LED 基本知识ABC, 上传混光计算工具

xymfei

突然有个想法我应该在这个板块写个关于LED基本知识和应用的帖子，看到很多鱼友都在用LED，选LED的产品，希望给大家一些帮助。

本人从事LED行业也有八年了，从最早汽车应用推广到后来的LED照明，基本上可以说看着LED光效的增长和整个行业的发展，所以在这里把我知道的和大家做一个分享，如有不对之处望指出。

1.LED的历史
LED最早在1960年由美国GE和HP公司发明的，当时只有红光，后来直到1987年日本的日亚公司才发明了蓝光，随后出现了白光，真正的商品化在2000年以后。所以可以说还是非常新的一个技术，如果说到照明，基本上是从2007年才开始的，由于当时光效已经有所提高，所以大家可以用他来照鱼缸可能也就近些年的事情了，大家还是都很赶潮流的。

2.LED的基本概念
特别在这里讲一下这些基本概念，在后面鱼缸照明的应用中经常用到的。
　　1967年法国第十三届国际计量大会规定了以 坎德拉、坎德拉/平方米、流明、勒克斯分别作为发光强度、光亮度、光通量和光照度等的单位，为统一工程技术中使用的光学度量单位有重要意义。为使您了解和使用便利，以下将有关知识做一简单介绍：
1. 坎德拉（candela）
　　在每平方米101325牛顿的标准大气压下，面积等于1/60平方厘米的绝对“黑体”（即能够吸收全部外来光线而毫无反射的理想物体），在纯铂（Pt）凝固温度（约2042K或1769℃）时，沿垂直方向的发光强度为1 坎德拉。并且，烛光、国际烛光、坎德拉 三个概念是有区别的，不宜等同。从数量上看，60 坎德拉等于58.8国际烛光，亥夫纳灯的1烛光等于0.885国际烛光或0.919坎德拉。
2. 发光强度与光亮度
　　发光强度简称光强，国际单位是candela（坎德拉）简写cd。Lcd是指光源在指定方向的单位立体角内发出的光通量。光源辐射是均匀时，则光强为I=F/Ω，Ω为立体角，单位为球面度（sr）,F为光通量，单位是流明，对于点光源由I=F/4 。光亮度是表示发光面明亮程度的，指发光表面在指定方向的发光强度与垂直且指定方向的发光面的面积之比，单位是坎德拉/平方米。对于一个漫散射面，尽管各个方向的光强和光通量不同，但各个方向的亮度都是相等的。电视机的荧光屏就是近似于这样的漫散射面，所以从各个方向上观看图像，都有相同的亮度感。
　　以下是部分光源的亮度值：单位cd/m²
　　太阳：1.5*10 ；日光灯：（5—10）*10³；月光（满月）：2.5*10³；黑白电视机荧光屏：120左右；彩色电视机荧光屏：80左右。
3. 光通量与流明
　　光源所发出的光能是向所有方向辐射的，对于在单位时间里通过某一面积的光能，称为通过这一面积的辐射能通量。各色光的频率不同，眼睛对各色光的敏感度也有所不同，即使各色光的辐射能通量相等，在视觉上并不能产生相同的明亮程度，在各色光中，黄、绿色光能激起最大的明亮感觉。如果用绿色光作水准，令它的光通量等于辐射能通量，则对其它色光来说，激起明亮感觉的本领比绿色光为小，光通量也小于辐射能通量。光通量的单位是流明，是英文lumen的音译，简写为lm。绝对黑体在铂的凝固温度下，从5.305*10³cm²面积上辐射出来的光通量为1lm。为表明光强和光通量的关系，发光强度为1坎德拉的点光源在单位立体角（1球面度）内发出的光通量为1流明。一只40W的日光灯输出的光通量大约是2100流明。
4. 光照度与勒克斯
　　光照度可用照度计直接测量。光照度的单位是勒克斯，是英文lux的音译，也可写为lx。被光均匀照射的物体，在1平方米面积上得到的光通量是1流明时，它的照度是1勒克斯。有时为了充分利用光源，常在光源上附加一个反射装置，使得某些方向能够得到比较多的光通量，以增加这一被照面上的照度。例如汽车前灯、手电筒、摄影灯等。

