環(huán)境問題在各國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展中已成為頭等重要的問題,因而節(jié)能省電的LED照明就成為了照明界的“新寵”,。因?yàn)長(zhǎng)ED的發(fā)光效率較高、制造成本也較低,,其應(yīng)用前景和市場(chǎng)非常廣大,。但是,大功率LED燈的散熱問題限制了LED照明行業(yè)的發(fā)展,,散熱問題得不到解決,,將會(huì)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(dòng)器的設(shè)計(jì)2個(gè)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(duì)流散熱,、加裝風(fēng)扇強(qiáng)制散熱、熱管和回路熱管散熱等,。
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(lái)源增加。同時(shí),,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(huì)導(dǎo)致燈具發(fā)生疲勞和早期失效,而影響其壽命,。圖1為L(zhǎng)ED燈溫度隨工作時(shí)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(shí)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,??梢姺蛛x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(lái)增大實(shí)際接觸面積。同時(shí),,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(shí),,本文在加強(qiáng)散熱的同時(shí)還采用控溫技術(shù)來(lái)進(jìn)行限制溫升,。高溫時(shí),溫控系統(tǒng)開始工作,,適當(dāng)減少驅(qū)動(dòng)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(shí),,恢復(fù)原工作狀態(tài),。文中選擇以下2種方式來(lái)驅(qū)動(dòng)LED燈。
2.1 恒流驅(qū)動(dòng)
此方案通過控制驅(qū)動(dòng)器的輸出電流來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)LED燈的溫度控制,。圖2為恒流驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)LED燈框圖,,驅(qū)動(dòng)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(shí),LED模組的溫度會(huì)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(dòng)器減少輸出,達(dá)到限制并降低LED模組溫度的目的,。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(dòng)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L(zhǎng)ED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(shí)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(shí),Kt自動(dòng)閉合,,整個(gè)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(shí),Kt自動(dòng)斷開,,電源額定輸出,。該過程可用圖4表示,圖中r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(cè)試,,每2°C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(dòng)電源通過接收到反饋的溫度信息來(lái)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?,便可找到溫度與驅(qū)動(dòng)器輸出電流的關(guān)系。
結(jié)合表1,,常溫工作時(shí),,總阻值為5.7kll,可將圖3中W1設(shè)置為5.7kQ,,當(dāng)LED燈珠溫度r≥56℃時(shí),,因K。閉合,,恒流電源輸出減小,,此時(shí)要使控制網(wǎng)絡(luò)總電阻為3kll,經(jīng)過計(jì)算,,Rx值為3.6 kQ,。
2.2 恒壓驅(qū)動(dòng)
此方案通過控制驅(qū)動(dòng)器的輸出電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)LED燈的控制??傮w框架與恒流驅(qū)動(dòng)類似,,不同的是,該方案采用恒壓驅(qū)動(dòng)器,,溫度控制系統(tǒng)電路有所不同,。
圖7為恒壓驅(qū)動(dòng)器溫控的連線圖。Trim端用來(lái)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,、Rx均為普通電阻,,與PTC溫敏電阻匹配調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)器輸出電壓;Kt為常閉型溫度繼電器,,其斷開溫度為60℃,,自動(dòng)閉合溫度為48%。右側(cè)虛線框中部分為L(zhǎng)ED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K,。處于閉合狀態(tài),,此時(shí)控制電路中控制驅(qū)動(dòng)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(shí)K.
自動(dòng)斷開,,整個(gè)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°C時(shí),,溫度繼電器自動(dòng)閉合,并使電源正常輸出,。經(jīng)過測(cè)試,,得出驅(qū)動(dòng)器V。端與Trim端之間連接的總電阻值尺與驅(qū)動(dòng)器輸出電壓U之間的關(guān)系,,見表2,。可以看出:隨著電阻的增加,,輸出電壓呈減小趨勢(shì),。當(dāng)溫度達(dá)到60℃時(shí),圖7控制電路中溫度繼電器K,。斷開,,此時(shí),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(dòng)器實(shí)測(cè)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(dòng)器的研制工作。圖8為L(zhǎng)ED路燈樣燈及其恒流驅(qū)動(dòng)器,,燈體采用一體化設(shè)計(jì),,測(cè)得常溫輸入驅(qū)動(dòng)器的交流電流為270mA,燈長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行狀況良好,,其總光通量為3408lm,,在控溫作用時(shí),,輸出電流減小為常溫的87%。圖9為L(zhǎng)ED投射燈樣燈及其恒壓驅(qū)動(dòng)器,,測(cè)得常溫下輸入驅(qū)動(dòng)器的交流電流為140mA,,總光通量為1011lm,在控溫作用時(shí),,電壓減小為常溫的90%,。
在LED照明過程中,恒壓驅(qū)動(dòng)器給LED燈提供恒定電壓,,而當(dāng)溫度升高時(shí),,LED燈PN結(jié)電壓V,將會(huì)以約-2mV/°C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(dòng)器則避免了這一現(xiàn)象,。因此一般建議使用恒流驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)LED燈,。
4 結(jié)語(yǔ)
本文上述的方案,有效降低了大功率LED燈的溫升,,一旦溫度升高超過設(shè)定的控制溫度時(shí),,會(huì)使驅(qū)動(dòng)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(shì),,相信不久的將來(lái)會(huì)得到大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用,,LED照明也會(huì)因此得到一次更大程度上的提升。