LED灯具的设计-机械工程及其自动化毕业论文

成人教育成人教育毕 业 论 文毕 业 论 文 论论 文文 题题 目 目 LED 灯具灯具的的设计设计 专专 业业 名名 称 称 机械工程机械工程及及自动化自动化 学学 生生 姓姓 名 名 石磊石磊 蔡伟刚蔡伟刚 张伟张伟 指导教师姓名 指导教师姓名 张老师张老师 指导教师职称 指导教师职称 院院 系系 点 点 继续继续教育学院教育学院 日 期 2015 年 4 月 10 日 江南大学成人教育江南大学成人教育 毕毕 业业 论论 文文 任任 务务 书书 一 论文题目 一 论文题目 LED 灯具的设计 二 专业名称 二 专业名称 本科机械及自动化 三 班三 班 级 级 2013 级 四 学生姓名 四 学生姓名 石磊 蔡伟刚 张伟 五 指导老师 五 指导老师 张老师 六 论文开始时间 六 论文开始时间 七 论文完成时间 七 论文完成时间 八 院 站 签名 八 院 站 签名 2015 年年 4 月月 10 日日 目 录 引言 1 第一章 绪论 1 1 1 LED发光原理 1 1 2 LED灯具发展 2 1 3 LED 灯具特点 3 1 4 LED 照明的应用领域 3 1 5 LED 灯具的劣势 5 1 6 LED 面临的挑战 7 第二章 LED 灯具设计理念 7 2 1 节能化 7 2 2 健康化 8 2 3 艺术化 8 2 4 人性化 8 第三章 LED 灯具设计要素 9 3 1 结构方面 9 3 2 散热方面 9 3 2 电源方面 10 第四章 LED 灯具结构基础知识 10 4 1 LED 灯具类型 10 4 1 1 按防触电保护类别划分 10 4 2 L E D 灯 具 结 构 1 1 4 2 1 LED 灯具结构部件 11 4 2 2 LED 灯具弱电部件 11 4 2 3 LED 灯具强电部件 12 4 3 LED 灯具结构部件加工 12 4 3 1 材料成形及加工工艺 12 4 3 2 表面处理 13 4 3 3 LED 灯具散热 14 4 3 4 LED 灯具主要参数分析 15 第五章 LED 路灯结构设计实例 15 5 1 LED 路灯渲染图 16 5 2 LED 路灯爆炸图 17 5 3 LED 路灯孔位尺寸图 18 5 3 1 散热器 18 5 3 2 光学透镜 19 5 3 3 LED 铝基板 19 5 3 4 电源线密封圈压块 20 5 3 5 电源线密封圈 20 5 3 6 外形尺寸图 21 第六章 LED 路灯结构散热测试分析 22 6 1 散热效能热成像报告 22 结论 24 参考文献 26 致谢 26 1 引引 言言 自从爱迪生发明了灯泡之后 人类就进入了用电进行照明的时代 而在白炽灯发明近 100 年后 人类又迎来了照明史上的又一次革命 而引领这次革命的正是 LED 的发明 LED 具有高效低耗 绿色环保 响应快 寿命长等优点 其对照明产业带来的冲击胜过当年白 炽灯的发明 LED 被称作 第四代光源 第一代光源 是篝火 不仅用于照明 还可以用于做饭 制作陶瓷 杀菌 科学分析等方面 同样 第二代光源 的白炽灯 以及 第三代光源 的荧光灯等光源的许多功能与用途也早已被充分利用 因此 作为 第四代光源 之一的 LED 其用途可以说是无限的 LED 照明技术的发展引起了国内外光源界的普遍关注 现已成为具有较大发展前景和 影响力的一项高新技术产品 近年来随着城市建设和电子信息产业的高速发展 人们对光 源的需求与日俱增 LED 产品的开发研制生产已成为发展前景十分诱人的朝阳产业 目前 随着我国绿色照明工程的组织实施 促进了 LED 照明技术的创新和发展 使得 LED 在照明 领域得以广泛应用 LED 潜在的市场使其显示出了强大的发展潜力 第一章 绪论 1 1 LED 发光原理 LED Lighting Emitting Diode 即发光二极管 是一种半导体发光器件 它是利 用固体半导体芯片作为发光材料 基本结构是一块电致发光的半导体材料 置于一个有引 线的架子上 四周用环氧树脂密封 起到保护内部芯线的作用 发光二极管的核心部分是 由 P 型半导体和 N 型半导体组成的晶片 一端的 P 型半导体中空穴占主导地位 而另一 端的 N 型半导体则主要是电子 在它们之间有一个过渡层 称为 P N 结 图 1 当有正 向电流通过导线作用于这个晶片的时候 电子就会被推向 P 区 在 P 区里电子跟空穴复合 然后就会以光子的形式发出能量 这就是 LED 发光的原理 而加反向电压时 少数载流子 难以注入 故不发光 而光的波长也就是光的颜色 是形成 P N 结的材料决定的 在很大 的工作电流范围内 发光二极管的亮度随电流的增大而提高 图为 P 型半导体和 N 型半导 体微观结构的示意图 2 图图 1 a 1 a 图图 1 b 1 b 1 2 LED1 2 LED 灯具发展灯具发展 现代灯具主要在向一下几个方向发展 1 高效节能化 首先是采用节能光源 然后是按照节能光源的尺寸 形状 精心 设计灯具的光学系统 真正提高灯光的有效利用率 所谓节能光源 主要有两种 节约 用电和使用新能源 无论是哪种都对环保有着良性作用 减少了能源的浪费 2 集成可调化 