一種熱管嵌入式LED筒燈的設(shè)計與開發(fā)

聶叢偉

摘要：在大型會議室、賓館大堂、展廳及中高檔商場等照明質(zhì)量要求較高的重要場所的LED照明工程改造過程中通過對目前最常用的嵌入式的金鹵筒燈的特點和光電學(xué)參數(shù)的研究分析，設(shè)計開發(fā)了一款基于熱管嵌入式的大功率筒燈。

關(guān)鍵詞：熱管嵌入；LED筒燈；設(shè)計

1 金鹵燈筒燈應(yīng)用現(xiàn)狀：

從二十世紀(jì)六十年代金鹵燈誕生以來，金鹵燈一直被公認(rèn)為高效的寬光譜光源而被迅速推廣應(yīng)用。尤其是在二十世紀(jì)九十年代開始，大量的應(yīng)用到了大型會議室、賓館大堂、展廳及中高檔商場等照明質(zhì)量要求較高的重要場所，并占有了大量的市場份額，已經(jīng)安裝的150W的金鹵筒燈數(shù)量極大，色溫一般分為：3000k，4000k，顯色指數(shù)在80左右，光通量8000lm。這些場合大量使用金鹵燈筒燈。

2 LED筒燈基本介紹

筒燈是室內(nèi)照明燈具的主要燈具，占室內(nèi)照明市場30%以上的份額。目前嵌入式LED筒燈的常用規(guī)格為7W，12W，18W，20W，飛利浦嵌入式筒燈最大功率20W，歐普、史福特筒燈最大為18W，雷士商業(yè)燈具最大20W，工程用燈具35W，其他非品牌燈具大多以20W以內(nèi)為主，個別有35～40Wled筒燈，但可靠性未經(jīng)認(rèn)證。按LED燈具效率100～110lm/W計算，燈具的最大光通量最大也不超過4000lm，光通量最高僅能替代70W以下金鹵燈，而150w嵌入式筒燈的光通量一般在8000lm左右，由于LED光源對散熱要求嚴(yán)格，150W嵌入式金鹵燈剛好介于LED體積與功率的瓶頸區(qū)域，無法跨越，如果不改變筒燈開孔尺寸，無法達到替換的目標(biāo)。

嵌入式筒燈是在屋頂上開孔將燈具鑲嵌在天花上，最大特點就是能保持建筑裝飾的整體統(tǒng)一與完美，不會因為燈具的設(shè)置而破壞吊頂藝術(shù)的完美統(tǒng)一。

3 LED替換換金鹵筒燈

對于大型會議室、賓館大堂、展廳及中高檔商場等照明質(zhì)量要求較高的場所（層高一般在6米～20米之間），150W嵌入式的金鹵筒燈已是設(shè)計師的首選。金鹵燈光源光通量盡管較高，但受燈具效率的影響，150W金鹵筒燈的整燈光通量在8000lm左右，它的直徑一般是6吋、8吋、10吋，整燈光效在50～60lm/W。在LED已普遍應(yīng)用的今天，光效顯然不滿足節(jié)能指標(biāo)的要求。除此之外，金鹵燈有以下不可克服的缺點：

1）燈具啟動時間，需要1～2分鐘方可達到正常亮度；

2）熄滅不能馬上啟動，需要等3～5分鐘燈具冷卻后才能再次開啟，無法接入應(yīng)急照明系統(tǒng)；

3）高溫環(huán)境使得鎮(zhèn)流器電器元件退化加速，啟動時伴有蜂鳴，與箱體共振產(chǎn)生噪音；

4）使用久了，燈具色溫會有偏移，不同批次的產(chǎn)品色溫也有偏差；

5）燈具點亮?xí)r產(chǎn)生高溫，具有安全隱患，同時也需要更大功率的空調(diào)帶走熱量，增加額外的空調(diào)負(fù)荷；

6）燈具內(nèi)部含汞，破損后對環(huán)境會有污染。

盡管150W嵌入式金鹵筒燈有以上缺點，但由于在LED技術(shù)成熟之前，金鹵燈是光效最高的光源，已大量的應(yīng)用到大型會議室、賓館大堂、展廳及中高檔商場等重要場所，裝修風(fēng)格已經(jīng)定型。在不改變裝修條件下，現(xiàn)有的LED筒燈在8～10吋一般最大功率30～40W，光通量4000lm，無法實現(xiàn)簡單替換150w金鹵筒燈（8000lm）。為此，非常有必要設(shè)計一款能替代常見金鹵燈筒燈的LED筒燈。

