(完整word版)基于Matlab仿真的大、小功率LED陣列光照度分布對比研究

1、Figtra j: Tfpni FkpnwnWhvPxflHTi lor WT1L1 Lanbartan.基于Matlab仿真的大、小功率LED陣列光照度分布對比研究提綱：1.回顧基于 Matlab 仿真的 LED 陣列光照度分布研究的歷史和小功率仿真的情況（100字）；2.仿真的方法，模型的建立與參數(shù)調(diào)試，突出兩種LED 最大排列間隔的計算 （3,400字）;3.仿真實(shí)驗過程與結(jié)果 （400 字，插圖約 12 幅，2 頁左右）；4.討論與結(jié)論要強(qiáng)調(diào)對實(shí)際工作的指導(dǎo)意義（300 字）。正文1. 引言LED 應(yīng)用于照明領(lǐng)域具有高效率， 節(jié)能環(huán)保，使用壽命長和響應(yīng)時間短等諸多獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。由于其優(yōu)點(diǎn)突

2、出，利用 LED 作為發(fā)光單元的燈具已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于各個照明領(lǐng)域。然而，對于 LED 陣列的光照度分布的仿真研究卻報道不多。福建師范大學(xué)的胡海蕾等1以及河北科技大學(xué)的吳淑梅等2均對該領(lǐng)域做了初步的研究探索。以往的研究對象僅僅局限于小功率 LED,那么對大功率的 LED 而言又會有什么特點(diǎn)呢？本文將使用Matlab 工具對大、小功率LED 各自的光照度分布特點(diǎn)做些比較。2. 模型建立與參數(shù)討論2.1. LED 的選取本仿真選用飛利浦公司的 LXK2-PWW4-T00（Lunxeon K2 worm-white），該 LED 在 1000mA測試電流下典型的光通量為80 流明，功耗約為 3 瓦，其

3、空間光強(qiáng)分布如圖1 3。Figtra j: Tfpni FkpnwnWhvPxflHTi lor WT1L1 Lanbartan.Typical Radiation Patternis3 迦 P2t4DripkKjpmvnl i：DKrM4l40Topical Representative Spatiall Radiation Patternfor Whit目Lmbrtinarts-m,7-7- fanfan I-I- C-IC-I10%通常情況下，LED 單元所照射的目標(biāo)距離比起自身直徑要大得多，因此可以將LED 單元簡化為一個有一定空間光強(qiáng)分布的點(diǎn)光源。其空間光強(qiáng)分布示意如圖2 1。從圖

4、1 可以看出，該 LED 的光強(qiáng)分布不是一個理想的余弦分布，該分布可以表示為I=10cosmV當(dāng)31-冃/2時，I(二)=10，即m-2In (cosJ當(dāng) LED 照射到與其光軸方向垂直的平面時，在該平面上的光照度分布與LED 的空間光強(qiáng)分布近似，即E(r,R =E0(r)cosmr式中 r 為 LED 與該平面之間的距離，變換坐標(biāo)得E(x,y,z)(x-X)2(y-丫)2z2代入 LXK2-PWW4-T0 啲 可/2=70可以求得m =0.646。根據(jù)文獻(xiàn)1，對于小功率 LED 而言日1/2=7.5則m=81。2.2. LED 的排列分布由于 LED 是一種非相干光源，因此兩個 LED 對平

5、面上某一區(qū)域的光照度為其單個的疊加(多個 LED 同理疊加)，則有”m-2門m七、E(x,y,z) =zml(x-)2+y2+z2丁+(x-弓2+y2+ z2丁 .2 2式中 d 為兩個 LED 之間的距離。對于小功率 LED 的情況，由于其視角(通常為 15 度)過小，因此要考慮兩個 LED 單元 之間的距離 d 增加到多大時，原點(diǎn)附近的區(qū)域的光照度不至下降很多。根據(jù)文獻(xiàn)1 的計算dmax= 0.0218m。從文獻(xiàn)2的仿真結(jié)果來看，d 的取值最大確實(shí)為 0.0218m，如果 LED 間 的距離繼續(xù)增大，中間將會出現(xiàn)暗區(qū)，影響照度的均勻性。但是對于大功率的 LED,由于其光強(qiáng)較強(qiáng)同時視角可達(dá)