随着灯和灯具一体化的开发和应用 以电子镇流器为代表的照明 灯具电子化技术迅速发展 各种集成化装置和计算机控制系统对灯具和照明系统的应用 取得了显着的进步 灯具及照明系统在调光 遥控 控制光色等方面均有了很大的改善 3 多功能小型化 随着紧凑型光源的发展 各种新技术 新工艺不断采用 镇流 器等灯用电器配件小型化 现代灯具正在向小型 实用 多功能方向发展 而 LED 灯具 则正适合这个趋势 常规灯具由于其固有的设计原因无法保证小型化与安全性 而 LED 灯具有环氧树脂紧密包裹 安全性能良好 即使做得很小也不易出现摔碎 摔坏的情况 故而很适合小型 多用途灯具的开发 4 艺术趣味化 过去的灯具在人们生活中扮演单纯照明的角色 如今市场上兴 起各种各样个性化的灯具 灯具市场更强调装饰性和美学效果 艺术型灯具在场所布置 艺术鉴赏 个性化私人空间的时候都能发挥出很大的用处 其作用早已不局限在照明上 了 甚至 可以将盆栽等景观艺术与 LED 灯具相结合 合二为一之后不仅节省了空间 更增加了美感 3 1 3 LED1 3 LED 灯具灯具特点特点 LED 的内在特征决定了它具有很多其他灯具所不具备的特点 简单来看 主要有七 大特点 1 性能优良 LED 灯具单色性好 色彩鲜艳丰富 颜色饱和度达到全彩色 使灯光 更加清晰柔和 反应时间又快 特别适合需要紧急开关的灯具 比如汽车的警告 灯 2 体积小 LED 基本上是一块很小的晶片被封装在环氧树脂里面 所以它非常小 非常轻 因此 在运输中的费用大为减少 仓库允许的储量大大增加 3 耗电量低 LED 耗电相当低 直流驱动 超低功耗 单管 0 03 0 06 瓦 电光功 率转换接近 100 一般来说 LED 的工作电压是 2 3 6V 工作电流是 0 02 0 03A 这就是说 它消耗的电能不超过 0 1W 相同照明效果比传统光源节能 80 以上 LED 光源不需要滤色就能直接产生汽车灯具需要的红色 琥珀色等颜色 从中也 能节约不少能耗 4 使用寿命长 有人称 LED 光源为长寿灯 它为固体冷光源 环氧树脂封装 灯体 内也没有松动的部分 不存在灯丝发光易烧 热沉积 光衰等缺点 在恰当的电 流和电压下 使用寿命可达 6 万到 10 万小时 比传统光源寿命长 10 倍以上 5 高亮度 低热量 LED 使用冷发光技术 发热量比普通照明灯具低很多 6 环保 LED 光谱中没有紫外线和红外线 既没有热量 也没有辐射 眩光小 冷 光源 可以安全触摸 属于典型的绿色照明光源 同时 LED 也可以回收再利用 7 坚固耐用 LED 是半导体元件 被完全封装在环氧树脂里面 比起使用玻璃 钨 丝一类容易损毁的部件的灯泡和荧光灯管 LED 灯具要坚固许多 灯体内也没有松动的 部分 使得 LED 不易损坏 故障率极低 基本可免于维护 1 4 LED1 4 LED 照明技术的应用领域照明技术的应用领域 LED 灯具 既使用 LED 为发光源制作的应用型照明灯具 主要应用于室外景观亮化 特种装饰亮化应用 室内装饰与照明 道路照明等 作为新型的照明灯具 LED 灯具相比于传统灯具有着巨大的优势 其主要优点有 1 节能 白光 LED 的能耗仅为白炽灯的 1 10 节能灯的 1 4 2 长寿 实际寿命可达 5 万 小时以上 为一般光源的几倍甚至几十倍 3 高纯度 鲜艳丰富的色彩 目前 LED 产 品几乎覆盖了整个可见光谱范围 且 色彩纯度高 4 固体发光 抗震性能好 牢固 4 可靠 5 动态的色彩控制 明暗可调 三原色的 LED 组合可采用 PWM 实现颜色的变 化 6 LED 有很强的发光方向性 光通量利用率高 且体积小 易于 LED 灯具的外 观 设计和光强分布的控制 7 LED 可采用直流低压供电 安全可靠 8 LED 灯具的 发光效率高 目前量产使用的白光 LED 最高可以做到 120lm W 9 绿色照明 不含汞 等有害物质 由于 LED 是一种寿命长 功耗低 无辐射的节能环保型光源 且随着发光二极管发 光效率的撼高 LED 灯的发光强度会大幅度的提高 再结合相应控制技术的进步 预计 在不久的将来 LED 光源会逐步取代传统的照明光源 并掀起一次照明领域新的革命 1 普通照明 在照明工程设计中通常把工厂车间 学校 教室 办公室 实验室及体育场所等 以功能为主的照明系统 称为普通照明或一般照明 照明功能是灯具最本质的属性 早 在上世纪初 灯具设计师们就开始从灯具照明功能上探究如何人性化 站在使用者的角 度 好的照明效果应该是在满足充足照明的前提下均匀 柔和不刺眼的 而在生活节奏 日益加快的今天 柔和均匀的照明效果也不仅仅是人生理层面的需求了 而被赋予了更 深层面的感知需求 目前 普通照明领域白炽灯和荧光灯为主 但是 led 作为一种新的节能型能源正逐 步走入百姓家 现在 用于普通照明的发光二极管发出的光一般为白色 俗称白光 led 简称照明 led 在普通照明中 光的色温及显色性无论对人的生理还是心理的影响都是十分重要 的 LED 光源可利用红 绿 蓝三基色原理 在计算机技术控制下使三种颜色具有 256 级灰度并任意混合 即可产生 256 256 256 16777216 种颜色 形成不同光色的组合 