降低大功率LED燈溫升及控溫技術(shù)的研究

引言

　　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。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(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(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)器的輸出電壓來實(shí)現(xiàn)對(duì)LED燈的控制。總體框架與恒流驅(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?？梢钥闯觯弘S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。