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论厂房照明用LED工矿灯的重要性

2017-10-21 14:58:10      点击:

   论厂房照明用LED工矿灯的重要性

HGLED-G-024 大功率LED工矿灯/工厂灯




    1 引言: 

  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。 

  2 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。 

  3 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。
 
  (1)功率选择
  (2)光源选择 
  (3)散热设计
  (4)机构设计 
    (5)光学设计 


  3.1 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,见下表:

光源
光效(LM/W
色温(K) 显色指数(Ra 平均寿命(H
金卤灯 80 3000、4500、5600 60-95 8000
高压钠灯 80 2300 ≤30 8000
LED >100 全色温 ≥75 ≥30000



      考虑到在实际使用中的高压钠灯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%。

  3.2 光源选择 

      目前市面上大功率LED光源比较知名的品牌有:Lumileds(最早的LED)、CREE、OSRAM、NICHIA、普瑞,另外台湾厂商的晶元等也是应用较为普及的品牌。 为保证产品的稳定性,海光照明LED工矿灯选用最为知名的晶元、普瑞、科瑞光源。

  3.3 散热设计:

      在大功率LED工矿灯中,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。

  3.3.1 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。

  3.3.2 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。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;纯铝鳍片式(Fold-fin)是最好的散热器,特殊制造可改为主动散热方式。

       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。

  3.4 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 

    B.  Best structure

   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。

 
      通过热流仿真模拟,我们发现Case4散热好,Fold-fin是最快好的散热。
 

  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散热可以,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。

   (4)Fold-fin 铝鳍片式,散热面积大,主动导走热量,鳍片表面不储存热量,得到很理想的散热效果。
  

    4 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。

   5 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。