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便于实现LED灯模块标准化的技术方案[2]

2010-8-27  来源:LED环球在线   有11981人阅读

  LED照明由于其节电、环保、长寿命,而被公认为下一带照明技术,将取代现有的各种照明技术。LED为冷光源,怕热,有80%之多的电能转化为热能,必须有散热措施,虽然LED发光技术已有飞跃发展,有每瓦发光达200lm的报道,但LED散热却是LED照明中非常头痛,但又还没得到有效解决的问题,成了LED照明灯普及发展道路上的拦路虎。

  图1、2分别为东芝与夏普推出的LED照明灯,将LED芯片、散热片以及驱动电源合为一体,采用现白炽灯一样的安装接口,这样的结构市面上非常多,虽然这样的设计便于普通民众安装,替换现白炽灯泡,但造价高,还有一致命的缺陷--散热不可靠。

  将图1、2所示的LED灯,横置、竖立或倒立,三种姿态情况下的散热效果都不一样,如果加有灯罩,其散热效果与灯罩的形状、大小密切相关,如果灯罩封闭,或内外空气流通性差,其散热效果将恶化,光衰将立即表现出,甚至马上出现损毁情况。因而这类LED灯,将不是LED照明发展方向。另外,图1、2所示散热片本身的结构形式并不理想,散热成本也不低。

  球形白炽灯泡,直管式日光灯是由于此形状便于生产制造,而被采用。历史的积淀使得人们一提到照明灯,马上想到球形灯泡和直灯管。人们使用灯,目的是需要光明。LED是新型光源,因而LED照明灯的设计,应该从LED光源的特性出发,建立起新的模式。

  图3示出了本文提出的LED照明灯模块划分,将散热片以及驱动电源划归为灯具中的部件,由LED芯、导热芯以及灯芯罩组成的灯芯,可便捷地从散热片(灯具)拆下和按装上,将被设计制造成系列独立的标准部件。

  灯芯与灯具的电的连接,是件容易的事,但灯芯与散热片的热连接(热传导),就不是那么容易的事。图3示出了解决该问题有效而又简单的技术方案:采用圆锥柱接触传热面。园锥柱和圆锥孔,加工容易,精度易保证,加工成本低。采用圆锥柱作为接触传热面的显着优点是保证导热芯和散热片两接触面之间的接触压力足够大:只要小的轴向力,就可得到被放大数倍的接触压力,因而灯芯和散热片之间传热热阻得到有效控制,即两者之间的热传导问题得到解决。以下计算例子进一步说明了这一点:

  例如,导热芯中间直径Ф=20mm,高h=15mm,与散热片的锥孔面平均间隙△=0.03mm,采用普通导热膏λ=1.0W/m·K,灯芯功率为Q=12W,可计算得出导热芯与散热片根的平均温度差:

  △t=Q·△/λ·D·л·h=0.38℃,不到0.4℃

  图3中示出,灯芯与散热片(灯具)的机械连接采用螺扣,电的连接采用同心接插头式,普通操作者,不需任何工具,就可方便地将灯芯正确安装到位。图3所示结构非常简单,加工制造容易,造价也就低。

  图3中的灯芯罩的作用:1、保护LED芯;2、便于操作者安装;3、二次光学,设计制造出不同光输灯罩,比如聚光型或散光型,满足不同场所及应用。

  解决了热连接(热传导)问题,灯芯的通用标准化的实现也就近在直尺,将按标准散热功率来划分不同规格的灯芯,比如:3W、6W、10W、15W、20W,对应着不同规格的标准接口,而不像现灯泡(白炽灯)那样与功率无关,只有两三种接口。因而LED灯芯的标准接口规格有许多种,但种数还是有限,灯具涉及到装饰,则就千姿百态,但其标准散热量必须达到规定的值,灯具将按其标准散热量划分,其接口与其标准散热量的灯芯接口相对应。设计时可以这样,10W(标准散热功率)的灯芯可以安装到12W的灯具上,但12W的灯芯则不能安装到10W的灯具上,这都可以通过接口中的结构差异来实现。由于每种灯具有其相应的固定安装形式,其散热性能也就稳定,因而不用担心用户安装时,改变其散热性能,即散热稳定可靠。

  本文所提出的模块划分,使得灯具和灯芯的散热热阻以及导热热阻检测标准以及实验操作制定更为容易,灯具只要实验测定出相对标准的导热芯的散热性能曲线,就可计算出散热热阻;灯芯只要实验测定出,LED结点温度与一标准散热片上的温度差,计算出灯芯的导热热阻即可。有了灯具和灯芯的散热以及导热热阻的检测标准和操作的规程,就容易快速鉴别各种产品的优劣。目前还没有鉴别LED灯散热性能优劣的标准及操作,而是采用非常原始的方法,比如路灯,采用现场工作1000小时,多家企业产品一起进行PK,测定其光衰情况,这种鉴别既不科学,又非常麻烦,比如夏天期间测定结果和冬天期间的结果是不一样,因为冬夏的气温有变化,某些地区变化非常大。

  依据本文提出的模块划分,以及模块具体的结构,就可容易制定出统一的灯芯与散热片(灯具)的机械接口标准和电的连接接口标准,以及电源标准,这些标准还可形成国际化标准。有了这些统一的标准,灯具厂商将专心地根据不同需求,设计制造出各种各样的灯具;灯芯厂商专心芯片封装,灯芯制造,开发全自动生产设备,提高生产效率,降低成本,研发出内封装热阻更低的芯片封装结构;晶片厂商专心晶片的研发、生产,更多的投入到如何降低成本,提高光电效率;电源厂商专注电源,专用驱动芯片的开发,提高电源效率,降低产品成本。在LED照明产业链中的各级厂商,分工明确、既紧密配合,又相互独立,构建一完善的现代化产业连,社会资源又将被合理地配置到各个链中,成本价格将显着降低,LED照明灯普及将近在眼前。

  总之,本文提出LED照明灯的模块划分的科学之处:①散热稳定可靠;②容易实现LED照明灯的模块标准化,以及相应的检测标准和操作规程,完善整个产业链,降低造价。

  关于电源标准:

  本文认为应选用恒流驱动,灯芯中LED芯片采用串联式(局部有并联),如图4所示,每个LED芯片(或并联组)设有旁路保护元件,该元件的作用,一旦所配的LED芯片损坏,成断开路状态,则由于电压过高(比如两倍于LED最高电压),该元件击穿,形成永久性短路,使得不因一两个LED芯片损坏,而使整个灯芯报废。比如一个12W的LED灯,共有12颗LED芯片,如果有两颗损坏,光亮度有下降,则可通电流调节端子,调大电流,补偿降低的亮度,因而灯的可靠性高。

 

 

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