变化多端 实现丰富多彩的动态变化效果及各种图像 一般情况下 标准日光大约在 5200 5500 K 一般钨丝灯 一般的普通灯泡光的色温大约在 2800 K 而一般日光灯 的色温在 7200 8500 K 左右 LED 灯从发光颜色上分有正白 色温 5500K 左右 暖白 色温 4500K 左右 暖色 色温 3000K 左右 之分 正白就是最常见的白发蓝的光 市场 上卖的电筒台灯用的 LED 就是正白 暖白与日光灯光接近 暖色与白炽灯光接近 光源对物体颜色呈现的程度称为显色性 也就是颜色的逼真程度 显色性高的光源 对颜色的再现较好 我们所看到的颜色也就较接近自然原色 显色性低的光源对颜 色 的再现较差 我们所看到的颜色偏差也较大 目前 LED 灯具的显色性一般在 60 80 因 此颜色偏差小 2 装饰用灯 5 LED 光源具有无可比拟的性能优势 特别是近几年的电力紧张和国家对节能光源的高 度重视 LED 光源在各个领城使用的年增长率达到 5 以上 像传统以霓虹灯为主导的景 观工程 广告灯具 装饰灯具等领域不同程度地被 正刀光源所挤占 LED 光源在室内亮化 工程中 由于它的单元小 控制方便已有代替觉虹灯 成为主装饰光源的趋势 人们在满 足物质生活需要的同时 对美 对艺术也有着非常强烈的追求 对灯具的要求也自然是 不仅仅局限于使用 还追求着造型的美观 在宾馆酒店 广告 橱窗 舞厅 餐厅等场 所 以烘托氛围为主的照明系统称为装饰与艺术照明 简称装饰照明 不同功能的 LED 光 源可以组合成彩绚丽的灯光幻影 这种 多色彩 多亮点 多图案 的变化 体现了 LED 光源的特点 从装饰环境来分 装饰用灯可分为室外装饰照明和室内装饰照明 室外装饰照明包括 建筑物的立面照明 庭院照明 广场道路照明 喷泉及造型照明 室内装饰照明则包括 大堂 客房 餐厅 咖啡厅 酒吧宴会厅 健身娱乐 舞厅 会议厅等大型场所的照明 艺术装饰品照明 如雕塑 浮雕 壁毯 壁画等 和重点目的性照明 办公室 厨房等小型 场所的照明 环境不同 照明的方式自然也不相同 因地制宜 才能表现出 LED 灯具的 特色 现代照明技术支配下的灯具表现形态是语态的 也就是说灯具的基本照明功能被弱 化 而是利用光学功能效应 发出有规律或无规律的光效 有如星光灿烂 给人以美的享 受 一件普通的生活灯具 赋予了它新的功能 使人们从新的角度去看它 用新的方式去 使用它 它原有的实用照明功能就失去了 却获得了一种新的生活方式 流光溢彩 随 着科技进步 新材料的出现 加工技艺的不断提升给灯具世界带来了新的变化 越来越多 的创新型灯具进入照明行列 1 1 5 5 LEDLED 灯具的劣势灯具的劣势 1 LED 灯具造价高 一套 LED 灯具的价格是一套节能灯具的十倍甚至几十倍 2 大功率 LED 光效低 3W 以上大功率 LED 出光效率低于高压钠灯等 LED 的节能只 能相对于 50W 以内灯具而言 在 50W 以上高亮度照明上远不如高压钠灯 3 LED 发热量大 特别是大功率灯具 发热量大导致 LED 灯具对散热器件的要求更为 严格 相 应增加了 LED 灯具的体积 降低了大功率灯具的灵巧性 4 LED 灯具与传统灯具对比 6 灯具名 称 光通量 lm W 平 均 寿 命 hr 显色性 特征 使用范围 发展情况 LED 白 光 60 100 50000 80 90 节能 环保 成本 高 寿命长 室 内 外 装 饰照明 白炽灯 8 18 1000 100 安装容易 成本 低 显色性高 住 宅 基 本 照明 即将完全退 出灯光舞台 荧光灯 40 80 8000 40 45 亮度高于白炽灯 成本较低 有污染 替 代 白 炽 灯 目前办公 家庭照明的 主体 正逐 步被节能灯 代替 金卤灯 66 108 4000 12000 80 95 光效高 显色好 寿命长 有污染 投光照明 公路照明 工业照明 因光源形状 单一 灵活 性低 目前 正 逐 步 被 LED 代替 高压钠 灯 70 150 8000 16000 20 25 亮度高 寿命长 显色性低 有污染 道 路 工 业 农业照 明 显色要 求 不 高 的 环境 高 亮 度 照 明 50W 以上 照明 LED 暂 时不可取代 其地位 节能灯 50 70 5000 60 80 节能 成本低 使 用方便 有污染 住 宅 基 本 照明 装饰 照明 逐步替代现 有住宅照明 灯具 但亮 度可发展前 景不大 为 过度灯具 7 1 1 6 6 LEDLED 面临面临的挑战的挑战 LED 发光二极管已被全球公认为最高效的人造照明技术 如今从各种指示灯 路灯 节日彩灯再到笔记本 电视背光灯 家具摆设用灯都在广泛采用 LED 照明 而且这一趋 势日益明显 人们普遍认为用 LED 灯取代传统的灯泡 荧光灯是一种非常环保而且高效 的做法 然而 LED 灯具也非十全十美 其面临的挑战也是很严峻的 近期的调查却显示 使用 LED 的环保功效很可能会被其包含的有毒物质所抵消 研究人员分析了市场上常见 的圣诞树彩灯组中的红色 黄色 绿色和蓝色的 LED 灯 其中既包括高亮度 LED 也包 括低亮度产品 结果显示 这些 LED 灯中包含有锑 砷 铬 