淺析大功率LED工礦燈設(shè)計(jì)發(fā)表時間:2023-08-18 15:55
隨著全球能源危機(jī)的進(jìn)一步加劇,新型節(jié)能、環(huán)保、長壽、色彩豐富的LED照明燈具越來越受到人們的喜愛,但是在LED照明燈具的使用過程中,也出現(xiàn)一些問題,如“節(jié)能不節(jié)錢”、“長壽不長命”以及亮度衰減過快等,這些其實(shí)都不是LED的固有問題,而是我們的燈具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得不合理,下面以大功率LED工礦燈為例來分析一下怎樣才能設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)合理的LED照明燈具。 一、大功率LED工礦燈設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀: 現(xiàn)階段市場上的大功率LED工礦燈大體可分為兩大類:一類是整體成型散熱結(jié)構(gòu),另一類是接合型散熱結(jié)構(gòu)。從外表來看,這兩類散熱器的外觀設(shè)計(jì)和工藝都不錯,但我們不能僅憑外觀來判定其散熱效果,必須通過測試分析LED的結(jié)溫才能了解其散熱性能。事實(shí)上,大多數(shù) LED 工礦燈的散熱設(shè)計(jì)存在一些問題,主要問題如下: 1.散熱翅片面積隨意設(shè)定,沒有定量的概念,而只是憑感覺來設(shè)計(jì)其面積,這是一個嚴(yán)重的錯誤。散熱翅片的面積不僅影響整個燈具的散熱效果,而且影響燈具的重量。 2.散熱翅片布置方式不合理,不是以中心對稱的方式布置,這不僅影響熱量傳遞的均衡性,而且還會影響鋁基板或散熱底板的固定效果,從而影響燈具的散熱和生產(chǎn)效率。 3.強(qiáng)調(diào)熱傳導(dǎo)環(huán)節(jié)、忽視對流散熱環(huán)節(jié),這可能是一個普遍性的問題。廠家考慮了多種措施,如熱管、回路熱管、添加導(dǎo)熱硅脂等[1],卻沒有認(rèn)識到熱量最終還得靠燈具的外表面散去。 4.忽視傳熱的均衡性,這是一個更深層次的問題。如果翅片的溫度分布嚴(yán)重不均勻,將會導(dǎo)致其中一部分翅片(溫度較低的部分)沒有發(fā)揮作用或作用很有限。 二、大功率LED工礦燈設(shè)計(jì)內(nèi)容 1.光學(xué)設(shè)計(jì) 大功率LED工礦燈的光學(xué)設(shè)計(jì)通常有兩種方式:一種是透鏡加反光罩;一種是直接用反光罩。大功率LED工礦燈通常采用朗伯型(類圓形)配光,發(fā)光角度為 90~120°。光學(xué)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)是光損失小、發(fā)光均勻,所以反光罩內(nèi)表面通常采用精細(xì)磨砂處理。 2.燈具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 大功率LED工礦燈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括外觀、工藝和散熱結(jié)構(gòu),這三者既相互聯(lián)系又相互影響,故設(shè)計(jì)時需綜合考慮所使用的材料、成型工藝、裝配工藝、表面處理及燈具的使用環(huán)境等因素。 (1)外觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 早期設(shè)計(jì)師們不太關(guān)注燈具的外觀設(shè)計(jì),但隨著社會的進(jìn)步和人們生活水平的提高,燈具的外觀結(jié)構(gòu)也越來越受到人們的重視,即所謂的“藝術(shù)化”。設(shè)計(jì)師在進(jìn)行燈具外觀設(shè)計(jì)的過程中一定要考慮與環(huán)境的和諧統(tǒng)一。全球電器巨頭飛利浦提出了“只見光不見燈”的理念,這就是燈具設(shè)計(jì)的更高境界了,當(dāng)然我們不可能一步到位,但可以朝著這個方向努力。 (2)散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 燈具的散熱結(jié)構(gòu)決定了燈具的壽命,因此散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是燈具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重中之重,它不僅僅是燈具散熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),而且還包括從發(fā)光芯片到散熱器的整個散熱通道的設(shè)計(jì),因此與燈具零部件的成型工藝和裝配工藝也息息相關(guān)。