中心議題:
- 降低大功率LED燈溫升及溫控的方法和技術(shù)
解決方案:
- 電源與燈體分離、選擇優(yōu)勢模組和增大散熱面積
- 恒流驅(qū)動和恒壓驅(qū)動設(shè)計(jì)
隨著各國對環(huán)境問題的Et益重視,led照明備受關(guān)注。目前,LED具有較高的發(fā)光效率,制造成本也在大幅下降,LED照明應(yīng)用前景廣闊。然而,大功率LED燈的散熱仍然是LED照明行業(yè)發(fā)展的瓶頸,若散熱問題得不到解決,將會使LED燈的溫度上升,導(dǎo)致其發(fā)光效率降低、使用壽命縮短。本文從燈具及驅(qū)動器的設(shè)計(jì)2個方面提出降低大功率LED燈溫升及溫控的方法和技術(shù),有效降低和限制了大功率LED燈的溫升。
1 降低溫升
目前,LED燈的散熱方式主要有自然對流散熱、加裝風(fēng)扇強(qiáng)制散熱、熱管和回路熱管散熱等。本文在采用自然對流散熱的基礎(chǔ)上還從以下幾個方面著手降低溫升。
1.1 電源與燈體分離
由于電源本身產(chǎn)生一定的熱量,使得LED燈上的熱量來源增加。同時,電源與燈一體設(shè)計(jì)使得LED燈整體受熱不均,這些因素都會導(dǎo)致燈具發(fā)生疲勞和早期失效,而影響其壽命。圖1為LED燈溫度隨工作時間的變化曲線,圖中T1為放置電源處溫度,T2為遠(yuǎn)離電源處溫度,T3為燈體中心溫度。從圖中看出,隨著工作時間的增加,圖1(a)中T1遠(yuǎn)大于T2和T3;圖1(b)中T1與T2兩曲線重合,T3略大于T1和T2。可見分離電源后,整燈的溫度分布很均勻。
1.2 選擇優(yōu)質(zhì)LED模組
LED模組的選擇在降低溫升上也起著較為關(guān)鍵的作用。選擇由導(dǎo)熱系數(shù)高且一致的材料封裝的LED燈珠,可提高內(nèi)部的熱擴(kuò)散性。采用高導(dǎo)熱、高散熱的金屬基板作燈芯板,使散熱片溫度分布均勻,從而使得散熱作用發(fā)揮到最大。
1.3 增大散熱面積
鋁基板與散熱片交界面處容易有空隙,而空氣的導(dǎo)熱系數(shù)很小,僅約0.03W/m·K,因此可以在接觸面涂上具有較高導(dǎo)熱能力的膠狀導(dǎo)熱硅脂來增大實(shí)際接觸面積。同時,增大散熱片的散熱面積,將散熱片的結(jié)構(gòu)變形,以方便散熱。
2 溫度控制系統(tǒng)
LED燈以額定功率工作產(chǎn)生的熱量超出其散熱能力時,本文在加強(qiáng)散熱的同時還采用控溫技術(shù)來進(jìn)行限制溫升。高溫時,溫控系統(tǒng)開始工作,適當(dāng)減少驅(qū)動器的輸出,達(dá)到了限制并降低溫升的目的;當(dāng)溫度降低時,恢復(fù)原工作狀態(tài)。文中選擇以下2種方式來驅(qū)動LED燈。
2.1 恒流驅(qū)動
此方案通過控制驅(qū)動器的輸出電流來實(shí)現(xiàn)對LED燈的溫度控制。圖2為恒流驅(qū)動器驅(qū)動LED燈框圖,驅(qū)動器輸出到LED模組,LED模組上產(chǎn)生的熱量通過良好的導(dǎo)熱材料傳導(dǎo)到燈芯板,最后經(jīng)由散熱片散熱到大氣中。當(dāng)外界散熱環(huán)境惡劣時,LED模組的溫度會達(dá)到溫度控制系統(tǒng)設(shè)定的溫度,得到反饋的信息后,驅(qū)動器減少輸出,達(dá)到限制并降低LED模組溫度的目的。
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圖3為恒流電源給LED燈供電控制原理圖。電源的指標(biāo)為:220V AC輸入,電流1.2一1.7A可調(diào),電壓自適應(yīng)(36~39V)。圖3中左側(cè)細(xì)虛線框中部分為控制電路,其中W1為可調(diào)電阻器;NTC為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻;Kt為常開溫度繼電器,其閉合溫度為56℃,自動斷開溫度為45℃;Rx為匹配電阻。圖3右側(cè)粗虛線框中部分為LED模塊部分。溫度繼電器和熱敏電阻安裝在LED模塊上,并與模塊緊密接觸,以便將LED的溫度信息反饋給控制電路。常溫下Kt
