LED在室内照明中的应用_迟鑫.pdf

光源与照明 总第 176 期 2023 年 1 月 照明工程21LED 在室内照明中的应用迟 鑫广西机电技师学院，广西 柳州 545000摘要：在科学技术快速发展的过程中，市场上出现了新的照明方式 LED 照明，与普通照明相比，LED照明兼具技术性、经济性、节能性优势，在当前及未来都有大力推广的必要性。建筑室内设计中，照明设计为不可忽视的部分，传统照明设计的理念落后、方法单一，为提高室内照明的实用性、环保性，设计人员需根据照明需求科学利用 LED 照明，构建更为稳定实用的室内照明系统。基于此，文章重点分析了室内照明中 LED 的应用要点，对室内照明设计具有指导价值。关键词：室内照明；LED；半导体；智能控制分类号：TM923.340引言LED 照明技术为一种全新照明技术，LED 中的半导体器件负责电能与光能的转换，LED 的节能性、环保性相对理想，克服了传统照明技术的诸多不足。当下我国的建筑行业迅猛发展，人们的生活水平显著提高，室内照明设计应采用现代化思想，以满足人们的多种追求。不同的室内照明设计有其独特的设计要求，设计人员在利用 LED 的过程中不仅需遵守相关标准，更需考虑室内照明的特殊要求，调整细节，发挥 LED在整个照明系统中的作用。1LED 的特点1.1 节能环保LED 的节能环保性是普通灯具无法比拟的，正是因为这一方面的特点，当前市场上 LED 的应用范围显著扩大。LED 采用低压电源，工作电压维持在 2.0 3.6 V之间，依据相关试验，LED 的单管耗电量非常小，不超 0.1 W，电能节约明显1。为此，在各个场所的照明设计中，设计人员可根据实际情况科学利用 LED 降低电能消耗。1.2 照明亮度高LED 的照明亮度非常高，这同样是普通照明灯具无法达到的，在照明设计中设计人员可根据需求将LED 的照明亮度控制在合理区间。LED 使用时的散热量也较小，正是由于这一特点，LED 比普通灯具耗电量低。1.3 使用方便LED 的特殊性决定了其在照明系统中的应用便捷性，不论是室内照明还是公共照明，LED 的安装与使用都相对便捷，设计人员只需要遵守有关的操作规范。LED 灯具在环氧树脂材料中安装了电子晶片，这一结构的灯具体积小、重量轻，为安装操作带来了诸多便捷2。1.4 使用寿命长普通照明灯具在使用过程中经常出现故障，后续需更换新设备，而 LED 的使用寿命较长，故障率较低。根据大量的应用经验，只要电压与电流相对正常，LED 的使用寿命可保持在 80 000 100 000 h 之间，即使在相对复杂的环境下，LED 也能保持其性能，不会出现较多的性能损坏现象。1.5 坚固耐用LED 的关键器件被包裹于环氧树脂材料中，这使得外部作用力对元器件的损伤大大减小，基本不会因为内部元器件受损而影响 LED 的使用。因此，与普通灯具相比，LED 更坚固耐用、更安全，同时具有良好的抗震性、适用范围广、应用效果好。2在室内照明中应用 LED 时应考虑的问题2.1 散热LED 光源属于半导体发光光源，对温度有极大的敏感性，如果 LED 的工作温度超过 85，光通量将下降 50%，波长变长，出现红移动现象；如果温度达90，部分元器件可能被烧损，影响照明。芯片与驱作者简介：迟鑫，男，本科，二级实习指导教师，研究方向为电气自动化。文章编号：2096-9317（2023）01-0021-03 照明工程 2023 年 第 1 期 总第 176 期 光源与照明22动电源是 LED 光源的关键组成部分，其中，芯片可将电能转换为光能，此时有部分能量被转化为热量，LED 为点光源，产生的热量会集中于较小区域3。驱动电源中的变压器、开关管、电解电容、储能电感等均为发热量较大的元器件，考虑到散热问题，在利用LED 时需严格控制工作温度，一般不得超过 65。在室内照明中应用 LED 时，散热是必须考虑的问题，如散热条件不佳，将影响灯具的性能和使用寿命。