4 熱管嵌入式LED筒燈的開發(fā)與設(shè)計

采用LED光源模組，通過對散熱通道設(shè)計、快速更換結(jié)構(gòu)設(shè)計、專用電源及可靠性等關(guān)鍵技術(shù)開展研究工作，開發(fā)出采用原結(jié)構(gòu)外殼作為支撐結(jié)構(gòu)，不改變?nèi)魏蔚蹴斞b修效果，采用等光通量對150W嵌入式金鹵筒燈快速替換。

4.1 LED光源模組

通過實驗和理論模擬成功優(yōu)化了藍光波長與熒光粉組合匹配，找到了功率LED的光效、色溫、顯色指數(shù)、色容差的最佳結(jié)合點，并實現(xiàn)了規(guī)模化生產(chǎn)。色溫3000K，顯色指數(shù)大于90，LED光源模組光效達到150lm/W。

4.2 熱管嵌入式散熱設(shè)計

將熱管吸取的熱量向鋁錠安裝座導(dǎo)熱，以加快散熱效果，而在熱管這個結(jié)構(gòu)中，底部（熱管）熱，頂部（熱管）涼，在熱管內(nèi)部中形成對流現(xiàn)象，加快散熱效果，為了使熱管內(nèi)部的熱量更好的進行傳導(dǎo)，而在熱管中加載了一個倒置漏斗，熱管底部熱量受熱，介質(zhì)受熱向上流動，在漏斗的收集下沿漏斗上升，而漏斗外側(cè)的介質(zhì)將填充受熱介質(zhì)上流產(chǎn)生的空間，利用流動加快了熱管底部的熱量傳導(dǎo)給介質(zhì)腔的介質(zhì)，另外還可以利用套管，使受熱介質(zhì)沿?zé)峁芄鼙谏狭鳎谶@一過程，熱量快速通過管壁向鋁錠安裝座散熱，而頂部的介質(zhì)則在中間向下流動。更好的加快散熱效率。如下圖所示：

4.3 專用電源及可靠性

LED供電系統(tǒng)（POWER）設(shè)計：采用寬電壓范圍，高轉(zhuǎn)化效率和高穩(wěn)定度的開關(guān)電源，為LED燈具供電，避免電壓波動造成的照明狀態(tài)變化的影響。采用PWM恒流模式，PWM 調(diào)光是通過改變 PWM 方波信號占空比來獲得對等電流。它利用驅(qū)動器反復(fù)開關(guān)來獲得占空比不斷變化的方波，從而改變輸出電流，調(diào)節(jié) LED 亮度。PWM調(diào)光能夠提供高質(zhì)量光源，應(yīng)用簡單且效率高。如果采用PWM 恒流，在頻率不高的時候可能會產(chǎn)生一定頻率的頻閃，長時間處于高頻頻閃的光環(huán)境中，會使人眼產(chǎn)生視覺疲勞。而固定工作頻率、工作模式的 LED驅(qū)動器以及 PWM 調(diào)光機制被用于高端照明場合，來獲得大于 60KHz 的調(diào)光信號頻率，其可有效避免光源閃爍或抖動。

5 結(jié)語

通過對LED筒燈的設(shè)計與開發(fā)，利用原有的金屬結(jié)構(gòu)，合理設(shè)計熱通道及對LED進行可靠性設(shè)計，開發(fā)8000lm以上的LED光源模組，對150W金鹵筒燈進行快速簡單替換，是相應(yīng)國家綠色制造技術(shù)的號召，達到真正的節(jié)約資源，純綠色的照明改造。

參考文獻：

[1]王曉明，郭偉玲.LED新一代照明光源.

[2]裴小明.半導(dǎo)體照明的LED光源.