處于斷開狀態(tài),此時控制電路中只有W1起控制作用,設(shè)定常溫工作總電流恒定為1.60A。當(dāng)繼電器溫度上升到56℃時,Kt自動閉合,整個控制電路開始工作,以減小恒流電源的輸出;當(dāng)溫度降低到45℃時,Kt自動斷開,電源額定輸出。該過程可用圖4表示,圖中T為Kt的溫度,Rntc為NTC的阻值。
控制電路阻值與輸出總電流的關(guān)系列于表1,其中R為控制電路的等效電阻。經(jīng)過在恒溫箱中測試,每2℃記錄1組數(shù)據(jù)得到如圖5所示的NTC熱敏電阻的溫度一阻值曲線。該方案中,驅(qū)動電源通過接收到反饋的溫度信息來控制輸出電流,根據(jù)圖5中NTC的溫度與阻值的關(guān)系,只要找到輸出電流隨總阻值的變化關(guān)系(如圖6所示),再進(jìn)行適當(dāng)?shù)碾娮杵ヅ洌憧烧业綔囟扰c驅(qū)動器輸出電流的關(guān)系。
結(jié)合表1,常溫工作時,總阻值為5.7kΩ,可將圖3中W1設(shè)置為5.7kΩ,當(dāng)LED燈珠溫度r≥56℃時,因Kt閉合,恒流電源輸出減小,此時要使控制網(wǎng)絡(luò)總電阻為3kΩ,經(jīng)過計(jì)算,Rntc值為3.6 kΩ。
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2.2 恒壓驅(qū)動
此方案通過控制驅(qū)動器的輸出電壓來實(shí)現(xiàn)對LED燈的控制??傮w框架與恒流驅(qū)動類似,不同的是,該方案采用恒壓驅(qū)動器,溫度控制系統(tǒng)電路有所不同。
圖7為恒壓驅(qū)動器溫控的連線圖。Trim端用來調(diào)節(jié)電源的輸出。左側(cè)點(diǎn)線型虛線框中部分為控制電路,其中:PTC為正溫度系數(shù)溫敏電阻;R1、R2、R,均為普通電阻,與PTC溫敏電阻匹配調(diào)節(jié)驅(qū)動器輸出電壓;Kt為常閉型溫度繼電器,其斷開溫度為60℃,自動閉合溫度為48%。右側(cè)虛線框中部分為LED模塊部分。Kt和PTC安裝在LED模塊上,并與模塊緊密接觸。常溫下Kt處于閉合狀態(tài),此時控制電路中控制驅(qū)動器額定輸出,該LED模組常溫工作額定總電壓為24V。當(dāng)繼電器溫度上升到60℃時Kt
自動斷開,整個控制電路工作,從而減少恒壓電源的輸出,當(dāng)溫度降低到48℃時,溫度繼電器自動閉合,并使電源正常輸出。經(jīng)過測試,得出驅(qū)動器Vo端與Trim端之間連接的總電阻值尺與驅(qū)動器輸出電壓Uo之間的關(guān)系,見表2??梢钥闯觯弘S著電阻的增加,輸出電壓呈減小趨勢。當(dāng)溫度達(dá)到60℃時,圖7控制電路中溫度繼電器Kt斷開,此時,只要電阻匹配得當(dāng),我們便可以得到設(shè)定的輸出電壓。各阻值計(jì)算方法同上,在此不作具體計(jì)算。3試制驅(qū)動器實(shí)測結(jié)果本項(xiàng)研究進(jìn)行了大功率LED路燈和LED投射燈及驅(qū)動器的研制工作。圖8為LED路燈樣燈及其恒流驅(qū)動器,燈體采用一體化設(shè)計(jì),測得常溫輸入驅(qū)動器的交流電流為270mA,燈長時間運(yùn)行狀況良好,其總光通量為3 408 lm,在控溫作用時,輸出電流減小為常溫的87%。圖9為LED投射燈樣燈及其恒壓驅(qū)動器,測得常溫下輸入驅(qū)動器的交流電流為140mA,總光通量為1 011 lm,在控溫作用時,電壓減小為常溫的90%。
在LED照明過程中,恒壓驅(qū)動器給LED燈提供恒定電壓,而當(dāng)溫度升高時,LED燈PN結(jié)電壓V,將會以約-2mV/℃速度下降,從而流經(jīng)LED燈的電流迅速增大,影響其使用壽命;而使用恒流驅(qū)動器則避免了這一現(xiàn)象。因此一般建議使用恒流驅(qū)動器驅(qū)動LED燈。
3 結(jié)語
本文提出的控溫方案有效降低了大功率LED燈的溫升,且溫度升高超過設(shè)定的控制溫度時,會使驅(qū)動器減少輸出,在不影響使用的情況下,適當(dāng)減少LED燈的光通量和功耗,避免了因過熱而導(dǎo)致LED燈光衰和使用壽命縮短。該溫度控制方案在研究過程中顯示出了多方面優(yōu)勢,相信不久的將來會得到大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用。
LED燈的散熱仍是LED行業(yè)研究的熱點(diǎn),希望本文方案能夠?qū)ED行業(yè)的發(fā)展起到促進(jìn)作用。