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LED照明灯具散热如何实现?

2022-04-07 23:26:43 来源:本站   作者:超级管理员

(1)选用散热性能优良的 LED照明光源在灯具散热系统设计中,首先要选择热阻小、散热性能良好的 LED 或 LED 模块。解决 LED 本身的散热问题,一是要提高 LED 芯片的发光效率,减少不发光的非辐射复合,从根本上减少 LED 晶片振动(或振荡)产生的热量;二是要优化 LED 结构,加装散热装置。

LED模组的选择在降低温升方面起着重要作用。选择由热导率高且一致性好的材料封装的LED灯珠,可提高内部的热扩散性。采用高导热性的金属(一般为铝)基板作为灯芯板,使散热片温度分布均匀,可提高散热效果。

(2)优化 LED 驱动电路设计,减少电气系统产生的热量 LED照明电源都以普通电源尤其是开关电源的拓扑结构为基本架构,但是它与其他电源不同。LED 驱动电源必须在高温环境下长期工作,并且替代白炽灯和节能灯的 LED 灯的功率一般都低于 25W,体积和空间很小,功率密度较大,因此对驱动电路的要求非常高。

优化 LED 驱动电路设计,必须根据不同的照明应用选择合适的拓扑结构来获得较高的转换效率,最大限度地减少功率损耗,减少驱动电源系统产生的热量。采用单级变换结构的一些LED 驱动电路,可以不采用对温度变化敏感的铝电解电容,这不仅有助于减少 LED 驱动电源的热量,而且有利于延长电源系统的寿命。

在 LED 照明电源中,应当使用耐高温的功率型电子元器件,如铝电解电容,就必须选用高温型(105℃)的元件。如使用额定温度较低的常温型电容,往往在 3~5 年之内就会失效,这就会使寿命达 5 万小时至少可以使用十几年的 LED 仅能存留 3~5 年。目前很多 LED灯不能点亮了,并不是 LED 本身失效,而是 LED 驱动电路发生故障所致。驱动电路中的功率MOSFET 应选用导通电阻小、温度特性好的器件,并且尽可能加配散热器。驱动电路中的高频整流二极管应当选用正向电压降低、整流效率高的肖特基二极管,以减少其产生的热量。

此外,驱动电路选用带调光功能的控制器,在低光照就可以满足照明需求的情况下,将LED 亮度调暗,则可以降低 LED功耗,防止其过热。尤其是对小于 25W 的 LED灯具来说,因为印制电路板尺寸小,而封装空间有限,散热问题尤为关键。调光解决方案是防止 LED 长时间工作过热的一个重要途径,该方案显得非常重要。

(3)加装散热器是目前普遍采用的主要散热方式利用微型电风扇可以主动消除 LED 的热量,但这种强制性的散热方式对于小于 25W 的 LED 灯具来说,因其内部空间太小是难以实现的,另外,这种散热方案需要额外的电能,降低了照明效率,带来了噪声,而且机械运动部件容易损坏,从而降低了系统可靠性。LED 灯具的理想冷却装置必须具有小巧、高效、静噪和高可靠的特点,加装散热器是目前经济实用的主要散热方式。

大部分金属都是热的良导体,尤其是铝框架最适合用作 LED 的散热装置。

像 LED 路灯,空间几乎不受限制,可以将 LED 置于一个大铝板上,用于 LED 被动式散热。家庭和办公室照明都有空间限制,因此需要为灯具定制专门的散热器。

图 5-9 所示为 Nuventix 公司的 SynJet 无风扇冷却器。它采用合成射流设计,需要的电流远小于一台电机,采用 5V 电源工作。冷却器使用一个电磁耦合的隔膜,电磁驱动器以 100~200 次/s 的速度振荡隔膜,通过极小的喷嘴脉动出高速空气射流。一旦气体离开喷嘴,就会裹挟周围空气与它一起拉动空气,这很像龙卷风拉动周围空气一样。标准 SynJet 产品一种是MR-16 结构,另一种类似于 PAR-38 式灯座,MR-16 和 PAR 式结构的散热器适用于 20W 和 50W 的 LED 灯具。

用 LED 灯泡替代白炽灯和 CFL 节能灯,人们希望能将 LED 灯泡拧入到先前的旧式插座中。但是,灯具设计人员千万不可受传统灯具设计观念的束缚。事实上,旧式电灯插座并不适合用来安装 LED 灯泡。LED 灯具设计首先要有利于散热,其次是灯具造型。图 5-10 所示为Viata 公司生产的 WayCool9920 系列 LED 筒灯外形。这种筒灯的散热器可以保证 LED 结温低于 35℃,且提供 7 年的质保期。其设计使用寿命为 80000h,功率为 15W,色温是 4100K,光效为 731m/W。

(4)驱动电源与 LED 灯体分离 LED照明电源本身产生的热量会增加 LED 灯的温升。电源与 LED 灯一体化设计会使 LED 灯整体受热不均匀,容易造成灯具疲劳和早期失效。分离电源后,整灯的温度分布是均匀的。

(5)PCB 散热设计对于热阻差距较小的 LED 器件来说,选用不同的 PCB 设计方案会极大地影响最终系统的热阻,进而影响系统温度。除此之外,散热材料的材质、厚度、面积以及散热界面的处理、焊接方式、焊接条件都是灯具厂商所要考虑的因素。

(6)采用温度控制电路来限制 LED 灯的温升在 LED 灯具系统中,可以加人一个温度控制电路来限制温升。当 LED 灯温度超过设定的门限时,温度控制电路动作,使驱动电源输出适当降低;当温度下降到一定值时,驱动电路恢复到正常工作状态。

LED 灯离线式驱动电源的 AC 输人电压为 220V,DC 输出电流为 1.2~1.7A(可调),输出电压自适应(36~39V)。在温度控制电路中,RP 为可调电阻器;KT 为温度继电器常开触点,其闭合温度是 56℃,自动断开温度为 45℃;RT 为 NTC 热敏电阻。温度继电器触点 KT 和 NTC 热敏电阻 RT 均安装在 LED 模块上,并与模块紧密接触。在常温下,KT 处于断开状态,RP 起控制作用,将输出电流设定在 1.6A。当继电器温度达到 56℃时,KT 则自动闭合,温度控制电路开始工作,以减小输出电流(Iour≤1.35A)。当继电器温度降至 45℃时,KT 自动断开,驱动电源电路恢复正常工作状态,借助 LED 模组散热器将热量散发到大气中。


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