6、140 度3,故兩個單元并排之后 會使得放置中心的總光強(qiáng)有所增強(qiáng)。圖 1 LXK2-PWW4-T00 的空間光強(qiáng)分布圖 2 LED 遠(yuǎn)場照射空間光強(qiáng)分布示意圖LED 單元放置距離 d=0.25mLED 單元放置距離 d=0.5m圖 3 LED 單元的不同放置距離對中心光強(qiáng)的影響從上述的仿真結(jié)果來看，隨兩個大功率 LED 單元放置距離的不同，在放置中心的總光強(qiáng) 也有所不同。總的來說總光強(qiáng)是隨著放置距離增大而減小的。一方面盡可能提高利用率，另一方面考慮到便于散熱等實(shí)際應(yīng)用條件，本文取兩個大功率LED 單元的間隔 d=0.1m 作為仿真參數(shù)。3.相近功率條件下的對比仿真結(jié)果及分析本實(shí)驗采用 matl

7、ab7.0 軟件進(jìn)行仿真。為了使模擬的結(jié)果更加符合實(shí)際的應(yīng)用情況，我們選定總功率相近條件下兩種不同功率的LED 采用排列方式的情況進(jìn)行仿真分析。3.1 矩形陣列的大、小功率 LED 的光照度分布比較選取 16 個 3W 的大功率 LED 單元形成相互間隔為 0.1m 的 4X4 矩陣，總功率為 48W 與 之對應(yīng)，LED 單元重合放置 d=0mLED 單元放置距離 d=0.1m選取 784 個小功率 LED 陣列為相互間隔為 0.0218m 的 28X28 矩陣，總功率為 0.06WX784=47W 光源與被照射面的距離分別取 3 米和 1 米，對被照射面的光照強(qiáng)度進(jìn)行仿真。仿真的結(jié)果如圖 4

8、 和圖 5。小功率 LED 中心光照度值小功率 LED 光照度值下降一半的半徑-3-2-10iauj大功率 LED 中心光照度值大功率 LED 光照度值下降一半的半徑圖 4 燈距離被照射面為 3 米時大小功率 LED 照度分布比較0.8.60402 n-0.2-0.J-0.61 1r ri：.r r“=rM;=rM;-.:-.:*mK;*mK;“EI;EEI;E2 2.一f f歹覽養(yǎng)監(jiān)：足r r:i?:i?:!_iir.=rrtKHFR:!_iir.=rrtKHFR痔;:.!:!:譏;1;1潼:T:.:-T.:T:.:-T.至:.:!4:.!4:. -.tE-!=7q!.i-.tE-!=7q!

9、.i Linli:;.:=y.1:l:r.!iilm.Linli:;.:=y.1:l:r.!iilm._:_:- -l:rl:rZ ZnJ-lhmwnJ-lhmw ”1 11 1: :* *I;*I;*5r5r q;q;rrrr l:sl:sI I“.出-.ijl-i-riLijl-i-riL r:ir:i融薛雷二蠱視7 抵J J盤星亂歳一亠JiLJiL浄fzisifzisi為語ILiyILiy;恵”1:!1:!套舟!:防iv-iv-y y餓訂-0.84 一-筆號壬爭訓(xùn)3.2 圓形陣列的大、小功率LED 的光照度分布比較選取 12 個 3W 的大功率 LED 單元形成半徑為 0.1m 的 4X

10、4 矩陣，總功率為 36W 與之對 應(yīng)，選取 598 個小功率 LED 陣列為相互間隔為 0.0218m 的 28X28 矩陣，總功率為 0.06WX598=35.9W。光源與被照射面的距離分別取3 米和 1 米，對被照射面的光照強(qiáng)度進(jìn)行仿真。仿真的結(jié)果如圖 6 和圖 7。小功率 LED 中心光照度值小功率 LED 光照度值下降一半的半徑2 1 0321口大功率 LED 中心光照度值大功率 LED 光照度值下降一半的半徑圖 5 燈距離被照射面為1 米時大小功率 LED 照度分布比較2.1,5-1-0.50 5115小功率 LED 光照度值下降一半的半徑小功率 LED 中心光照度值大功率 LED

11、 中心光照度值大功率 LED 光照度值下降一半的半徑圖 6 燈距離被照射面為3 米時大小功率LED 照度分布比較1.51D50 -051IS-15-1-0.500.511.52小功率 LED 光照度值下降一半的半徑小功率 LED 中心光照度值大功率 LED 中心光照度值大功率 LED 光照度值下降一半的半徑圖 7 燈距離被照射面為 1 米時大小功率 LED 照度分布比較仿真的結(jié)果如圖 8 和圖 9。3.1 球面陣列的大、小功率LED 的光照度分布比較選取 8 個 3W 的大功率LED 單元形成相互間隔為 0.1m 的 4X4 矩陣，總功率為 24W 與之對應(yīng)，選取 400 個小功率LED 陣列為相互間隔為0.0218m 的 28X28 矩陣，總功率為 0.06WX400=24W 光源與被照射面的距離分別取3 米和 1 米，對被照射面的光照強(qiáng)度進(jìn)行仿真。小功率 LED 中心光照度值大功率 LED 中心光照度值大功率 LED