基于led系統(tǒng)的照明效率和光通量的預(yù)測方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于LED系統(tǒng)的照明效率和光通量的預(yù)測方法，照明效率預(yù)測方法包括：計(jì)算照明效率E隨結(jié)溫的下降系數(shù)kt、照明效率E隨輸入電流的衰減系數(shù)ki、以及恒定結(jié)溫To下的最大照明效率Eio；根據(jù)公式E＝kt(Tj-To)+Eioexp(-kiI),(I＞0,I≠0)，計(jì)算LED系統(tǒng)在任何結(jié)溫Tj和輸入電流I下的照明效率E。光通量的預(yù)測方法可在得到照明效率的基礎(chǔ)上，再根據(jù)公式φv＝EP，計(jì)算LED系統(tǒng)的光通量φv。本發(fā)明操作簡單，只需測量LED器件的照明效率在恒定電流和恒定結(jié)溫下的兩條變化曲線，就可以得到數(shù)學(xué)模型中的參數(shù)，將參數(shù)代入到由數(shù)學(xué)模型所編成的軟件工具中，便可以預(yù)測出LED系統(tǒng)動態(tài)和穩(wěn)態(tài)情況下的照明效率和光通量，且預(yù)測精度高。
【專利說明】基于LED系統(tǒng)的照明效率和光通量的預(yù)測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及LED系統(tǒng)光性能與熱性能預(yù)測【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及一種基于LED系統(tǒng)的照明效率和光通量的預(yù)測方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，大功率LED系統(tǒng)的性能得到了很大程度的提高。大功率LED系統(tǒng)將有望并逐漸成為可以取代白熾燈和熒光燈的照明光源。到目前為止，LED燈的效率已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過白熾燈，并正在逐漸趕上和正在努力超過熒光燈，它已經(jīng)成為一種新型的綠色照明光源。與熒光燈相比，LED燈有很多優(yōu)點(diǎn)，例如容易調(diào)光、不需要惰性氣體來產(chǎn)生等離子體、穩(wěn)定性強(qiáng)、不易碎等。然而，雖然LED燈有這么多優(yōu)點(diǎn)，但目前它的應(yīng)用仍然局限于中低功率場合，如裝飾、顯示、手電筒、汽車前燈等中低功率場合，在公共照明領(lǐng)域，LED燈還不能完全取代熒光燈。
[0003]目前LED燈不能完全取代熒光燈的主要原因是，LED的照明效率會隨著工作時間的延長而逐漸減弱。過去的諸多研究表明，LED器件的結(jié)溫和注入電流兩個因素均會對LED的照明效率產(chǎn)生影響。也就是說LED燈的照明效率將依賴于它的結(jié)溫和注入電流兩個因素。為了應(yīng)用于公共照明領(lǐng)域，LED系統(tǒng)須提供足夠的亮度。這時大功率LED系統(tǒng)就需要由多個LED器件組合而成。然后，由于LED器件的大部分能量都用于產(chǎn)生熱能，就目前的工藝制造來說，LED器件大約將80%的電能轉(zhuǎn)化為熱能。多個LED器件組裝到一起工作，會導(dǎo)致更高熱量的聚集。LED系統(tǒng)為了保證一定的光通量和穩(wěn)定的光輸出，為了盡量減少結(jié)溫對照明效率的影響，必須采用相應(yīng)的散熱方案。
[0004]LED系統(tǒng)的生產(chǎn)廠家和研究團(tuán)隊(duì)都在努力研發(fā)預(yù)測LED系統(tǒng)的照明效率和發(fā)射光通量的方法。準(zhǔn)確預(yù)測LED系統(tǒng)的照明效率和發(fā)射光通量，對LED系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有很好的指導(dǎo)作用，能夠幫助廠家根據(jù)預(yù)測值而制定設(shè)計(jì)方案，從而最優(yōu)化LED系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
[0005]目前，現(xiàn)有技術(shù)中的一種預(yù)測光通量的方法是香港Ronhui教授提出來的PET理論。PET理論的提出對LED性能的預(yù)測起到了引導(dǎo)作用，它解釋了輸出光通量與結(jié)溫之間的關(guān)系，也給出了最優(yōu)化LED系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方案。在此之后，一種動態(tài)PET理論又被提了出來，此動態(tài)PET理論先是基于對LED系統(tǒng)的熱模型建立，再對瞬態(tài)結(jié)溫溫度進(jìn)行數(shù)學(xué)模型構(gòu)建，最后再將得到的動態(tài)結(jié)溫?cái)?shù)學(xué)模型代入到原Ronhui教授提出的PET理論中的光通量數(shù)學(xué)模型中，從而得到了動態(tài)的光通量數(shù)學(xué)模型。
