LED日光燈的二次光學控制系統*

孔銀昌，李　平（.黃淮學院文化傳媒學院，河南駐馬店463000；.黃淮學院信息工程學院，河南駐馬店463000）

LED日光燈的二次光學控制系統*

孔銀昌1，李平2
（1.黃淮學院文化傳媒學院，河南駐馬店463000；2.黃淮學院信息工程學院，河南駐馬店463000）

針對現有的LED日光燈存在熱量散失性差，光衰減度強和光線不柔和等不足，系統從散熱裝置，電源和二次光學幾個角度出發，給出翼形折疊片構造的熱電法散熱裝置、翻轉電平的改進電源裝置、LED的改進二次光學研究。實驗顯示，本文LED的散熱性能比現有銅板型散熱裝置提升2.5倍～3.8倍，光通量分布率為0.882，能夠覆蓋照明需求。

LED；散熱裝置；二次光學；翼形折疊片；光通量

LED為Light Emitting Diode的簡寫，它為能量消耗低、使用時間長、不產生輻射的新型節能光源［1］。LED所產生的能量損耗和白熾燈對照低于13%，LED在未來將代替熒光燈或白熾燈等照明方式，形成新型的照明器具［2］。但LED現有實施部分，特別是用作平常居家的照明器具依然存在熱量散失難、光線不柔和等應用局限。本文給出翼形折疊片［3］構造的散熱［1］裝置，此外把該部分日光燈的外設、驅動性的電路設備改進而實現統一化構建。選取W型LED排列和二重花生米透鏡實現完善的二次光學研究，獲取適宜人眼的光線。選取改進翻轉電平的電源［2］，提升照明效率，形成綠色能源、增加了LED的使用時間。

1　LED散熱方案

LED核心部分模塊對溫度需求很高，該模塊僅可以在130度左右正常運轉，若溫度值大于該范圍，設備老化程度加劇［4］。因而，LED熱度散失裝置的優劣，對于LED的性能有至關重要的影響。現有的散熱方法通常選取排氣扇、放熱管、回路放熱管、傳導熱裝置、傳導熱硅脂等部分組成［5］。該類散熱技術具有一定局限性，劈如安裝排氣扇實現散熱的方法，結構繁雜、穩定性能低，容易使得開啟電能部分的設備老化；傳導熱裝置只側重于熱傳導部分的熱量散失，忽略了對流散熱能；導熱管和選取回路熱管的熱量散失方法，構造繁雜，不可以立刻實現，所需成本高。

1.1現有翼狀折疊散熱裝置模塊

LED日光燈在采用的過程中，由于選用空間、條件的制約，其體積不應當過大，因而，把LED日光燈的散熱部分和系統外部構建實現融合化統一構建，采用翼形折疊片構造的散熱裝置腔體，其構造部分采取鋁合金加入導熱硅脂原料，系統的外部構造效果如圖1所示。

圖1　翼狀折疊器散熱器

1.2熱電法散熱方案

對折疊片改進，將原型為距離是2.48mm的折疊片劃分為兩個不相同的走向，若厚度低于0.86 mm時，熱量散失效果是最好的；若折疊片的厚度高于0.86mm，則損失熱量的結果不理想。原型為距離是4mm的折疊片模型，其熱量分布較為持續，則最高的溫度部分值較高。原型為距離在5mm的折疊片部分其溫度值較高，并且呈現上升的走勢，散失熱量的性能較差。因而，LED散熱裝置的翼形折疊片參數按如下規格選取為：距離是2.48mm的折疊片，折疊片的厚度為0.53mm。

進而采用熱電法散熱，該方案選用硅性材料具有的帕爾貼性能制冷，若直流電流過不相同的半導體硅性材料串接二乘的電偶元件時，在電偶元件的兩端可以吸取以及釋放出熱能，從而達到制冷的目標，其實現定理如下圖所示。熱電法散熱感應靈敏，在約60 s左右就可以達到最高溫度值，并且選用閉環結構的溫度測控電路，其精確度能夠到達0.1°左右，并且具備體積小巧，干擾小的特點。本文在陣列式的LED中，如圖2所示。