铅以及其他多种金属元素 其中 部分 LED 灯的有毒元素含量已经超过了监管部门制定的标准 实际上 LED 灯中 的有毒元素处理也较麻烦 如果使用普通填埋的办法处理将会污染土壤和地下水 而如 果 LED 灯破碎 还可能会对直接接触的人体健康造成损害 另外 LED 需要由于单个发光面比较窄 通常大规模集成在线路板上 形成一个比 较大的发光源 由此会造成大量热量积累 有时会击穿电路板 所以 LED 灯的散热一定 要好 否则很可能导致 LED 灯很快损坏 对于这点 同样也需要在技术上革新 当然工 业设计可以发挥重要作用 第二章 LED 灯具设计理念 居室照明离不开灯具 而灯具是照明的集中反映 它既是完成居室建筑功能 创造视 觉条件的工具 又是居室装潢的一部分 是照明技术与建筑艺术的统一体 现代灯具不仅 在居室内起照明作用 也是营造居室环境氛围的主要组成部分 利用灯具造型及其光色的 协调 能使居室环境具有某种氛围和意境 体现一定的风格和个性 增加建筑艺术的美感 使室内空间更加符合人们心理 生理的需求和审美情趣 LED 作为一种新型的照明技术 其应用前景举世瞩目 尤其是高亮度 LED 更被誉为 21 世纪最有价值的光源 必将引起照明领域一场新的革命 自从白光 LED 出现 无论是发光 原理还是功能等方面都具有其它传统光源无法匹敌的优势 因此 LED 照明已成为 21 世纪 居室照明领域的一种趋势 LED 将取代传统白炽灯和日光灯 居室传统照明灯具已面临严 峻挑战 灯具设计的内容与形式主要是光 LED 新光源促使照明灯具设计开发的革新 从 很大程度上改变了我们的照明观念 使我们可以从传统的点 线光源局限中解放出来 灯 具设计的语言和概念可以自由发挥和重新确立 灯具在视知觉与形态的创意表现上具有了 更大的弹性空间 居室照明灯具将向更加节能化 健康化 艺术化和人性化发展 2 1 节能化 8 研究资料表明 由于 LED 是冷光源 半导体照明自身对环境没有任何污染 与白炽灯 荧光灯相比 节电效率可以达到 90 以上 在同样亮度下 耗电量仅为普通白炽灯的 1 10 荧光灯管的 1 2 如果用 LED 取代我们目前传统照明的 50 每年我国节省的电量就相当 于一个三峡电站发电量的总和 其节能效益十分可观 2 2 健康化 LED 是一种绿色光源 LED 灯直流驱动 没有频闪 没有红外和紫外的成分 没有辐 射污染 显色性高并且具有很强的发光方向性 调光性能好 色温变化时不会产生视觉误 差 冷光源发热量低 可以安全触摸 这些都是白炽灯和日光灯达不到的 它既能提供令 人舒适的光照空间 又能很好地满足人的生理健康需求 是保护视力并且环保的健康光源 由于目前单只 LED 功率较小 光亮度较低 不宜单独使用 而将多个 LED 组装在一起 设计成为实用的 LED 照明灯具则具有广阔的应用前景 灯具设计师可根据照明对象和光通 量的需求 决定灯具光学系统的形状 LED 的数目和功率的大小 也可以将若干个 LED 发 光管组合设计成点光源 环形光源或面光源的 二次光源 根据组合成的 二次光源 来设 计灯具 2 3 艺术化 光色是构成视觉美学的基本要素 是美化居室的重要手段 光源的选用直接影响灯光 的艺术效果 LED 在光色展示灯具艺术化上显示了无与伦比的优势 目前彩色 LED 产品已 覆盖了整个可见光谱范围 且单色性好 色彩纯度高 红 绿 黄 LED 的组合使色彩及灰 度 1670 万色 的选择具有较大的灵活性 灯具是发光的雕塑 由材料 结构 形态和肌理 构造的灯具物质形式也是展示艺术的重要手段 LED 技术使居室灯具将科学性和艺术性更 好地有机结合 打破了传统灯具的边边框框 超越了固有的所谓灯具形态的观念 灯具设 计在视知觉与形态的艺术创意表现上 以一个全新的角度去认识 理解和表达光的主题 我们可以更灵活地利用光学技术中明与暗的搭配 光与色的结合 材质 结构设计的优势 提高设计自由度来弱化灯具的照明功能 让灯具成为一种视觉艺术 创造舒适优美的灯光 艺术效果 例如半透明合成材料和铝制成的类似于蜡烛的 LED 灯 可随意搁置在地上 墙 角或桌上 构思简约而轻松 形态传达的视觉感受和光的体验 让灯具变成充满情趣与生 机的生命体 2 4 人性化 毋庸置疑 光和人的关系是一个永恒的话题 人们看到了灯 我看见了光 正是这 句经典的话语改变了无数设计师对灯的认识 灯具的最高境界是 无影灯 也是人性化照 明的最高体现 房间里没有任何常见灯具的踪迹 让人们可以感受到光亮却找不到光源 体现了把光和人类生活完美结合的人性化设计 9 LED 灯具积小质轻 可选用不同光色的 LED 组合成照度柔和的各种模块 任意安装在 居室中 居室照明灯具的光源可能来源于地面 墙面 窗台 家具 饰物等 因此 未来 居室照明将不再局限于单个灯具 而将由单个灯具照明转化为无照明器具感的整体照明效 果的无影灯 不同的光色和亮度对人的生理和心理能产生不同的影响 人们在很多情况下 并不需要很亮的白光 可能黄光或其它颜色的光更适合生理和心理的需要 三基色 LED 可 以实现亮度 灰度 颜色的连续变换和选择 使得照明从普遍意义上的白光扩展为多种颜 色的光 因此 人们可以根据整体照明需要 如颜色 