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  在工厂的能耗中,照明能耗占有一定的分量。例如在一个4万平方米的厂房建筑物中,照明用电负荷约为400KW,因此,在工厂照明灯具的选用中,如何实现节能、环保是摆在工厂设计者一个重要的课题。采用新型LED光源为基础的照明灯具,除了节能环保外,它还具有寿命长、响应时间快、光色纯光线集中等优点,近年来,广受消费者的青睐。


  1、LED照明设计关键技术
  新技术 、新材料和新工艺不断应用到大功率 LED光源的设计中,为大功率 LED灯具设计奠定了坚实的基础 .由于同为 LED光源的应用产品差异性较大,其设计 、测试等标准的出台具有一定滞后性 ,所以导致不同厂家生产的产品在结构、性能等方面互换性较差 .同时,LED灯具产品本身就是一个机、光、电等因素的整合,其设计更是涉及到众多领域的技术。


  2、LED工矿灯设计实例
  LED工矿灯的设计,涉及较多细节,我们按照以下几个重要的注意事项,逐一分析讨论,以此来体现设计流程和方法。
  2.1 功率选择
  传统工矿灯以250W或400W高压钠灯和金卤灯居多,和新型的LED灯具的特性对比,有着较为明显的差别。考虑到在实际使用中的高压钠灯和金卤灯光衰及二次出光问题,其实际发光效率远低于80lm/W,往往无法达到标称的7成。依此我们首次开发的LED工矿灯功率设定为120W左右,一旦光照效果符合预期,即比传统灯具节能超过50%.
  2.2 光源选择
  目前市面上大功率LED光源比较知名的品牌有:CREE、OSRAM、NICHIA、Lumileds(最早的LED),另外台湾厂商的晶元、艾迪森以及国内的封装大厂深圳万润、珠海瑞丰、江西联创等也是应用较为普及的品牌。
  为保证产品的稳定性,此工矿灯我们选用最为知名的CREE光源。
  2.3 散热设计:
  在大功率LED 中,散热是个大问题。例如,1 个10W 白光LED 若其光电转换效率为20%,则有 8W的电能转换成热能,若不加散热措施,则大功率LED的器芯温度会急速上升,当其结温(TJ)上升超过最大允许温度时(一般是150℃),大功率LED会因过热而损坏。因此散热设计也是我们最为重要的内容,以下我们分别从铝基板和散热器两方面结合,来探讨散热设计。
  2.3.1 基板选用
  在LED产品应用中﹐通常需要将多个LED光源组装在一电路基板上。电路基板除了扮演承载LED模块结构的角色外﹐另一方面﹐随着LED输出功率越来越高﹐基板还必须扮演散热的角色﹐以将LED晶体产生的热传派出去﹐因此在材料选择上必须兼顾结构强度及散热方面的要求。针对基板,我们分别比较了FR4、陶瓷基板以及MCPCB.
  (1)FR4导热系数约0.36W/m•K,无法满足高功率LED照明散热要求;
  (2)Ceramic导热系数大于80W/m•K,价格昂贵、加工性差,无法大面积使用;
  (3)MCPCB导热系数大于2.0W/m•K,价格适中、加工性强,技术成熟可批量生产。
  2.3.2 散热器设计
  散热器的作用就是吸收基板或芯片传递过来的热量,然后发散到外界环境,保证LED芯片的温度正常。绝大多数散热器均经过精心设计,可适用于自然对流和强制对流的情况。即主动式散热器和被动式散热器。其各自的性能特点见下表:
  考虑到成本及稳定性,我们选用被动散热方式。而被动散热器,根据材料,又分为铝挤型(Al Extrusion)散热器和铝压铸型(Al Die-Casting)散热器。各自的特点如下:
  关于Heat sink上使用Heatpipe&Fin&Vapor-Champer,经过测试,emitter温度下降不多,再根据工程用灯的稳定性要求,故不考虑使用。
    2.4 机构设计
  机构设计涉及不仅涉及整灯的机械结构,也涉及到灯具的外形美观。接下来,我们从以下四方面来进行压铸散热器的具体设计。
  A. Best Look
  对于外观,我们设想了以下两种形式。
  C. Best Thermal
  散热器的散热性能很大程度是由散热器的机构设计有决定的。材料同为ADC-12的压铸铝,当散热器的外经、Fin片高度、Fin片密度等参数不同时,散热性能可能相差甚远。设计过程中,我们分别选用了四种不同结构的散热器,对其进行了热流仿真模拟,如下图
  通过热流仿真模拟,我们发现Case4的热性能最好。如下表:
  同时,我们可以得出以下结论:
  (1)降低Fin高度的同时增大Heat sink的外径可得到更为有效的散热效果。
  (2)同样重量的Heat sink,增高高度与增大散热器直径相比,后者可达到更为有效的散热效果。
  (3)Case4 Thermal为最佳,我们通过降低Fin的高度去增大了散热器的外径,成本不变的条件下得到最好的散热器。


  3、LED工矿灯验证结果
  为了保证灯具的品质,我们在产品量产出货前进行了配光、Thermal、电气安全、可靠性等方面的一系列测试,以下为各项测试的验证结果。


  4、成本与效益评估
  众所周知,相比高压钠灯或金卤灯作厂房照明用,LED工矿灯初期投入成本显然要高出传统灯具很多。然而由于LED光源具有光效高的特点,再加上制成灯具时, LED光源指向性强的优点很容易体现出来, LED灯具较传统灯具的效率也就高得多,所以其节能特点就能明显地体现出来。下表为我们的120WLED工矿灯与传统400W高压钠灯的一个投资效益分析。
  该款LED工矿灯从设计初期到量产出货,经历了多次修改完善。其中通过研发工程师与业务部门的及时沟通和紧密配合,使产品品质和外观都获得市场较佳的认可。另有不少设计细节,如Grease的选用,防水圈的处理,PC罩的改进,电源的选择等等,都始终处于不断地完善中。