论证下倾角LED器件制作显示屏的节能性

带下倾角的LED发光器件是专为户外LED显示屏而设计的产品,对提高LED显示屏的均匀度与节能都有显著的效果，并被人们逐渐了解。

 

    一、为什么户外LED显示屏需要使用带下倾角的SMD封装LED?

 

    SMD封装LED由于其视角大，耗材少，贴装方便，目前已逐渐取代DIP封装LED成为户外LED显示屏首选的发光器件。

 

    但是在实际使用中的户外LED显示屏所选用的SMD封装LED的发光端面与水平面是垂直的，也就是该发光端面的法线与水平面的夹角为0°，即互相平行(见图1)。

 

图1

 

　　图1是目前主流的户外SMD3535LED的剖面图。

 

　　图1中的17是PCB的焊接面。

 

　　目前大多数户外LED显示屏都安装在大楼的外墙面或大楼顶部。

 

　　人们观看安装在高度远远大于人的自身身高的户外LED显示屏时会有一仰视角 θ，由此可见当户外LED显示屏安装部位的垂直高度越高，或者人离户外LED显示屏的水平距离越近，则仰视角θ越大(见图3 )。

 

图3

 

　　古老的上海南京路街道宽度最宽处为30米，最窄处为18米。而根据《城市道路工程设计规范》(CJJ37-2012)规定，主干道的宽度应为30—40米，次干道的宽度为25—40米。从已经安装的许多户外LED显示屏来看，其显示屏的中心离地高度在15米—60米左右，大多平均约在20米左右高度。由此可得出观众的仰视角θ大约在30°—50°左右。

 

　　图4是目前常用的户外SMD封装LED3535的视角与相对光强关系图。

 

图4

 

　　参见图3，假设户外LED显示屏安装的高度≥20M时，街道的宽度也≥20M时，观众的仰视角θ约为45°，从图4可以得出，当θ=45°，相对光强只有62.1%，也就是说观众得到的感观亮度只有62.1%，相对光强100%处的这部分光能投射到了街道对面的大楼变成为了光污染，这对设计师而言显然不是最好的设计。

 

　　二、带下倾角SMD封装的LED器件的设计

 

　　1、对现有的SMD封装的LED3535作下倾角改进

 

　　对现有的SMD封装的LED 3535作如下改进：将原来的3535的发光端面向下倾一个α角度，见图5。

 

图5

 

　　图5中的17是PCB的焊接面。

 

　　不难证明图中α=β，若我们令β=α=15°时，那么它的视角与相对光强的关系曲线也因此旋转15°，请参见图6(注意：图中坐标系不旋转，因为在相同坐标系中分析比较才有意义)。

 

图6

 

　　从图6可以得出：当观众的仰视角θ=45°时观众得到了相对光强提高到了81.3% 的亮度；而在图4，当观众的仰视角θ=45°时观众只得到相对亮度为62.1%的亮度。计算一下：(81.3-62.1)/62.1*%=30.9%。这意味着：制作户外LED显示屏，采用带下倾角SMD封装的LED器件与采用传统的SMD封装LED3535器件比较，亮度提高了30.9%，能大幅度节能。

 

　　2、带下倾角SMD封装的侧发光LED器件的设计

 

　　目前市场上的一种被称为LED透明屏或者LED灯条屏的LED显示屏，它被安装在大楼玻璃幕墙的内侧，主要是针对户外街道上或者广场上的观众 。这种LED灯条屏为了保证玻璃幕墙内的采光而偏重于通透率，因此采用了一种侧发光的SMD封装LED器件如图7。

 

图7

 

　　这种侧发光LED的相对光强与视角的关系仍然如图4所示，同样不带下倾角。但是城市的街道与广场都不会很宽很大，而大楼玻璃幕墙的高度一般都较高。因此设计带下倾角的侧发光LED器件是非常必要了。图8是带下倾角的侧发光LED器件。

 

图8

 

　　图8中17是PCB的焊接面，16是PCB板(即灯条)。显然它的最大光强下倾了一个角度β，例如，可令β=15°，它的相对光强与视角关系如图6。这样，由于发光端面下倾而使观众在仰视角θ=45°时的感观亮度同样增加了30.9%。因此，采用带下倾角SMD封装的侧发光LED器件制作灯条屏能大幅节能。见图9

 

图9

 

　　三、采用带下倾角的LED器件的户外LED显示屏的有益之处

 

　　综上所述，不带下倾角的LED元件用于户外LED显示屏不但光能利用率很低，而且会造成严重的光污染。用图4与图6进行比较可以得出：当观众的仰视角分别为15°、30°、45°时，他们的感观亮度分别提高了5.6%、16.5%、30.9%。由此可见当户外LED显示屏安装在离地20M以上的高度，观众与LED显示屏的水平距离约20M时(这也是大多数的使用状况)，采用带下倾角的LED元件的户外显示屏具有明显的节能优势。

 

　　采用带下倾角的LED元件制作户外显示屏，观众的感观亮度提高了，换句话说，若保持原感观亮度不变，LED元件的驱动电流就可以减小，整个显示屏的能耗至少可以降低20%左右(见图10)，由此会带来发热减少提高了LED器件的均匀度与寿命，开关电源的配置功率减少也降低开关电源的采购成本。

 

图10

 

　　图10是FM-N3535的相对光强与正向电流的特性曲线，它们基本呈线性关系，即可以定性推测，其节能效应也与亮度呈线性关系，因此采用带下倾角的LED元件制作户外显示屏的节能效果是相当可观的。