圖2　LED平面排布構建示例模型

硅制冷模［9］塊對各個LED實現獨立制冷方案，并且LED陣列中的各個LED個體都可以被散射。其散熱的降溫程度實現了36.4%到45.1%之間，制冷效果較為優越。此外對該系統熱端加入改進后的折疊片，能夠進一步提升散射效果，模型如圖3所示。

圖3　熱電法散熱裝置

2　LED二次光學設計和LED電源部分

2.1LED二次光學設計

LED芯片在封裝時已進行了第一次光學設計，但為了使LED芯片發出的光能量得到更好的利用，使光線柔和的集中到人們所期望的照明區域上，我們需要在一次配光的基礎上進行二次光學設計。

2.1.1傳統的二次光學設計

傳統的二次光學設計主要采用LED芯片的平面排列方式［6］。該方式是指在X軸、Y軸方向排列非對稱的長方形配光的自由曲面透鏡［7］，并且對于獨立的LED光學器件上實現光照配準獲取長方形的斑塊，使LED模塊依據X軸和Y軸的方案排布在一個平行的板面之上，該模型的構建模型示例圖如圖2所示。

該平面方式排布的LED二次配合光照策略［8］，在熱量散失、機械構建設計和測控電源等方面都較為簡約，需要讓具備長方形配光模式的LED模型組件排布于單個散熱的平面之上就成功了，對不相同的選用場合，僅需要實現不同數目的LED模塊組件的增加和減少。

但此種設計方案也具有一定的局限性，譬如其配準方式是矩形的非對稱模型的分布方案，僅采用軸對稱的全面反射類型透鏡不可能達到這樣的結果。基于此，本文給出一套改進的LED二次配光方案。

2.1.2改進的二次光學研究

基于LED核心的一次匹配光線的標準之上，依據選取曲線形花生米的透鏡型研究展現出的生光角，依據曲線形花生米透鏡的W形狀標準實現光線照射區間的測控，匹配反射光線燈罩實現整體光照強度的測控，依據透鏡以及半圓形狀的燈罩實現光線的多次漫反射，進而使得光線越發平和、散布勻稱。改進的二次匹配光線研究構建的示例圖形如圖4所示。

圖4　新型二次配光設計結構示意圖

實現分布在每顆LED核心表面的花生米透鏡依據W形狀排布，直射在LED上的光在從花生米透鏡穿過之后，光照的散射角度增加，其分散的光線通過各個角度、各個途徑進而投遞照射在由各種煙幕型的米粒狀的透鏡構建的半圓形狀的燈罩的空間壁，依據漫散射向空間輸送均勻［10］的光照，進而選取兩層透鏡實現直射光線的擴散和漫反射的結果。

2.2LED電源模塊改進

現有的LED電源模塊首要選取電壓恒定、電流恒定方案，該部分的電路模型圖類似圖5所示。

圖5　恒定電壓、恒定電流的電源模塊電路圖

恒定電壓和恒定電流的電源模塊首要由場效應管、高頻整流二極模塊、沖擊變壓設備3個模塊構成。類似的現有電源模塊設計簡約、節約成本，此外也含有一些不足，如恒定的電流、恒定的電壓電源模塊使得LED持久生成光線的功能，導致LED產熱量的增多、使用時間減弱。因而，實現改進LED驅動方法的研究。

本文給定一種翻轉電平的改進電源模塊的操作，其定義如下：220 V的交流電通過全橋實現整流、電容濾波方式轉換為280 V左右的直流電流，一部分為后級電源用作首要的能量輸出，另一個部分作為IC801/402B給出的工作區域電壓。選取半導體二極管D2、D3作為交流和正弦類型信息的雙半周部分，并且用作IC801/402B的第5個引腳的觸發給定信息，由此操控其中斬波群法的振蕩裝置得到的規范的正弦類型信息，由此得到IC801/402B中通過第4個引腳得到的PWM信息，該信息選取調節Q1的導通時段，Q1導通的時段越久，其后級得到的電流則越強烈，從而調整發光半導體二極管的光強。若MOSFETQ1選通時，電流經過LED、電感L1以及電容C2。若R1的兩個端口電壓降至ISENSE引腳部分的閾值電壓范圍時，Q1實現關斷并且保存一段固定的時段，電感中的電能經過VD1和LED。流經這個固有的時段之后，Q1重新接通，由此實現循環。