[0006]基于香港Ronhui教授的PET理論所預(yù)測的光通量會和實(shí)際測量的光通量存在一定的誤差。造成實(shí)際光通量與預(yù)測光通量之間存在誤差的原因就是缺乏對照明效率的準(zhǔn)確定義。使用Ronhui教授的PET理論來預(yù)測光通量的不足在于，它把照明效率的降低僅僅歸因于溫度，并沒有考慮注入電流對照明效率的影響。實(shí)際上照明效率應(yīng)該依賴于結(jié)溫和電流兩個因素。如果僅僅考慮結(jié)溫的話，那么所構(gòu)建的照明效率的數(shù)學(xué)模型將不精確，并且也缺乏了實(shí)際應(yīng)用意義。照明效率定義成總輸出光通量除以總的輸入電功率。眾所周知，照明效率會受到溫度的影響，現(xiàn)有技術(shù)給出了溫度影響發(fā)光效率的理論模型:[0007]E = E0 [ I+ke (TrT0)],
[0008]上述理論模型沒有考慮注入電流對照明效率的影響。實(shí)際上，通過測試得知，注入電流的大小也會對照明效率產(chǎn)生影響，這是香港Ronhui教授提出的最優(yōu)化LED系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法的主要不足之處。
[0009]第二個不足，在于用于預(yù)測LED系統(tǒng)的動態(tài)光通量的數(shù)學(xué)模型，香港Ronhui教授提出的最優(yōu)化LED系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法的第二不足，在于他的方法所基于的動態(tài)光通量的數(shù)學(xué)模型的不足。香港Ronhui教授提出的方法中所采用的動態(tài)光通量的數(shù)學(xué)模型也沒有考慮注入電流對亮度的影響，而僅僅考慮了結(jié)溫的影響，這就造成了對LED系統(tǒng)動態(tài)性能預(yù)測的不精確。
[0010]因此，針對上述技術(shù)問題，需要提出一種基于LED系統(tǒng)的照明效率和光通量的預(yù)測方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]有鑒于此，為了解決現(xiàn)有的不足，本發(fā)明提供了一種基于LED系統(tǒng)的照明效率和光通量的預(yù)測方法，既考慮了結(jié)溫對亮度的影響，也考慮了電流對亮度的影響。
[0012]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明實(shí)施例提供的技術(shù)方案如下:
[0013]一種基于LED系統(tǒng)的照明效率的預(yù)測方法，所述LED系統(tǒng)包括熱沉及安裝于熱沉上的一個或多個LED器件，所述方法包括以下步驟:
[0014]S11、計(jì)算照明效率E隨結(jié)溫的下降系數(shù)kt、照明效率E隨輸入電流的衰減系數(shù)h、以及恒定結(jié)溫T。下的最大照明效率Eitj ；
[0015]S12、根據(jù)公式 E = kt (Tj-T0) +Eioexp (-kj), (I > O, I ^ O),計(jì)算 LED 系統(tǒng)在任何結(jié)溫Tj和輸入電流I下的照明效率E。
[0016]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述步驟Sll具體為:
[0017]S111、在LED系統(tǒng)結(jié)溫恒定條件下，測量照明效率E隨輸入電流I變化的第一曲線，并對第一曲線進(jìn)行擬合，根據(jù)擬合得到的表達(dá)式確定下降系數(shù)kt ；
[0018]S112、在LED系統(tǒng)輸入電流恒定條件下，測量照明效率E隨結(jié)溫Tj變化的第二曲線，并對第二曲線進(jìn)行擬合，根據(jù)擬合得到的表達(dá)式確定衰減系數(shù)h和最大照明效率Ei。。
[0019]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述LED系統(tǒng)中的各個LED器件完全相同，所述結(jié)溫Tj為動態(tài)結(jié)溫時，動態(tài)結(jié)溫為:
【權(quán)利要求】