温度 亮度和方向等 来设定照明效 果 实现人性化的智能控制 营造不同的室内照明效果 即使居室中只有 LED 发光天花板 和发光墙面 人们也可以根据各自要求 场景情况 以及对环境和生活的不同理解 在不 同的空间和时间选择并控制光的亮度 灰度 颜色的变化 模拟出各种光环境来引导 改 善情绪 体现更人性化的照明环境 第三章 LED 灯具设计要素 3 1 结构方面 很多 LED 灯具企业为了考虑灯具设计的紧凑以求降低重量 要求将电源体积做的小巧 并安装在密闭的空间里 其电源的散热条件受到限制 因此高的效率 小的体积及更好的 散热设计是 LED 电源面临的挑战 传统灯具中除部分功率转换为光能外 绝大部分功率都转化为红外辐射能量辐射到灯 具外部空间 而 LED 灯具却不同 LED 是半导体发光 其除部分功率转化为光能外 绝大 部分功率都转换为热能 这些热量只能借助与芯片紧密结合的灯体散热 商家为了灯具产品结构的整体优美 往往把LED电源与LED灯体结构紧密设计在一起 LED 的发热与电源的发热叠加 这样电源和 LED 光源都处在恶劣的工作环境中 当工作环 境的温度超过一定的温度时 LED 电源及 LED 的寿命大打折扣 电源内部设置温度保护时 会出现反复开关灯的现象 不设置温度保护又会引起高温损坏电源器件及加速LED的光衰 3 2 散热方面 灯具工作环境温度 部分地区夏季夜晚户外地表温度高达 40 甚至更高 灯具自 体温升 由于 LED 产生的大量热本身就依靠壳体来散热 合理的设计其 LED 灯具 壳体温度 约 20 25 间 即 在室温 25 工作条件下 灯具壳体温度约 45 50 左右 电源 自体温升 电源设计的比较好的功率器件温升在 25 0 左右 设计的比较差的温升大于 35 户外 LED 电源要求防水 需采用密封式的外壳 为了防护等级的提高厂家要求灌胶 处理 不同的胶体材料价格成本不一样 导热性能也不一样 廉价胶导热性能差 且需高 10 温烘烤 往往会造成元器件不同程度的隐形损伤及紧束拉伤 留下隐患 散热处理的不 好使得壳体内电解电容工作环境如同保温瓶 温度积累无法散出 3 3 电源方面 LED 灯具的电源属于开关电源 开关电源的质量与可靠性取决于其电路设计 生产工 艺 及器件的质量 电解电容是大功率开关电源中必不可少的组成部分 而开关电源的 正常工作寿命要取决于电源所使用的电解电容的寿命 电解电容的寿命又取决于电容本身 的寿命及工作温度 恶劣环境下电容工作环境温度会大于 95 也有人提出是否可用陶瓷 或固体电容 但是目前的电容技术这两种电容都无法做成高压大容量 电解电容在不同的温度下其工作寿命差异很大 就拿国外某著名品牌电解电容为例 其通用 40 105 规格电容寿命保证值是 在 105 满负载条件下 4000 小时 如 果我们设计时 电容纹波电流负载值最大使用到 85 则 按其提供的寿命估算公式 电 容温度 65 时的寿命只能保证约 8 万小时 电容温度 75 时的寿命只能保证约 4 万小时 电容温度 85 时的寿命只能保证约 2 万小时 电容温度 95 时的寿命只能保证约 1 万小 时 从以上的推算 电解电容温度每上升 10 寿命将会减半 必须正视的现实是我国 LED 企业拥有的自主知识产权相对较少 尤其具有谈判地位的 核心专利非常匮乏 企业间也缺少以利益互补为基础的合作关系 生产企业盲目的扩张也 导致了产品的恶性竞争 目前市场上 200W 以上的大功率 LED 模组发光的专业类产品尚无 面世 研发可替代舞台传统高能耗的卤钨光源灯具的潜力极大 第四章 LED 灯具结构基础知识 4 1 LED 灯具类型 4 1 1 按防触电保护类别划分 0 类灯具 依靠基本绝缘作为防触电保护 万一基本绝缘失效 防触电保护就只 好依 赖环境 类灯具 防触电保护不仅依靠基本绝缘 还包括附加的安全措施 即把易触及 的导 电部件连接到固定线路中的保护接地导体上 使可触及的导电部件在万一基本绝 缘失效 时不致带电 0 类灯具 地线 类灯具 防触电保护不仅依靠基本绝缘 而且具有附 加安全措施 如双重绝缘 或加强绝缘 但没有保护接地的措施或依赖安装条件 类灯具 所使用电源为安全特低电压 并且灯具内部不会产生高于 SELV 安 全特 低电压标准 的电压 LED 灯具分类形式多种 2 根据光源功率可分为 小功率灯具 大功率灯具 小功率灯具一般指光源功率小于 0 5W 颗的灯具 大 功率灯具一般指光源功 率大于 0 5W 颗的灯具 3 应用方式可分为 天花灯 筒灯 平板灯 吊灯 日光灯 壁灯 射灯 灯杯 球泡 轨道灯 轮廓灯 投光灯 也称洗墙灯 点光源 埋地灯 水底灯 庭院灯 包括路灯 等 11 4 2 LED 灯具结构 4 2 1 LED 灯具结构部件 固定支架 指将灯具固定到建筑物 可实现支撑 调节角度 防盗等效果 支架 材质 铝 不锈钢 塑料等 灯具外壳 灯具壳体 起承载内部器件 造型 防护 防水防尘 散热 便 于安 装等作用 外壳材质 铝 质感强 档次高 散热性能优秀 主要用于大功率灯具和高 档装饰性灯具 弱电 连接结构 非支撑结构 支撑结构 灯 具 外 壳 固 定 支 架 防 水 密 封 配 光 部 件 线 缆 