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大功率LED照明的设计构思

放大字体  缩小字体 照明中国网   发布日期:2015-05-22  来源:《照明》  作者:杨光  
  1 前言
 
  众所周知,传统的、以高压气体放电灯为代表的大功率照明获得了广泛的应用,在整体数量上是照明中的大头,所消耗的电能在整体照明中所占的比例也最高。由此可见,节能减排的意义对于大功率照明而言尤为重要,取得的效果也更加良好。
 
  目前,伴随着大功率LED照明的技术突破,其在工业、商业、道路、桥梁等相关领域得到了积极的推广,获得了大量的应用,是目前最有力的、针对传统大功率照明的替代者,具有极为广泛的应用前景和更加良好的应用品质,然而大功率LED照明的发展是曲折行进的[1]:开始主要是对传统照明的模仿,由于光效低、寿命短、价格高、维修困难,因此市场难以接受;后来逐步发展为高光效、长寿命、价格适中、维修便利,具有优美外观,高品质光输出、单灯智能控制等性能优越的新一代照明,并逐渐为市场所接受。特别是利用模块化的便利性、灵活性来进行大功率LED照明设计成为新的发展,对于产品整体成本的降低、规模生产的扩大、维修更换的方便,以及对于升级换代要求的满足等都具有重要的意义,国际上主要的LED照明公司都已经有了相应的产品投入使用。基于此,本文在介绍大功率LED照明设计的基础上,重点探讨了有别于传统的大功率照明所采取的具体的设计构思,同时也指出了存在的问题,并进行了一些探讨。
 
  2 大功率LED照明的设计
 
  比较而言,传统大功率照明的设计相对比较简单,主要由光源、电器附件、配光器件和防护结构、外壳等构成,由于长时间的发展和技术的成熟,其配件早已规格化和标准化,因此在设计上就要方便得多,也容易得多;而大功率LED照明设计虽然相对来说要复杂的多,但同时也要灵活得多[2]。主要牵涉到:光源和配光、导热和散热、驱动和控制等关键技术。此外,再加上防护结构、外壳等才能构成完整的照明。
 
  较早时期的大功率LED照明的设计只是从模仿开始,外观相同,内心相异。即将LED光源、散热器和驱动电源安装在传统照明的壳体内。由于LED发光特性及驱动的差异,成型后的光电特性不尽如人意,应用效果不佳;随着大功率LED照明应用的深入,以及运行维护、部件更换要求的提出,起初的、原始的设计思路被抛弃,单灯的整体式设计方式也被打破,出现了采用模块化设计的LED照明;再后来,又出现了将某两种功能合为一体的、具有复合功能的模块,其具体的特性为:一是将LED光源模块与散热模块结合在一起,形成具有独立散热功能的复合模块,二是将驱动模块与LED光源模块结合在一起的具有独立驱动功能的复合模块——光引擎[4],并且上述的两种模块还可以作为基本单元进行扩展,构成超大功率的LED照明[3]。下面将以具有代表性实例加以说明。
 
  2.1 大功率LED照明的特点
 
  相较于传统的大功率照明,大功率LED照明具有非常明显的性能特点和独特的工作方式,为了便于直观有效地进行了解,表1~3列出了具有代表性的大功率LED照明的特性参数,以供参考[5],[6],[7]。
 
  2.2 大功率LED照明的设计
 
  在较早时期的LED照明阶段,大功率LED照明以整体设计为主,并且在防护和外观设计上还借用传统的照明方式。后期随着技术的成熟,采用独特的具有个性化的LED照明设计逐步推广开来,成为整体式大功率LED照明设计的主要思路,目前各大厂家还在广泛地应用这种设计,并加以合理的改进,推出的相关产品种类繁多。
 
  (1)大功率LED工矿灯/投光灯
 
  大功率LED工矿灯(也称为:天棚灯、天井灯、高棚灯)以垂直安装为主,主要用于具有高大空间且照明时间较长的车间厂房、物流仓储、零售百货等场合,依据不同的应用要求具有多种出光角度,约在45°~120°之间,色温在3000~6500K之间。市场上常见的大功率LED工矿灯如图1所示,下面将选取具有代表性、有一定特色的设计,并从四个主要方面来加以阐述。
 
