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浅析大功率LED工矿灯设计

发表时间:2023-08-18 15:55

随着全球能源危机的进一步加剧,新型节能、环保、长寿、色彩丰富的LED照明灯具越来越受到人们的喜爱,但是在LED照明灯具的使用过程中,也出现一些问题,如“节能不节钱”、“长寿不长命”以及亮度衰减过快等,这些其实都不是LED的固有问题,而是我们的灯具结构设计得不合理,下面以大功率LED工矿灯为例来分析一下怎样才能设计出结构合理的LED照明灯具。

一、大功率LED工矿灯设计的现状:

现阶段市场上的大功率LED工矿灯大体可分为两大类:一类是整体成型散热结构,另一类是接合型散热结构。从外表来看,这两类散热器的外观设计和工艺都不错,但我们不能仅凭外观来判定其散热效果,必须通过测试分析LED的结温才能了解其散热性能。事实上,大多数 LED 工矿灯的散热设计存在一些问题,主要问题如下:

1.散热翅片面积随意设定,没有定量的概念,而只是凭感觉来设计其面积,这是一个严重的错误。散热翅片的面积不仅影响整个灯具的散热效果,而且影响灯具的重量。

2.散热翅片布置方式不合理,不是以中心对称的方式布置,这不仅影响热量传递的均衡性,而且还会影响铝基板或散热底板的固定效果,从而影响灯具的散热和生产效率。

3.强调热传导环节、忽视对流散热环节,这可能是一个普遍性的问题。厂家考虑了多种措施,如热管、回路热管、添加导热硅脂等[1],却没有认识到热量最终还得靠灯具的外表面散去。

4.忽视传热的均衡性,这是一个更深层次的问题。如果翅片的温度分布严重不均匀,将会导致其中一部分翅片(温度较低的部分)没有发挥作用或作用很有限。

二、大功率LED工矿灯设计内容

1.光学设计

大功率LED工矿灯的光学设计通常有两种方式:一种是透镜加反光罩;一种是直接用反光罩。大功率LED工矿灯通常采用朗伯型(类圆形)配光,发光角度为 90~120°。光学设计的要点是光损失小、发光均匀,所以反光罩内表面通常采用精细磨砂处理。

2.灯具结构设计

大功率LED工矿灯结构设计的内容包括外观、工艺和散热结构,这三者既相互联系又相互影响,故设计时需综合考虑所使用的材料、成型工艺、装配工艺、表面处理及灯具的使用环境等因素。

(1)外观结构设计

早期设计师们不太关注灯具的外观设计,但随着社会的进步和人们生活水平的提高,灯具的外观结构也越来越受到人们的重视,即所谓的“艺术化”。设计师在进行灯具外观设计的过程中一定要考虑与环境的和谐统一。全球电器巨头飞利浦提出了“只见光不见灯”的理念,这就是灯具设计的更高境界了,当然我们不可能一步到位,但可以朝着这个方向努力。

(2)散热结构设计

灯具的散热结构决定了灯具的寿命,因此散热结构设计是灯具结构设计的重中之重,它不仅仅是灯具散热器的结构设计,而且还包括从发光芯片到散热器的整个散热通道的设计,因此与灯具零部件的成型工艺和装配工艺也息息相关。为了更好的说明散热通道的设计,我们引入热阻的公式,热阻是物体对热量传导的阻碍程度,热阻RT与热量传递的长(厚)度L成正比,与通过热量的截面积 S 成反比,与材料的热导系数λ成反比,即 RT=L/λS;且热阻与电阻串并联的性质一样,整个散热通道的总热阻为:R总=R1+R2+……+Rn,所以在设计灯具散热结构时,可遵循以下的设计原则:

1)结构层越少越好;

2)层的厚度越薄越好;

3)层的面积越大越好;

4)材料的热导系数越大越好;

散热结构设计的核心是散热器的设计,首先是散热器材料的选择,热导系数越大越好同时兼顾机械性能、价格及后加工艺[2],常采用导热性能更好的6063AL(导热系数201),但是这种材料通常采用挤压成型工艺[3],对于空间结构比较复杂的散热器不能采用挤压成型的工艺,只能采用煅压成型或压铸成型工艺,而煅压成型工艺成本高且受限条件比较多所以不常使用,而压铸成型使用材料为铝合ADC12(导热系数 96),虽然生产效率高,但模具成本高而且散热效果比挤压成型材料要差,所以要根据具体需要来灵活的设计散热器。

(3)工艺结构设计

灯具的工艺结构除了散热器本身的结构符合成型工艺的要求外,更重要的是要考虑整个灯具的装配工艺,绝大多数的设计师都会考虑到散热器的成型工艺,也会根据成型工艺的要求来设计散热器的结构,但是对于装配工艺就考虑得比较少了,没有考虑一旦装配不好,不但达不到设计的要求,更可能影响整个灯具的寿命,所以良好的装配工艺结构不但有利于散热,而且有利于生产效率的提高以及灯具寿命的提高。

3.电路设计

本文所讲电路设计不包括驱动电源的设计,因为驱动电源一直是 LED 灯具寿命的短板,并且电源的设计专业性比较强,目前国内 LED 灯具企业的驱动电源多以外购为主。电路设计对于LED工矿灯来说,主要是指LED光源线路板设计,由于大功率LED工矿灯的光源数量较多,一般采用串、并联混合电路,在面积有限的PCB板内布置LED光源,除了要考虑安全设计、散热设计外,还要顾及光源的保护,在单颗光源失效后不至于影响其它光源的正常工作。

三、大功率LED工矿灯的应用

大功率 LED 工矿灯与传统的高压钠灯相比综合节能 60%以上,显色指数高,色彩丰富,并且维护成本低,安全可靠,因此广泛应用于工厂、车间、仓库、会展中心、超市、地铁站、航站楼、收费站、加油站、体育馆等地的照明,随着 LED 发光效率的进一步提高,LED工矿灯的应用将更加广泛。

四、结束语

在全球倡导节能环保、低碳生活的今天,LED灯具越来越受到人们的青睐,而外形漂亮、散热良好、色彩丰富、安全可靠的大功率LED照明灯具也将为人们丰富多彩的生活增添一分光彩。

参考文献:

[1]张淑芳,方亮,付光宗等.硅脂导热涂层改善 LED 散热性能的研究[J].材料导报,2007,21(zA)

[2]房海明.LED散热模块热传材料介绍[EB/OL].(2010-05-30)[2015-10-13].www.china-led.net.

[3]Richard-Wen LED 散热器的工艺[EB/OL].(2013-05-10)[2015-10-13].http://wenku.baidu.com.



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