连 接 件 软 件 P C 控 制 程 序 驱 动 电 路 电 子 元 件 芯 片 弱电 发 光 元 件 L E D P C B A C D C 转 换 供 电 强电 LED 灯具结 构 塑料 质轻 脆 可抗氧化 抗紫外线 价格便宜 加工方便 主要用于小功 率灯具 及绝大部分轮廓灯 不锈钢 仅用于水下灯 玻璃 透光部件 也起三次调光作用 防水 密封 密闭外壳缝隙部分 达到灯具防水要求 主要使用防水胶 橡 胶等 垫圈 配光部件 指根据效果需求 使用配光器件将输出光角度调整至一定的数值 通 常使用的有 反光板 聚光板 透镜 棱角玻璃等 线缆 用以连接灯具供电 信号的外引出线 包括供电电源线和信号线 主要使 用电源线种类 根据线芯数量不同一般有两芯线 三芯线和四芯线 根据使用环境分室外 专用电缆和室内电缆 连接件 灯具间连接的器件 主要起连接操作方便 防水等效果 4 2 2 LED 灯具弱电部件 供 电 AC DC 转 换 发 光 元 件 LED PCB 电 子 元 件 芯 片 驱 动 电 路 PC 控 制 程 序 软 件 固 定 支 架 灯 具 外 壳 防 水 密 封 配 光 部 件 线 缆 连 接 件 LED灯具结构 弱电弱电 连接结构非支撑结构支撑结构 强电 12 LED 光源 主要有 草帽灯珠 0 06W 3528 0 06W 5050 0 18W 1W 3W 集成芯 片 10W 30W 50W 等多种规格 PCB 印刷线路板 分为铝板和 PP 环氧树脂板 铝基板主要使用与大功率灯 具 起散热作用 价格较贵 PP 环氧树脂板主要使用于小功率灯具 价格便宜 驱动电路 LED 特性决定需要以恒流的方式驱动光源 特别是大功率灯具 必 须 使用恒流驱动电路 作用是将直流恒压电转换为直流恒流电 如驱动 1WLED 需要使 用恒 流驱动将输入电压转换成恒流 350mA 输入 系统 软件等 4 2 3 LED 灯具强电部件 供电 电直接供电 中国 欧州为 AC220V 美国 加拿大为 AC110V 日本为 AC100V 低压恒压供电 如 DC12V DC24V 等 低压恒流供电 如恒定电流 350mA 700mA 等 低压交 流电 如 AC12V AC24V 等 注 点亮灯具前必须清楚输入电压 一旦接错 灯具将会损坏 AC DC 转换 LED 常用开关电源 LED 开关电源分为 恒压开关电源 恒流开关电源 使用时必须清楚灯具应使用 何 种电源 4 3 LED 灯具结构部件加工 4 3 1 材料成形及加工工艺 1 锻造 机压 铸造 锻造 俗称 打铁 机压 冲压 旋压 挤压 冲压 用压力机械并配用相应的模具制造出所需的产品工艺 分为裁剪 落料 成 形 拉伸 飞边等几种工序 主要生产设备 剪板机 折弯机 冲床 油压机等 旋压 利用材料的延伸性 通过旋压机配用相应的模具并由工人技术的支持达到 生 产产品的工艺 主要用于旋压反光罩和灯杯 主要生产设备 圆边机 旋压机 切 边机 等 挤压 利用材料的延伸性 通过挤压机并配有形模具 压制成我们所需要的产品 的 工艺 该工艺被广泛应用于铝型材 钢管 塑胶管件的制造 主要设备 挤出机 铸造 沙铸 精密铸造 脱蜡模 压铸 沙铸 以砂子做出型腔进行浇注从而得到 铸件的工艺 精密铸造 用腊制造与产品相同的熔模 在熔模上重复沾涂料与撒砂 再将 内部 的熔模溶化掉 获得型腔 焙烧型壳 浇注所需要的金属材料 脱壳后清砂 从而获 得 高精度的成品 13 压铸 将熔融合金液注入压室内 以高速充填钢制模具的型腔 并使合金液在 压 力下凝固而形成铸件的铸造方法 压铸分热室压铸和冷室压铸 热室压铸 自动化程度 高 效率高 产品耐高温 性差 冷却时间短 用于锌合金压铸 冷室压铸 手工操作程序多 效率较低 产品 耐高温性好 冷却时间长 用于铝 合金压铸 生产设备 压铸机 2 机械加工 产品部件直接由材料加工而成的生产工艺 主要生产设备有车床 铣 床 钻 床 数控车床 NC 加工中心 CNC 等 3 注塑 此生产工艺同压铸一样 只在模具的工艺和加工的温度上有差别 常用的 材 料有 ABS PBT PC 等塑料 生产设备 注塑机 4 挤出 在塑料加工中又称挤出成型或挤塑 在橡胶加工中又称压出 是指物料通 过挤 出机料筒和螺杆间的作用 边受热塑化 边被螺杆向前推送 连续通过机头挤出模 具 而制成各种截面制品或半制品的一种加工方法 生产设备 挤出机 4 3 2 表面处理 灯具产品的表面处理主要有抛光 喷涂和电镀 1 抛光 用电机电动砂轮 麻轮 布轮 对工件表面进行整形的一种工艺方式 主 要针压铸件 冲压件 旋压件的表面 一般是作为电镀的前面工序 也可以作为 材料的 表面效果处理 如太阳花 2 喷涂 原理 优点 工作时静电喷涂的喷枪或喷盘 喷杯部分接负极 工件接正极并接地 在高压 静电发生器的高电压作用下 喷枪 或喷盘 喷杯 的端部与工件之间就形成一 个静 电场 当电压足够高时 喷枪端部附近区域形成空气电离区 涂料中的树脂和颜料 等 大多数是由高分子有机化合物组成 多成为导电的电介质 涂料经喷嘴雾化后喷出 被 雾化的涂料微粒通过枪口的极针或喷盘 喷杯的边缘时因接触而带电 这些带负电 荷的 涂料微粒在静电场作用下 