如何提高LED照明灯具效率和照明系统光效？

传统光源灯具一般利用一个反射器将一个光源的光通量均匀分配到受照面上；而LED照明灯具的光源是由多个LED颗粒组成的，通过设计每个LED的照射方面、透镜角度、LED 阵列排布的相对位置等要素，可以使受照面获得均匀并符合要求的照度。LED照明灯具与传统光源灯具的光学设计不同，如何利用LED光源特点来提高LED照明灯具的效率是设计中必须考虑的关键因素。

（1） LED照明灯具的照度计算在被照物体表面上，单位面积内所接收到的光通量称为照度，以 E 表示，单位为 1x。灯具设计前期的模拟照度计算，是 LED 灯具配光设计的关键步骤，其目的地将实际要求与模拟计算的结果相比较，再结合灯具外形结构、散热情况等条件来决定LED 灯具中 LED 的种类、数量、排布方式、功率和透镜等。

由于 LED照明灯具中的 LED 数量往往达几十个乃至 100 多个，对于多个近似“点光源”组合排布在一起的情况，可以采用逐点计算法来计算照度。逐点计算法就是逐一计算每个 LED 计算点上的照度，然后进行叠加计算从而得到总照度。

图 5-18 所示为逐点法照度计算示意图。图中 D 为光源与照度计算点之间的距离，I 为光源在照度计算点方向的光强，α 为光源至被照点连线与光源至被照点所在水平面的垂线之间的夹角。

LED灯具的总照度 E总 可依照下面的公式计算：

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

照度计算点方向上的光强Ⅰ则为

I=E_ffΦ

式中，E_ff为透镜效率，即每流明的光通量通过透镜后的特定方向的光强值（可以从透镜的配光曲线中查到)；Φ为 LED 发出的总光通量。

（2）光源光效、灯具效率、光利用率和照明系统光效事实上，对于用户来说，关心的是照射在实际需要照射到的面积或空间上的照度。光源光效、灯具效率和光利用率都是与 LED照明系统光效相关的概念。

LED光源的光效LED 光源的光通量 ΦLED与 LED 消耗的电功率 P_LED之比。

LED灯具效率 η_灯具为灯具出射光通量Φ_出射所占 LED 光通量Φ_LED的百分比。

光利用率 η_利用为要求被照明的有效面积内的光通量更有效所占 LED 光通量的百分比。

光源发出的光经过灯具配光后投射在目标照明区域上，照明系统出射的是一个圆形光斑，而用户需要照明的是一个矩形区域。由此图可以看出，LED光源光通量 ΦLED＝1000lm，功率 P_LED＝15W，有效照明面积之内的光通量中有效为450lm，灯具出射的光通量Φ出射=650lm，据此可得

LED 光源效率 η_{LED =}1000lm/15W≈67lm/W

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

光利用率 η_利用 =（450]m/1000lm）×100％=45%

LED 照明系统通常由 LED 阵列光源、驱动电路、透镜和散热器等部分组成，当考虑 LED 驱动电路的效率可电路时，LED照明系统的光效 η_系统可以按下式来计算：

η_{系统 =} η_LED η_利用

在不考虑驱动电路效率时，LED 照明系统的光效为 67lm/W x  45％ ≈ 30lm/W。如果 LED 驱动电路的效率为85%，系统光效则为 30 1m / W × 85% = 25.5Im/W。

（3）提高 LED 灯具效率和照明系统光效的方法

①提高 LED 灯具效率的方法。

a. 优化散热设计。

b. 选用透光率高的透镜。

c. 优化 LED 光源在灯具内部的排列方式。

②提高 LED 照明系统光效的方法

a. 提高 LED 光源的光效。除了选用高光效的 LED光源外，还应当确保灯具的散热性能，以避免 LED 光源在工作中温升过高导致光输出严重下降。

b. 选择适当的 LED 照明电源拓扑结构，保证驱动电路有尽可能高的工作效率，同时满足特定的电学与驱动要求。

通过合理的灯具结构和光学设计，保证有尽可能高的光学效率(即光利用率)。