3　實驗結果解析

3.1散熱部分測算

對于環境的溫度在17.1℃的空間內部，選取體表測試溫度儀器實現LED原有散熱模塊和翼形折疊片的散熱模塊的外部實現分析，分析所得如表1所示。

表1　LED的散熱模塊測算

該翼形折疊片的散熱部分依據和原有的銅板散熱模塊測算相比較，就對于相似能量（電流）、類似條件和類似的工作標準下對散熱裝置的外部表面溫度的測算對比能夠得出，該翼形折疊片的散熱部分能夠提升LED光源散熱部分效能，其散熱部分性能提高為原有銅板散熱部分的2.5～3.8。

實驗平臺如圖6所示。

圖6　系統實驗平臺圖

3.2光照程度的實驗

本文選取7個一瓦的白色發光LED發光體構建成一個LED照亮燈具，對于該燈具的照亮點和發光體間距在3m的標準之下，選取Dialux程序構建實驗，獲取照亮點的光照分布程度如圖7所示。

圖7　照明面得照度分布

實驗結果表明，本文選取的改進LED陣列和二重花生米透鏡的二次光學設計，能夠達到照亮程度散步率在0.871，能夠實現平常照明所需。

3.3電源性質測算

由圖8的實驗效果能夠得出，若給定電平是高電平時，則給出部分是高電平，若給定選取高電平轉換為低電平時刻，則保證給定的時長值多于35.2ms之后，所給出的電壓能夠轉換成低電平的電壓。如果給定電壓從低電平階段上升在高電平階段，給出的電壓伴隨給出電壓產生向上變換，并得到低延時。由此可得，電平轉換信息可以便捷地轉換LED的平均光亮值。

圖8　實驗效果

5　總結

基于LED采用在室內照明包含熱量消散困難，光線不柔和等相關問題，對此給出翼形折疊片構造的熱電法散熱裝置、翻轉電平的改進電源裝置、LED的改進二次光學研究。實驗效果得到，改進的LED照亮燈具，散熱結果是現有銅板體系散失熱量的2.5倍～3.8倍，照度均勻［10］度高達0.882，能夠獲取散步均勻的光線，可以實現室內照亮的標準。

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孔銀昌（1978-），男，河南駐馬店市人，漢族，碩士，副教授，研究方向為多媒體信息處理；

李平（1976-），女，河南駐馬店人，漢族，碩士，講師，研究方向為信息處理與現代電子系統。

The Secondary Optical LED Lamp System*

KONG Yinchang1，LI Ping2
（1.School of Culture Media，Huang HuaiUniυersity，Zhumadian He'nan 463000，China；2.School of Information Techology，Huang HuaiUniυersity，Zhumadian He'nan 463000，China）

Current LED lamp exists poor heatdissipation，intense lightattenuation and dazzling light.The provided，improved system is composed ofawing folded sheetstructure thermoelectric dissipation heatunit，an improved flipping level power supply unit and an optimized secondary optical LED lamp system.The experimental results show that the heat dissipation capability of improved LED lamp system is 2.5～3.8 times of traditional LED lamp system. Besides，the uniformity of illumination is up to 0.882 and the improved system canmeet the requirements of daily lighting completely.

LED；heatvent；secondary optical；Wing folded sheet；illumination

TM 923.34

A

1005-9490（2016）04-0918-04

項目來源：駐馬店市2014年科技攻關項目（142204）；2016年度河南省高等學校重點科研項目（16B510002）

2016-01-27修改日期：2016-03-12

EEACC:8530；426010.3969/j.issn.1005-9490.2016.04.032