1.一種基于LED系統(tǒng)的照明效率的預(yù)測方法，所述LED系統(tǒng)包括熱沉及安裝于熱沉上的一個或多個LED器件，其特征在于，所述方法包括以下步驟: 511、計(jì)算照明效率E隨結(jié)溫的下降系數(shù)kt、照明效率E隨輸入電流的衰減系數(shù)匕、以及恒定結(jié)溫T。下的最大照明效率Eitj ； 512、根據(jù)公式E = kt (TrT0)+Eioexp (-kj), (1> 0, 1^ 0)，計(jì)算 LED 系統(tǒng)在任何結(jié)溫Tj和輸入電流I下的照明效率E。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟Sll具體為: 5111、在LED系統(tǒng)結(jié)溫恒定條件下，測量照明效率E隨輸入電流I變化的第一曲線，并對第一曲線進(jìn)行擬合，根據(jù)擬合得到的表達(dá)式確定下降系數(shù)kt ； 5112、在LED系統(tǒng)輸入電流恒定條件下，測量照明效率E隨結(jié)溫Tj變化的第二曲線，并對第二曲線進(jìn)行擬合，根據(jù)擬合得到的表達(dá)式確定衰減系數(shù)h和最大照明效率Ei。。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述LED系統(tǒng)中的各個LED器件完全相同，所述結(jié)溫L為動態(tài)結(jié)溫時，動態(tài)結(jié)溫為:
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述結(jié)溫L為穩(wěn)態(tài)結(jié)溫時，穩(wěn)態(tài)結(jié)溫為:
Tj，steady =Ta+ (Rjc+NRhs) khPd, 穩(wěn)態(tài)結(jié)溫條件下的穩(wěn)態(tài)照明效率為:
E = kt [ (RJC+NRhs) khPd+Ta-T0] +Eioexp (-kj)， 其中，R#為LED器件的熱阻，kh是LED器件的熱消耗系數(shù)，Rhs為熱沉的熱阻，Ta為環(huán)境溫度，N為LED系統(tǒng)中LED器件的個數(shù)，N大于或等于1，Pd為單個LED器件的電功率。
5.一種基于LED系統(tǒng)的光通量的預(yù)測方法，所述LED系統(tǒng)包括熱沉及安裝于熱沉上的一個或多個LED器件，其特征在于，所述方法包括以下步驟: S21、計(jì)算照明效率E隨結(jié)溫的下降系數(shù)kt、照明效率E隨輸入電流的衰減系數(shù)匕、以及恒定結(jié)溫τ。下的最大照明效率Eitj ； S22、根據(jù)公式E= kt (TrT0) +Eioexp (_kj)，(I > O，I關(guān)O)計(jì)算LED系統(tǒng)在任何結(jié)溫Tj和輸入電流I下的照明效率E ； S23、根據(jù)公式Φν= EP，計(jì)算LED系統(tǒng)的光通量Φν，其中，E是LED系統(tǒng)的照明效率，P是LED系統(tǒng)的電功率。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述步驟S21具體為: S211、在LED系統(tǒng)結(jié)溫恒定條件下，測量照明效率E隨輸入電流I變化的第一曲線，并對第一曲線進(jìn)行擬合，根據(jù)擬合得到的表達(dá)式確定下降系數(shù)kt ； S212、在LED系統(tǒng)輸入電流恒定條件下，測量照明效率E隨結(jié)溫Tj變化的第二曲線，并對第二曲線進(jìn)行擬合，根據(jù)擬合得到的表達(dá)式確定衰減系數(shù)h和最大照明效率Ei。。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述LED系統(tǒng)中的各個LED器件完全相同，每個LED器件的照明效率和電功率均相等，LED系統(tǒng)的光通量Φν = NEPd即Φν =N[kt(Tj-T。)+Ε^χρ (-kiI)]Pd，其中，N為LED系統(tǒng)中LED器件的個數(shù)，N大于或等于1，Pd為單個LED器件的電功率。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述結(jié)溫L為動態(tài)結(jié)溫時，動態(tài)結(jié)溫為:
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述結(jié)溫L為穩(wěn)態(tài)結(jié)溫時，穩(wěn)態(tài)結(jié)溫為:
Tj，steady =Ta+ (Rjc+NRhs) khPd, 穩(wěn)態(tài)結(jié)溫條件下的穩(wěn)態(tài)照明效率為:
E = kt [ (RJC+NRhs) khPd+Ta-T0] +Eioexp (-kj)， 穩(wěn)態(tài)結(jié)溫條件下的穩(wěn)態(tài)光通量為:
φ V1Steady = NPdkt [ (Rjc+NRJ khPd+Ta_T。] +NPdEioexp (-kj)， 其中，R#為LED 器件的熱阻，kh是LED器件的熱消耗系數(shù)，Rhs為熱沉的熱阻，Ta為環(huán)境溫度，Pd為LED器件的電功率。
【文檔編號】G01J1/00GK103792003SQ201410078562
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2014年3月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月5日
【發(fā)明者】陶雪慧 申請人:蘇州大學(xué)