相同，集成LED通常是采用反光杯来进行配光。图6.19中的反光杯配光出来的角度比较大，其配光曲线图如图6.21所示。从图中可以看到其半光强光束角大约为92°～94°。通过更改反光杯的形状，可以得到不同角度的发光角。图6.22所示为一款小角度的投光灯其配光曲线图如图6.23所示。

图6.20 驱动电源的放置图

图6.21 大角度的50W投光灯配光曲线图

此款小角度投光灯的配光曲线如图6.23所示，其半光强光束角约为30°。

图6.22 小角度的50W投光灯

图6.23 光束角为30°的配光曲线图

集成式LED就是将多颗LED芯片封装在一个基板上，现在市面上比较流行的白光LED，是以蓝光芯片搭配黄光荧光粉最为常见。图6.24所示为一款50W的集成光源。

这里的50W的定义并非科学的叫法，从图中可以看到是50颗LED蓝光芯片，封装在这款支架上，芯片的排列是采用10串5并的方式，如图6.25所示。

图6.24 50W的集成光源

图6.25 50W LED 10串5并

图中每颗芯片设计的工作电流为300mA，正向压降为3.3V，这里的电流和电压都是平均值，在输入电流为1.5A，输入电压为33V时，这款集成LED的功率约为50W。可以看到，LED的功率并非由LED本身的特性决定，而是由驱动LED的电流和电压来决定，但是LED本身的特性决定了其能够工作的最大功率。每颗LED芯片在相同电流的作用下，其正向电压是不尽相同的，而且正向电压值还与芯片的结温有着紧密的联系。人们在测量灯具的功率时常常会发现这种现象，灯具点亮以后，在功率仪上可以看到LED灯具的功率是慢慢的降低，就是因为LED的正向电压随着温度的升高而降低了，而LED通常选用的是恒流驱动，电流是恒定的，随着电压的降低，整灯的功率自然会慢慢下降，而当LED灯具的温度稳定下来，不再升高后，灯具的功率自然就稳定下来。根据不同的灯具结构，其稳定功率的时间从几分钟到几个小时不定。这也是人们在测试灯具的各种光电参数时，需要将灯具预点亮一段时间的原因。

不同厂家生产出来的芯片尺寸并不相同，通常市面上制作单颗白光1W的LED采用的比较多的蓝光芯片尺寸是35mil和45mil两种，35mil和45mil指的是芯片的发光面面积分别为35mil×35mil，45mil×45mil。这里的mil是一个英制长度单位，1mil=0.0254mm。45mil的芯片尺寸大约为1.14mm×1.14mm。不同尺寸的芯片其能够承受的最大电流并不相同，尺寸越大的芯片其在相同的驱动电流下光效会越高。美国普瑞公司是一家固态照明领域（SSL）的领先企业，下面简单介绍一下普瑞45mil蓝光芯片的一些相关参数。普瑞45mil蓝光芯片BXCE45的相关参数见表6.1。

表6.1 普瑞BXCE45的最大值参数

芯片的最大电流与芯片工作时的结温以及预设的应用寿命有关。

采用集成式LED作为投光灯的光源是目前最普遍的结构。也有采用单颗大功率的LED来作为投光灯的光源，图6.26所示为大功率LED的投光灯。

图中采用的是24颗45mil芯片的LED，每颗LED的驱动电流为0.6A，单颗的LED功率为2W左右。单颗LED的结构如图6.27所示。

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图6.26 大功率LED投光灯

图6.27 单颗LED结构图

从图中可以看到，芯片的电气连接是采用双金线的固线方式，保证了LED的稳定性，此款封装结构的LED就是俗称的仿流明结构。最开始是美国流明公司推出的一款经典结构。此款结构因其封装和焊接的便利性，被许多的封装厂进行推广，是现在市面上流行最广泛的一款LED。根据其内部封装的芯片的大小，通常用来驱动1～3W的LED。

通过将单颗LED焊接在印制电路板上，形成一定的电路连接，然后选用相应的驱动电源来驱动。其电路连接可以根据不同的驱动电源来设计不同的电路连接。采用多颗大功率的LED与采用集成式LED的结构相比，在散热方面会有更加良好的效果，因为热源的分布更加广泛。与集成式LED通常采用反光杯来进行配光相比，单颗LED光源通常都是采用透镜来进行配光，对于不同出光角度的需求，可以简单地更换不同角度的透镜即可，而在结构上基本没有改变。

RGB投光灯在景观照明中的应用不逊色于普通照明，RGB投光灯的结构之前已经讲解过，采用的是单颗单色的LED，通过一定的顺序排列，通过特定的驱动电源来控制RGB光源的变化，达到美化环境的效果。这里的红绿蓝三原色的LED其特性各有不同，除了最明显的色系的差别以外，红绿蓝三种LED在额定工作电流下的正向电压也不相同。RGB的投光灯由采用多颗单色光的LED组成，这种投光灯其结构固定位置上的LED只能发出固定颜色的光，整个灯具的色彩变化性比较单一。而另一种更优化的结构是将不同颜色的LED芯片封装在单颗支架里面，使单颗的LED灯珠可以发出不同颜色的光。图6.28所示为单颗RGB的LED。

从图中可以看到三颗不同颜色的LED封装在一个支架里，外部是6个引脚，其电气原理图如图6.29所示。

图6.28 单颗RGB的LED

图6.29 单颗RGB的LED电气原理图

从图中可以看到，每颗不同颜色的LED分别都有正负两个引脚，三颗LED芯片虽然封装在一起，但是其电气连接都是相互独立的。另一种单颗RGB的LED的结构如图6.30所示。

从图中可以看到，这种单颗RGB的LED其总共是4个引脚，其电气原理图如图6.31所示。

图6.30 另一种单颗RGB的LED

图6.31 4引脚单颗RGB的LED电气原理图

从图中可以看到三颗不同颜色的芯片其正极是联通的，而负极是分开的，这种RGB的LED通常叫做共阳极RGB的LED；如果是正极分开，负极联通的，则被称为共阴极RGB的LED。除了采用单颗大功率的RGB灯珠来制作RGB的投光灯以外，还可以采用RGB集成光源来制作。相比较单颗大功率的RGB来说，RGB集成光源用来制作灯具生产更方便、简捷。图6.32所示为一款RGB的集成光源。

从图中可以看到，和普通白光的集成光源相比，三种不同颜色的芯片排成一串，其电气原理如图6.33所示，图中可以看到三串芯片是共阳极连接。

图6.32 RGB的集成光源

图6.33 RGB集成光源电气原理

RGB投光灯分为内控和外控两种控制。内控和外控即内部控制和外部控制。内部控制就是RGB投光灯内部已经编写好固定的程序，RGB投光灯就是按照固定的程序进行色彩变化。这种内控的RGB投光灯通常都是单个的灯具独立使用时采用的方案。而外控即外部控制，就是可以通过外部的一个主机控制多款数量较多的RGB投光灯，而且RGB投光灯的色彩变化可以按照任意的需求，通过主机的控制来实现。图6.34为一种DMX512外控投光灯的系统工程接线图。

图6.34 DMX512外控投光灯的系统工程接线图

这种外控的系统通常都是应用在大量的RGB灯具共同使用的场所，通过一个主机控制多盏RGB投光灯，达到震撼的视觉效果。