向正极性的工件表面运动 并被沉积在工件表面上形 成均匀 的涂膜 工艺 1 表面预处理 主要是脱脂 除锈 把工件表面清洗干净 2 表面皮膜处理 磷酸盐皮膜化是一种腐蚀反应 将腐蚀成份停留在金属表面 用 巧妙的方法利用腐蚀生成物变成一种皮膜 3 烘干 去掉处理后的工件上的水份 4 喷涂 在高压静电场下 将喷粉枪接负极 工件接地 正极 构成回路 粉末 借 助压缩空气由喷枪喷出即带有负电荷 按异性相吸原理喷涂到工件上 14 5 固化 喷涂后的工件 送入 180 200 的烘房内加热 使粉末固化 6 检验 检查工件涂层 凡有漏喷 碰伤 针气泡等缺陷的 都应返工重喷 应用 静电喷涂所喷工件表面的漆层其均匀度 光泽度以及附着力均比普通手工 喷漆 尤佳 同时静电喷漆不论是普通喷漆 油性和磁性的调和漆 过氯乙烯漆 氨基树 脂 漆 环氧树脂漆等都可以喷 操作简单 且比一般气喷能节省 50 左右的油漆 3 电镀 就是利用电解原理在某些金属表面上镀上一薄层其它金属或合金的过 程 电属的阳离子在金属表面被还原形成镀层 为排除其它阳离子镀时 镀层金属做 阳极 被氧化成阳离子进入电镀液 待镀的金属制品做阴极 镀层金的干扰 且使镀 层均匀 牢固 需用含镀层金属阳离子的溶液做电镀液 以保持镀层金属阳离子的浓 度不变 电 镀的目的是在基材上镀上金属镀层 改变基材表面性质或尺寸 电镀能增强 金属的抗腐蚀 性 增加硬度 防止磨耗 提高导电性 润滑性 耐热性 和表面美观 铝表面阳极氧 化处理 以铝为阳极置于电解质溶液中 利用电解作用 使其表 面形成氧化铝的过程 称为铝阳极氧化处理 4 3 3 LED 灯具散热 1 金属导热系数表 W mK 热传导系数的定义为 每单位长度 每 K 可以传送多少 W 的能量 单位为 W mK 其 中 W 指热功率单位 m 代表长度单位米 而 K 为绝 对温度单位 该数值越 大说明导热性能越好 以下是几种常见金属的热传导系数表 银 429 铜 401 金 317 铝 237 锌 112 铁 80 锡 67 铅 34 8 热传递方式 热传递是通过热传导 对流和热辐射三种方式来实现的 在实际的热传 递过程中 这三种方式往往不是单独进行的 热传导 是由于大量分子 原子等相互碰撞 使物体的内能从温度较高部分传至 较 低部分的过程 热传导是固体热传递的主要方式 在气体和液体中 热传导往往与 对流 同时进行 各种物质热传导的性能不同 金属较好 玻璃 羽毛 毛皮等很差 热对流 是靠液体或气体的流动 使内能从温度较高部分传至较低部分的过程 对 流是液体和气体热传递的主要方式 气体的对流比液体明显 热辐射 是物体不依靠介质 直接将能量发射出来 传给其他物体的过程 热辐 射 是远距离传递能量的主要方式 如太阳能就是以热辐射的形式 经过宇宙空间传给 地球 的 1 LED 灯具散热 LED 灯具的散热主要是依靠良好的导热途径将 LED 的热量传到外壳 然后靠外壳周围的空气对流进行散热 并直接将一部分热量向外辐射 LED 灯具要求良好 的散热是为了降低 LED 灯珠的结温 以提高 LED 灯珠的寿命 LED 的结温是指 LED 芯片的温度 在实际应用中 结温是很难测量的 我 们一般 是控制 LED 引脚 正极 的温度 一般情况 3528 和 5050 灯珠引脚的温度控 制在 60 15 以下 大功率 1W LED 的引脚温度控制在 80 以下 大功率灯具的表面温度 控制在 60 以下 相对来说结温越低 LED 灯珠的寿命越长 降低 LED 结温的途径 a 减少 LED 本身的热阻 b 良好的二次散热机构 c 减少 LED 与二次散热机构安装介面之间的热阻 d 控制额定输入功率 e 降低环境温度 灯具散热方法 a 灯具选材 LED 灯具一般选用导热性好的铝及铝合金作为主要结构部件 能 把 LED 灯珠产生的热量快速的传导至灯具表面 b 结构形式 将 LED 灯具做成直槽式散热嗜 shi 片 以利于空气对流 带 走灯 具表面的热量 同时也增大灯具的表面积 利于灯具以辐射方式散热 灯具外露 的面积 越大 散热效果越好 C 减少安装界面的热阻 LED 灯珠与铝基板之间 铝基板与结构 件之间要紧密 结合 为减小热阻 在它们中间加散热膏或导热硅胶 结构件之间的连接 不能有间隙 d 表面喷涂对 LED 灯具的散热也有一定影响 铝合金一般选用表面喷油漆 因 油漆 涂层较薄 对散热影响不大 而粉末涂层较厚 不利于散热 4 3 4 LED 灯具主要参数分析 1 灯具尺寸 灯具的外壳尺寸 2 灯具功率 指灯具点亮时的最大功率 3 输入电压 电流 灯具的供电电压 电流 4 IP 等级 灯具的防水防尘等级 室外灯具最低 IP65 水下灯 IP68 地埋灯 IP67 注 IP 等级对应防护效果请参看产品资料上的介绍 5 发光角度 指灯具出光的角度 是通过 LED 颗粒的一次配光 透镜的二次配光 灯 具发光面的三次配光综合效果 6 颜色 色温 灯具最终出光颜色或色温 第五章 LED 路灯结构设计实例 16 5 1 LED 路灯渲染图 17 5 2 LED 路灯爆炸图 18 5 3 LED 路灯孔位尺寸图 5 3 1 散热器 19 5 3 2 光学透镜 