為了更好的說明散熱通道的設(shè)計(jì),我們引入熱阻的公式,熱阻是物體對熱量傳導(dǎo)的阻礙程度,熱阻RT與熱量傳遞的長(厚)度L成正比,與通過熱量的截面積 S 成反比,與材料的熱導(dǎo)系數(shù)λ成反比,即 RT=L/λS;且熱阻與電阻串并聯(lián)的性質(zhì)一樣,整個散熱通道的總熱阻為:R總=R1+R2+……+Rn,所以在設(shè)計(jì)燈具散熱結(jié)構(gòu)時,可遵循以下的設(shè)計(jì)原則: 1)結(jié)構(gòu)層越少越好; 2)層的厚度越薄越好; 3)層的面積越大越好; 4)材料的熱導(dǎo)系數(shù)越大越好; 散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心是散熱器的設(shè)計(jì),首先是散熱器材料的選擇,熱導(dǎo)系數(shù)越大越好同時兼顧機(jī)械性能、價格及后加工藝[2],常采用導(dǎo)熱性能更好的6063AL(導(dǎo)熱系數(shù)201),但是這種材料通常采用擠壓成型工藝[3],對于空間結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的散熱器不能采用擠壓成型的工藝,只能采用煅壓成型或壓鑄成型工藝,而煅壓成型工藝成本高且受限條件比較多所以不常使用,而壓鑄成型使用材料為鋁合ADC12(導(dǎo)熱系數(shù) 96),雖然生產(chǎn)效率高,但模具成本高而且散熱效果比擠壓成型材料要差,所以要根據(jù)具體需要來靈活的設(shè)計(jì)散熱器。 (3)工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 燈具的工藝結(jié)構(gòu)除了散熱器本身的結(jié)構(gòu)符合成型工藝的要求外,更重要的是要考慮整個燈具的裝配工藝,絕大多數(shù)的設(shè)計(jì)師都會考慮到散熱器的成型工藝,也會根據(jù)成型工藝的要求來設(shè)計(jì)散熱器的結(jié)構(gòu),但是對于裝配工藝就考慮得比較少了,沒有考慮一旦裝配不好,不但達(dá)不到設(shè)計(jì)的要求,更可能影響整個燈具的壽命,所以良好的裝配工藝結(jié)構(gòu)不但有利于散熱,而且有利于生產(chǎn)效率的提高以及燈具壽命的提高。 3.電路設(shè)計(jì) 本文所講電路設(shè)計(jì)不包括驅(qū)動電源的設(shè)計(jì),因?yàn)轵?qū)動電源一直是 LED 燈具壽命的短板,并且電源的設(shè)計(jì)專業(yè)性比較強(qiáng),目前國內(nèi) LED 燈具企業(yè)的驅(qū)動電源多以外購為主。電路設(shè)計(jì)對于LED工礦燈來說,主要是指LED光源線路板設(shè)計(jì),由于大功率LED工礦燈的光源數(shù)量較多,一般采用串、并聯(lián)混合電路,在面積有限的PCB板內(nèi)布置LED光源,除了要考慮安全設(shè)計(jì)、散熱設(shè)計(jì)外,還要顧及光源的保護(hù),在單顆光源失效后不至于影響其它光源的正常工作。 三、大功率LED工礦燈的應(yīng)用 大功率 LED 工礦燈與傳統(tǒng)的高壓鈉燈相比綜合節(jié)能 60%以上,顯色指數(shù)高,色彩豐富,并且維護(hù)成本低,安全可靠,因此廣泛應(yīng)用于工廠、車間、倉庫、會展中心、超市、地鐵站、航站樓、收費(fèi)站、加油站、體育館等地的照明,隨著 LED 發(fā)光效率的進(jìn)一步提高,LED工礦燈的應(yīng)用將更加廣泛。 四、結(jié)束語 在全球倡導(dǎo)節(jié)能環(huán)保、低碳生活的今天,LED燈具越來越受到人們的青睞,而外形漂亮、散熱良好、色彩豐富、安全可靠的大功率LED照明燈具也將為人們豐富多彩的生活增添一分光彩。 參考文獻(xiàn): [1]張淑芳,方亮,付光宗等.硅脂導(dǎo)熱涂層改善 LED 散熱性能的研究[J].材料導(dǎo)報(bào),2007,21(zA) [2]房海明.LED散熱模塊熱傳材料介紹[EB/OL].(2010-05-30)[2015-10-13].www.china-led.net. [3]Richard-Wen LED 散熱器的工藝[EB/OL].(2013-05-10)[2015-10-13].http://wenku.baidu.com.
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