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LED照明发展的关键散热处理与安全设计

发布时间:2020-06-30 17:33:10 阅读: 来源:高温风机厂家

对目前常见的白炽灯泡或是荧光灯、省电灯泡来说,即便产品本身运行可能产生热能,但组件的高热仍可以被有效隔离,使光源与电源接座不会因热而产生意外的公安问题。但led固态照明就不同,一来LED组件集中单点的运行高温,必须采取更多积极手段进行散热处理,同时搭配主动有效的热处理机制,才能避免灯具发生公安问题...

传统光源或灯具多有运行过程产生高热的问题,例如卤素灯泡或白炽灯泡,若是白炽灯形式,即在特殊处理的灯球环境内加热钨丝产生光亮。

实际上,高温产生在灯丝上而非灯座,即便灯座会因灯球玻璃或是金属受钨丝发光的辐射热、热传导间接产生高温,但产生的温度都在可接受的安全范围,再加上非直接接触传导,安全性也相对较高。

LED固态光源 热处理问题较传统灯具复杂

但换成LED固态光源形式的灯具,其热处理便可能成为新的应用安全问题。多数人会认为LED具高能源转换效率、低驱动能源优势,自然使用安全性较高,但实际上LED固态光源为了达到日常照明的应用目的,必须透过加大单组组件的功率去强化单元件的输出流明,例如灯具厂会采取多LED组件整合形式加强输出效果,且多组件同时运行也能改善LED固态光源光型偏向点光源的问题,让LED固态光源技术的灯具可产生如灯泡般的面光源效果。

在开发现场,欲强化单元件的输出流明,必须施加更高的电流,以使LED芯片的PN接面产生更多流明,但更高电流也会让单点LED组件的温度升高、更难处理,甚至为了提高灯具的光型表现、发光效率而采取多组件并用形式,也会使LED灯具的高温问题加剧,让散热问题更难处理。

综观目前LED灯具市场的发展趋势,多数LED光源的模块厂大多会先以利基市场产品为开发主力,因为高单价、高利润,也可以借由技术差异迅速打入发展技术较前卫的LED光源市场,例如,针对室内装潢、情境灯具应用的嵌灯、壁灯、吸顶灯就成为LED光源灯具较常见的设计形式,其替换传统灯具后的省电效益亦最受相关业者关注。

基本上,LED光源灯具必须重点处理的热管理设计,在可能于密闭或半密死循环境使用的嵌灯、壁灯、吸顶灯产品,形成更严苛的挑战,灯具开发商必须从材料、产品构型、主/被动散热机制、驱动芯片设计等方面投入更多资源,以避免产品的公安问题肇生。

LED嵌入式灯具体积小,且常采多组件整合,模块的散热设计难度较高。

NTC持续监控运行温度 维持LED灯使用安全

若LED灯具没有搭配足够的热管理设计,在使用过程中可能会导致灯具因为经常性高热运行造成寿命锐减,产生必须频繁更换故障LED灯具的困扰,严重者甚至可能酿成公安意外,因运行高温造成线路或是周边装潢着火燃烧!

在产品开发阶段,可运用智能型LED灯光控制技术,透过主动式的监看LED灯具与整体光源模块的温度表现,简化装置的热管理工作,同时当灯具与环境周遭温度上升至危险区段时,灯具必须降低电功率、减少LED亮度输出,以此提升LED固态光源灯具的使用安全性。

考虑较简单的设计形式,若灯具本身所使用的驱动器功能较聚焦于电源转换与LED组件驱动,并未内嵌温控微处理器与散热处理模块,为避免增加产品原料件的成本,LED灯具可整合NTC(Negative Temperature Coefficient)负温度系数Thermistor Sensors电路,是成本效益相对较高的安全设计方案。

所谓NTC电路,其设置目的是藉由透过电子回路去监看LED的模块灯具温度,透过默认温度警示或是对应自动处理驱动状况,采关闭LED固态光源模块方式,来提升LED灯具的使用安全,同时NTC电路也能降低设计的复杂度。

由于NTC电路的温度系数非常大,因此可以侦测得知微小的温度变化表现,被广泛应用于需量测、控制与补偿温度的相关电路设计中,而NTC电路在LED光源模块设计中,基本上为量测LED固态光源灯具的产品周边温度变化,至于量测状况会随着NTC改变的电压现况,直接测得电压和NTC电路的温度对应关系。

当NTC和周边电路或整个模块温度提升时,NTC监控电路的电阻随即降低,产品可依此相依关系进行相关安全控制机制反馈,例如减少LED发光组件的驱动电流或是直接强制关闭灯具照明,在灯具温度问题改善后自动回复照明状态,藉此获得灯具使用的安全性。

采SMD形式制作的NTC THERMISTOR组件。

监看LED灯具温度 亦可导入MCU微控制器达到智慧监控

前述NTC电路的改善形式,若想达到更佳的保护设计,搭配MCU进行更精密的安全设计也是一种相对务实的作法,在开发项目中,可将LED光源模块的状态区分为灯光是否正常开启、灯光是否被关闭,搭配温度警示与温度量测的程序逻辑判断,建构更为完善的智慧灯具管理机制。

例如,若出现灯具温度警示,经温度量测得知模块温度仍在可接受范围,可维持正常途径,透过散热片自然散逸运行温度;而当警示告知所测得温度已达需执行主动散热机制的基准,此时MCU必须控制散热风扇作动,甚至当温度达到危险值,系统必须透过MCU直接关闭驱动器供应电源,让整体电子回路、LED组件暂时停止运行,自然进行散热处理。

判断灯具是否开启或关闭,可用简单的判断位来做变化与了解产品目前使用状态,比较关键的是温度量测部分,所量测的温度必须实时与系统的参照表进行比对,以确认目前模块状态的正常或异常程度,计算出温度间距后,自动对应进行温控管理。

同样的,当温度进入危险区段时,控制机制应随即关闭灯源,同时在系统关闭后60秒或180秒后再次进行温度确认,待LED固态光源模块温度达正常值,再重新驱动LED光源,继续提供照明。

嵌入式灯具外壳采铝挤型或散热片设计,可发挥自体散热作用。

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