2.2 价格LED 的材料、构造及照明原理具有特殊性，这意味着其比普通灯具的价格更高，如在室内照明中用LED 替换传统灯具，需加设驱动电路、灯壳、灯头等。同等亮度条件下，普通节能灯的成本在 0.5 1.5 元/W之间，而 LED 的成本远远超出这一成本区间，达到 5 10 元/W。但由于 LED 的使用寿命较长，节能灯与LED 的成本相差不大。随着晶片生产技术的进步，未来 LED 的价格将逐步降低。2.3 光生物安全蓝光对人体危害较大，如长期受到蓝光影响，人体视网膜可能被损伤。市场上的许多照明产品都存在蓝光危害，根据调查，照明产品的蓝光危害与光谱成分、亮度等有关。在光谱成分中，色温为主要的影响因素。LED 光源具备极强的方向性，发光亮度非常高，一旦光源色温达到 4 000 K，必将存在光生物辐射危害。为此，在室内照明设计中应用 LED 时，设计人员需考虑光生物安全方面的问题。3LED 在室内照明中的应用形式在室内照明中，LED 的应用十分普遍，室内照明灯类型较多，如灯管、射灯、筒灯、格栅灯、灯泡等。以 LED 灯管为例，其与荧光灯在外形、尺寸、口径等方面高度相似。LED 灯管存在 T5、T8 和 T10 之别，长度也各有不同，主要有 0.6 m、0.9 m、1.2 m、1.5 m、1.8 m 几种。现阶段，市场上的 LED 主要采用 PC 加散热铝，散热性良好，且光线分布更均匀。LED 灯管采用直流电驱动，根据电源使用位置分为内置式和外置式两种类型，前者的电源位于灯管内部，后者的电源位于灯管外部。如果用 LED 灯管替换普通荧光灯，常用内置式电源，在具体的安装作业中需去除原有荧光灯的镇流器、启辉器，然后在灯管两端加装交流 220 V电源。对于 LED 射灯，一般用其替代传统卤钨灯，其主要采用内置式电源。LED 筒灯的应用较少，多用于局部照明。4室内照明中 LED 的应用要点4.1 室内 LED 的控制室内照明中采用 LED 时，控制方法十分关键，原先的技术条件下，主要采用单灯控制、群组控制、手动控制的方式，随着信息技术稳步发展，形成了智能化控制模式。4.1.1 调光控制在 LED 照明的调光控制中，需保障调光的准确度、高效性，在具体的控制中要重点关注调光精度、范围与效率。国内外学者对调光的研究较多，如以 UC3842作为控制芯片设计 LED 驱动电源，形成了模拟调光、脉宽调制调光、混合调光策略；以 CIE 色度图、PWM为基础的 LED 照明控制方式也较有效，在此控制机制下照明系统的光谱、颜色和色温基本可达到要求；LED容易与数字电路结合，可以将 Wi-Fi 无线通信技术、手机 APP 控制终端和 LED 照明系统相连，全面控制LED 输出光的各个要素，达到光通量调节的目标4。调光技术的研究更多地集中在驱动器、灯丝、电路与系统方面，通过改进可以提高调光设备的运行效率，进一步增大调光范围。在实际工作中，一般会将原有复杂电路简单化，以最大化保障调节精度。但是，现有的研究过于关注改良调光系统硬件性能，而未考虑照度传感器和人员传感器之间的信息交互，导致部分调光系统难以达到行业内照明标准。为此，未来相关人员需加大对多传感器信息融合的研究力度。4.1.2 亮度、色温控制在室内照明中应用 LED 时，为灵活调节亮度、色温等参数，需在控制系统内采用智能控制算法，分析时间、天气、人员行为等有关影响因素，利用综合计算与调控的方式使照明亮度符合要求。在现阶段的技术条件下，调节亮度、色温时多采用模糊逻辑、神经网络预测等理论，在这些理论指导下基本实现了初步调节，但控制精度不足。为提高调节精度，还需在原有技术基础中融入大数据分析等现代化技术5。4.1.3 调色控制在 LED 的控制中，为进一步扩大调色范围，保障控制准度，有关人员需开展 LED 调色控制建模，依据模型分析与算法分析结果，改进原有设备、优化控制算法，以提升灯具颜色表达精确度、扩展调节范围。