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松奇LED工矿灯灯具的设计,涉及较多细节,我们按照以下几个重要的注意事项来做一个简要概述,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 LED工矿灯灯具功率选择 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:
考虑到在实际使用中的高压钠灯和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松奇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%. LED工矿灯灯具光源选择 目前市面上大功率LED光源比较知名的品牌有:CREE、OSRAM、NICHIA、Lumileds(最早的LED),另外台湾厂商的晶元、艾迪森以及国内的封装大厂深圳万润、珠海瑞丰、江西联创等也是应用较为普及的品牌。 为保证产品的稳定性,此LED工矿灯灯具我们选用最为知名的CREE光源。 LED工矿灯灯具散热设计: 在大功率LED 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。 LED工矿灯灯具基板选用 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。 LED工矿灯灯具散热器设计 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器。其各自的性能特点见下表: 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。各自的特点如下: 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。 LED工矿灯灯具机构设计 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 对于外观,我们设想了以下两种形式。 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,对其进行了热流仿真模拟,如下图 通过热流仿真模拟,我们发现Case4的热性能最好。如下表: 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为最佳,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器。
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