e. 光效
f. 功率
g. 寿命及光衰
h. 配光
这部分稍后来更新

3.LED应用中的问题
a. 传统光源基本上在光效上趋于稳定，很多年没有变化，所以人们经常用某种光源的功率来设计指标，因为功率定了基本上光输出都定了，而LED完全不同，由于每家公司的技术能力不同，目前能达到的光效还是有很大的不同，所以当我们讲LED用多大的功率的时候并不能表明有多亮，甚至别人1瓦的比你3瓦亮，完全有可能。所以首先讲功率比较不科学，希望各位选择LED产品时候要注意，特别是有些商家希望说自己的产品是3瓦灯珠就想买贵一些。
b. 另外要讲的还是功率，目前其实很多大功率LED驱动电流是有个上限的，比如1A，也就是说最大功率是1x3.1，平时说的3瓦灯珠，但是是个最大值，应用时当然不怎么容易，不然光衰很严重，这又是个陷阱哦。通常设计时都会留余量，不会去用到最大电流，比如1A我们用到700mA。
c.散热的问题，散热的好坏直接影响到的不光只有寿命，另外还有光输出，也就是说散热不好，灯本身亮度就低了，更不用谈寿命，光的衰减也会很快，所以散热的确非常重要，看到很多人自己D和成品LED灯都用了风扇，这个不好说对错，但是通常的LED产品里还是比较少用的，最好是可以看一下LED焊脚的温度，然后计算一下结温，有没有超过最大值，可以的话可以看下该结温下的光衰减。
d.颜色配比，大家为了满足鱼缸色温的要求通常需要白光和蓝光搭配，但是按照功率来配比又是件不靠谱的事情，有些人可以目测当然属于牛人，或者个人喜好偏蓝，但是我还是给大家讲讲关于这个配光的事情，下面会附上自己做的一个工具，方便大家计算。
Color mixing with CCT.zip (29.36 KB, 下载次数: 1666)

2012-2-28 22:33 上传

点击文件名下载附件

4. 以下这篇文章是我找到对鱼缸照明设计的理论基础，LED的使用计算都可以基于这个数据。

1、 什么是光？光与水草、海水生物之重要性
光可说是一种能量。水草藉着光能、二氧化碳和水进行光合成作用，制造葡萄糖等养份供应水草本身需要，而副产品为氧气。而此氧气适足于提供于鱼呼吸之需要。同样，海水生物缸内某些藻类（algae）或所谓共生藻类（Zooxanthellae）藉着光也行光合成作用而成长，提供软体生物（corals、invertebrates）等需要。所以，无论水草或海水生物水槽均需藉由人工提供适量的二氧化碳（CO2）与光能结合进行光合作用，共生藻类和植物藉以繁衍或成长，鱼儿或海水生物或呼吸或取食藻类，光能则藉以传递而形成共生的食物链。
反之，植物或藻类缺乏光能的取得，则必褪色或直接枯萎而死亡。相对的，鱼儿或海水生物则无所依附也必然难逃死亡的命运，完整的水草或海水生物生态缸即无法形成。

水缸光量的需求与比温、演色的取舍
按水草、海水生物是高光量的需求。方能营造类如其自然完整生态始竟其功，是不待赘言。惟何等的光量始足够？又何谓色温？色温有何重要性？什么叫演色性？有其必要吗？照度与流明又是什么？相信，这些有关“光”的名词多少困扰着初学者。
其实，如前所说，营造一缸完美的水草、海水生物生态缸，无非是站在模拟的角度，绝非等同于自然的生态环境。所以，就实证的经验，藉此一一阐述。