5 3 3 LED 铝基板 20 5 3 4 电源线密封圈压块 5 3 5 电源线密封圈 21 5 3 6 外形尺寸图 22 第六章 LED 路灯结构散热测试分析 6 1 LED 散热效能热成像报告 图片参数 辐射率 0 95 反射温度 30 0 图片标记 测量对象 温度 辐射率 反射温度 备注 测量点 M1 61 4 0 95 30 0 铝基板 测量点 M2 62 2 0 95 30 0 铝基板 测量点 M3 61 0 0 95 30 0 铝基板 测量点 M4 61 6 0 95 30 0 铝基板 测量点 M5 60 1 0 95 30 0 铝基板 测量点 M6 60 5 0 95 30 0 铝基板 23 测量点 M7 59 4 0 95 30 0 导热板 测量点 M8 59 4 0 95 30 0 导热板 测量点 M9 58 2 0 95 30 0 导热板 热点 HS 1 71 2 0 95 30 0 灯珠 热点 HS 2 72 5 0 95 30 0 灯珠 热点 HS 3 71 1 0 95 30 0 灯珠 热点 HS 4 71 2 0 95 30 0 灯珠 热点 HS 5 70 6 0 95 30 0 灯珠 热点 HS 6 70 4 0 95 30 0 灯珠 备注 室内环温 30 输入功率 300W 光 源 XTE 24 图片参数 辐射率 0 95 反射温度 30 0 图片标记 测量对象 温度 辐射率 反射温度 备注 测量点 M1 60 4 0 95 30 0 散热体底部 测量点 M2 59 7 0 95 30 0 散热片 测量点 M3 58 1 0 95 30 0 散热体侧面 备注 室内环温 30 输入功率 300W 光 源 XTE 结结 论论 对于 LED 灯具的散热 有人说温差大 散热量大 所以散热器表面温度高好 这种说 法对 也不对 为什么会有这样一种答案 究其原因是因为 对此不能一概而论 现实中 灯具散热的环境多种多样 需要根据具体情况做出具体分析 而后才能确定散热是否真的 好 散热的原因不外乎两种 一种是 将热源的热量传递给环境 对环境加热使环境温度 升高 比如供暖系统 一种是 将热源的热量传递出去 使热源的热量传递出去 使热源 的温度尽可能降低 比如 LED 的散热 对于供暖系统 需要将周围环境加热到足够高的温度 由于暖气管道中热载体是流动 的 流体单位时间与某处管道的接触时间有限 要在单位时间内能尽量多地将热量传递给 暖气片 就必须通过提高流体的温度 即需要散热器与空气间存在较大的温差 这样的代 价是 在热远端需要很大的能量来加热流体 从而提高流体的温度 以保持散热器的温度 不使散热器的温度下降 达到单位时间向空间环境传递较大热量的目的 如果散热器端的 温度不足 就需要不断地加大热源端的功率来保证 而 LED 产品的散热 与暖通散热的目的有所不同 电子散热的目的 不是以保持散热 器的温度为目标 也不是以加热环境温度为目的 而是以降低热源的温度为目的 因为有 了散热 LED 的温度才可能降低 LED 产品才能正常工作 因为要达到目的与供暖系统截然 25 不同 所以散热器的温度自然也不会高 对于 LED 灯具及其他产品来说 良好的散热设计 热平衡后 热源与散热器的温差要小 散热器与空间的温差也要小 散热设计 其实也是一个辩证思维的过程 在设计过程中 绝不能片面地看散热的有 关公式中散热量与温度或温度差成正比 以此为依据而提高散热器的温度 在热源功率一 定时 要提高散热器的温度 就要减小散热器的尺寸或辐射能力 但是 散热器的温度提 高 虽然使得散热器与空气的温差大了 但热源与散热器的温差却减小了 顾此失彼 而 且散热量又是和有效面积成正比的 减小了散热的面积 散热量也会下降 这样做的结果 是 散热器的温度升高了 热源的温度也相应地升高了 这并不符合 LED 散热设计的初衷 再者 散热器与空气温差不能笼统的来做比较 仍然要坚持具体事实具体分析的原则 如果散热器的翅片很薄 很高 热量难以传递到翅片顶端 顶端的温度就低 虽然看来散 热器的远端与热源的温差实际很大 但热量并没有很好地传递到散热器的远端 这种大温 差 小面积 长距离的热路径 实际上热阻很大 单位时间内传到到远端的热量很少 所 有说散热器的温度 我们应该注意的是散热器上什么位置的温度 由于散热器的结构各有 不同 且散热器上的温度是不均匀的 很难说哪个地方的温度能够代表散热器的温度 LED 产品的散热设计中绝不是以温差作为先决条件的 也就是说 设计之初 我们是 要求将热源的温度控制在多少度以下 以这个温度为前提条件来展开设计散热系统的 不 管散热系统最终是怎样的形态 其结果必须是热源温度不能超过预定的指标 相比暖气系 统而言 则是要将热源的温度保持在某个温度以上 在设计时 往往会要求散热器适当小 在暖气设计方面会有很多用户 节能等方面的因素考虑 通常再设计 LED 散热中 不能只盯住一点 也不能片面的只想一种方法 要全面分析 结合各种因素 散热设计 是一个系统的设计 不是仅仅由一个温度或温差参数来决定的 对 LED 产品散热而言 切不可用大温差或高温度的理念来设计散热系统 更不能用散热器 的温度搞滴来断定散热器是否良好