结合大量的研究成果，调色技术发展的核心是将灯具光源与照明 总第 176 期 2023 年 1 月 照明工程23颜色调节与其他领域高度融合，如与医学结合，利用调节灯具颜色的方式对人的视觉与心理感受产生影响。4.2 室内 LED 的开关驱动为提高驱动控制整体水平，在室内 LED 开关驱动方面需选择恰当的驱动控制方式，有关人员需优化启动器的硬件性能，在当前及未来需保持驱动控制模块、通信模块的融合，引入现代通信技术，提高驱动器的集成性。研究驱动器的目的是保障驱动器的性能，减小成本投入，简化系统结构，使系统在稳定运行的过程中有更完善的功能和更优越的性能。当前，常用 LED驱动器包括分段式 LED 驱动器、无电解电容两级 AC LED 驱动器、PFC+Buck/Boost 无电解电容 LED 驱动器、基于 CLL 谐振的多路输出 LED 驱动器、基于 FPGA 的分段式 AC LED 驱动器等，这些驱动器的研究都取得了一定的成效，也在照明方面有所应用。但每种驱动控制器都有各自的适用条件，在具体应用中也有各自的优缺点，在未来还有优化的空间。在驱动器研究方面也产生了很多新的研究成果，如基于射频通信方式的智能照明驱动器、2 MHz 单芯片降压-升压 DC-DC 转换器和 LED 驱动器。随着室内照明中 LED 应用范围的扩大，为形成更科学的照明系统，行业内对 LED 驱动器有了更高的性能、功能要求，相关人员在实际工作中需根据实际工作要求，引进新技术，研发全新的驱动装置，以确保照明控制系统的运行保持极高的可靠性，达到实时调节的目标。4.3 室内照明智能控制策略4.3.1 室内照明和自然光的结合控制近年来，人们的节能环保意识显著增强，在室内照明设计中需改变原先的设计理念，采用更节能环保的 LED。随着照明控制系统的设计难度加大，单纯利用节能灯具难以达到预期目标，需要将自然光引入室内，实现节能效果。与人造光相比，自然光更为舒适，能营造良好的光照条件，在许多室内照明设计中都实现了自然光与人造光的结合。在具体的设计中，设计人员需建立模型，采用专业化计算方法，获取节能要求下的光照条件。目前，室内照明与自然光的结合控制取得了一定的研究成果，但很多还处于仿真阶段，有关技术相对滞后，并不能满足人们的照明需求。要在室内照明中大范围推广这些技术，还需开展大量的预测与仿真实验，以保障模型精准度，需要在分析与计算的基础上优化控制系统，使控制系统更为精准地控制照明设备。在此过程中需考虑室内条件的特殊性，建立室内照明与自然光的关联函数，针对房间类型、地域情况评价照明舒适度。4.3.2 基于用户行为的控制在室内照明中实施精准控制需要确保照明符合人们的实际需求，随着人们生活水平显著提高，人们对照明提出了更高要求，在照明控制方面应充分考虑用户的行为与需求，形成个性化控制机制。当前，行业内出现了一些被行业认可的研究成果，针对用户行为控制的研究成就突出，具体表现在传感器采集用户行为数据上，当采集到用户的大量信息后，相关人员可通过整合处理信息来建立专有模型，在模型中实施照明系统的预测控制。未来，随着技术稳步发展，有关人员需将研究重心放在用户视觉评价上，利用用户视觉体验评价和参数变化评估建立模型。4.3.3 基于智能算法的控制为达到智能化控制目标，智能算法必不可少，当前行业内关于智能算法的研究非常多，但主要集中在提高调节精度与提升节能效果上。目前，照明用户各有各的需求，坚持采用传统的控制模式难以取得最佳的控制效果，需要通过构建智能化控制体系解决这一问题。在引入智能算法，实施智能控制时，有关人员需在其中融入大数据采集、分析与预测等相关技术，实时采集不同区域内的数据，利用这些数据建立对应的模型，预测用户行为与习惯，在此基础上精准控制照明设备。5结束语LED 有其突出优势，在室内照明中可用 LED 灯具替代传统灯具，发挥 LED 的节能、环保优势。当前，行业对室内照明提出了全新的要求，相关人员在利用LED 时需考虑灯具选型、控制系统设计等问题，以保障照明效果。参考文献1 刘鹰.LED照明技术在渔业中的研究应用及展望J.大连海洋大学学报,2020,35