A、照明与流明──自然的生态环境，因无法测得太阳的流明值仅得藉照度计测出其水草、海水生长环境的水流表面的照度值（勒克斯，Lux）（注四）如某一水草生长的环境的正午水流表面的照度值是11000Lux。当然，如依样画葫芦，以照度计（市面上可购得）先在空缸上、中、底层先量测灯光的照明值亦不失一法，但灌水满后，灯具设计的良窳致水的折射角度偏差甚巨，原测得的照度值Lux未免多所落空。
为此，个人一向主张使用流明值（Lumen单位Lm）换算既简易又方便。而所谓流明值（Lm）即每支灯管发出光束的总通量。流明值（Lm）越高表示越亮，如一支36W太阳灯＝3250Lm，一支36W植物灯＝1440Lm；换言之，太阳灯的亮度是植物灯的2．25倍多。至于水族缸究竟需多少流明值（Lm）？就实证的经验，一立方公升的水至少需40－50Lm（40－50Lm／1L）。是以，若以4．2尺长（约126公分）×2尺宽（60公分）×2尺深（60公分）的水草缸可装水约126×60×60÷1000＝约450L的水（扣除底床），再以（40Lm／1L）至少的光量计算40Lm／1L×450L＝18000Lm／450L。准知，此缸须具18000Lm光量，如以一支36W（4尺长）太阳灯管＝3250Lm，则至少需6支太阳灯管（3250×6＝19500）。
故，首求流明值（Lm）是营造一缸水草、海水生物完美生态缸的不二法门之一。
依此类推，只要掌握各类灯管所标明的流明值（Lm）依样画葫芦，换算水族缸所需的光量不失为一简便的法则。
B、色温度与比温值──，色温度（Kelvn单位°K）R 定义，见诸前2．各型灯管的介绍。
已略有所述，如太阳灯管有暖色系（2700°K、4000°K、5500°K）、冷色系（6000°K、6500°K）及强力光合灯管属冷色系（10000°K偏淡蓝）等。固然，色温度区分系为应付居于纬度高低国家的不同的市场需求。但应用于水草、海水生物生态缸亦有其必要性，盖，水草为求嫣红翠绿在如上例尺寸水草缸使用太阳灯管冷色系（6000°K）6支的白光照拂下，固然可表现水草的原色达85％，惟对于红色系水草，诸如大血心兰、红蝴蝶、小草莓──等似嫌未足欲反稍嫌淡出，此时再配以1支植物灯管（淡红色）一支强力灯管（淡蓝色）共8支，则更有画龙点睛之效。
而植物灯管的高光合成曲线光谱且符绿色系水草成长需要；强力光合灯管的淡蓝光区可刺激红色水草的花青素，两者再补太阳灯管只求光量的需要但乏光合成效率（约55％）之不足。只是，由于水草照明的实证需要太阳灯管（6000°K）、植物灯管（淡红色）、强力光合灯管（淡蓝色10000°K）等不同色温的混色现象，吾人称之为比温值。反之，若6支太阳灯管使用暖色系4000°K（橙色光）为主光量的照明，则明显绿色系水草呈淡淡的黄绿，红色系水草则偏金红，固然可加配如上植物灯管、强力光合灯管、但整缸水草呈现热腾腾的偏橙红色调（早期荷兰式水草缸的基调），难以予人沁人心肺的清凉感受；抑且背离水草缸的照明要求应模拟自然原色，来表达其逼真的程度，亦即所谓的演色性。此可从台湾的水草缸、及日本ADA水草缸、等及欧洲水草缸渐调整色调可窥之一斑。
同理，海水生物生态缸的主光量需求比照如上但流明值采高标准（50Lm／L因配软体灯其流明值较低），以如上例的水缸尺寸，吾人仍以6支太阳灯管冷色系（6000°K）为主光量再配以1支强力光合灯管属冷色系（10000°K偏淡蓝）及1支软体灯（蓝色光）或仅以2支软体灯（视软体数量多寡），其光量不但足够，且比温值呈现10000°K－12000°K间的标准值，最能呈现类如自然海水生物环境的光色生态，亦予吾人不言而喻的海中自然原色的满足视觉的感受，更且，这样的比温值一直以来都是欧美先驱奉为圭臬的营造海水生物生态缸的不二法则。
是故，不论水草或海水生物等生态缸次求比温值的充分与必要条件，则是营造一缸水草、海水生物完美生态缸的不二法门之二。

通过以上这篇文章我们可以用他来指导我们设计LED的灯具，至少有点理论基础了，我取了50lm/L来计算海水缸需要的流明数，但是上文提到的是T5管，由于灯具效率的问题，我们取60%，那么换成LED后我们需要至少30lm每升海水，这里讲的是系统热稳定后的光输出，热稳定通常会降低10%的亮度取决于散热如何，系统光效意味着透过前盖玻璃，估计在5%的损失

不太想聊天

认真看了一遍，非常好的文章。
请继续~

化学阿里

等待继续   好贴 绝对专业

jim007

好文章，求科普！

北苑家园

手机输入的，太厉害了，为了不让楼主手指抽筋，建议少量多集进行led知识普及！

ite322

期待后文~~尤其是那个楼主提到的配光的工具软件~~哈哈
另外既然楼主是专业搞led的~有几个问题请教下
一个是led电源的选配，有没有推荐品牌，为了避免枪手的嫌疑可以多列几种方便鱼友选用，毕竟国内led驱动市场真是太乱了，大多是小作坊连牌子都没有。
另外还有关于调光方面的问题，据说国内pwm调光技术现在还不成熟，是真的么？比如Radion XR30w的led灯的调光系统~~完全平滑模拟大自然的光照变化。这个是怎样实现的呢。

xymfei

谢谢大家关注，实在不好意思今天工作比较忙，没有继续写下去，回家继续手机输入，:-D

xymfei

回复 7# ite322


    驱动方面不是我的菜，不过下次更新的时候试着写点什么，另外不知道鱼缸里的照明需要调光吗？不过PWM是非常简单和成熟的技术，唯一问题是专利，是美国CK, 目前Philips的专利。

xymfei

居然每个帖子有限制字数，只有10000个，晕死了，写了一半。。。。