  1)光源选用
 
  大功率LED工矿采用的光源有多种,主要有大功率LED阵列、集成封装LED/组合、模块化大功率LED等,并根据所采用光源自身的出光特性及LED照明的应用要求,需要外加透镜、反光罩等控光元件进行光的分配,以及均光罩等进行均光处理。
 
  图1中的c,d,g,h所选用的光源为大功率LED阵列方式。由于单颗大功率LED的功率较小(一般以1W左右为主流),而工矿灯的功率至少要在20W以上,因此需要采用阵列的方式来获得大的光输出,其优点是可以获得需要的光输出,整体的热点分散,有利于散热设计,不足的是每颗LED的配光均需要单独的元件,数量多,且整体的光输出会形成较多的重影。
 
  图1中的a,b,e,f所选用的光源为集成封装LED/组合。由于单颗大功率LED的功率较大(一般在20W以上)且内部已经完成各芯片间的电气连接,具有一致性好、外接线简单等特点,因此可以方便大功率LED照明的设计,降低光源的成本,且光输出为单点输出,没有重影,因此是一种非常有前途的光源。需要注意的是散热设计时需要处理热点集中的问题,解决好导热、传热和散热的关系。
 
  图1中的i,j,k所选用的光源为模块化大功率LED。由单颗大功率LED通过阵列方式的整合而形成具有标准形式的光源模块,一般功率约为20~50W,其中工矿灯i采用的为单个光源模块,j,k采用的为标准光源模块的组合方式,具有随意组合、方便扩展及应用灵活等特点,但需要注意各模块间的机械结构及扩展间的配合问题。
 
  2)散热类型
 
  主要采用以铝型材加工成形为主的散热设计,一般为铝翅片方式,具有热传导和对流的两大功能。对于大功率LED照明,为强化效果可外加强制风扇或者采用热管等其它方式,但是装置复杂,成本较高,应用受限。
 
  图1中的a,c,g整体式铝翅片式散热方式。其具有结构简单、效果良好、应用灵活等特点,但要兼顾散热器设计的外形及散热效果间的关联;b为组合式铝翅片式散热方式,可以简化散热器的设计种类,也便于热点的分散,具有使用方便、灵活组合及改善散热等特点。
 
  图1中的d为反光罩与散热翅片的组合方式。其巧妙地将反光罩与散热翅片进行组合,借用反光罩来作为散热的一部分,使得整个的散热体积有所减小,效果能够达到一定的改善,但是反光罩的加工工艺变得复杂,成本有所上升。
 
  图1中的f为热管与翅片式散热的组合。由于此种照明主要用于塔吊、广场高塔等大空间的照明,功率很大,一般在200~400W.为了解决巨量的散热与较小体积/重量之间的矛盾,因此采用热管与翅片式散热的组合来耗散巨大的热量,同时整体的照明体积也较小,重量较轻,以方便高空安装,提高使用的安全性和便利性。
 
  图1中的i,j,k为组合式铝翅片式散热,将数个规格相同的翅片式散热进行适当的组合,相互间留有教导的散热通道,便于空气的流动,具有随意组合、方便扩展、应用灵活及散热均匀等特点。
 
  3)驱动方式
 
  大功率LED工矿灯的驱动采用带有PFC校正的AC-DC高频开关恒流源[8],技术性能良好,满足相应的安规要求。
 
  图1中的a-h采用的一般为单一输出的驱动电源,具有结构紧凑、效率高及安装简单等特点,缺点是一旦电源失效将引起整个灯的失明。
 
  图1中灯i-k所采用的为多路输出的驱动电源,每一路输出连接一个光源模块,这样可以减轻单路输出中大功率元件的电压、电流的应力,也便于散热,具有冗余度大,单路失效对整个灯的影响较小,结构清晰和使用便利等特点。
 
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