廣告燈箱照明用LED大功率條形燈的研究與開發*

梁富文，蔡群山，方貴喜，簡兆勇，劉青梅

（1.廣州虎輝照明科技公司，廣東廣州 510170；2.廣州風陽能照明科技有限公司，廣東廣州 510880）

0 前言

廣告燈箱行業發展迅速，中國能源研究會能效與投資評估專業委員會的調查結果表明，我國燈箱照明行業增長速度非常迅猛，年均增長速度高達30%以上，并且每年的增長速度在不斷提高。隨著我國廣告業的迅猛發展，燈箱照明行業必將成為不可忽視的照明耗電領域[1]。由于在節能、照度均勻度等方面的優勢，LED光源產品在廣告燈箱照明中越來越普遍使用。目前在廣告燈箱中使用的條形燈中，大部分為小功率的背光源條形燈，存在燈具使用數量多而故障率升高、滾動畫布燈箱布燈難等問題。本設計案例，通過設計一款LED大功率條形燈，在燈箱側面布燈，解決了上述背光源布燈的缺陷。綜合廣告燈箱行業一般要求，提出燈箱光電技術主要要求如下：燈箱表面（不帶廣告畫）平均照度2 500 Lx、照度均勻度大于0.8、見光面功率密度小于50W/m2。

1 條形燈的結構

LED條形燈的構成通常包括：驅動電源、LED燈板（包括基板和LED燈珠）、透鏡、散熱器、燈罩等，如圖1所示。

圖1 條形燈爆炸圖

2 條形燈主要部件的設計

2.1 LED燈板

2.1.1 基板

定位LED的基板（PCB）材料通常有金屬（鋁）、陶瓷、FR4和類鉆碳，其各自的特點如表1所示。

表1 各種不同材質的LED基板特性

綜合考慮安全、散熱和成本等因素，條形燈設計采用金屬鋁基板。為了保證通過電流的可靠性，PCB銅膜厚度應不少于35μm；為有利于散熱，防止熱量積聚在PCB上，LED之間的距離應盡可能拉開。

2.1.2 LED

部分LED條形燈廠家采用少量大功率表面貼裝器件（Surface-Mounted Device，SMD）型LED封裝的設計。這種設計的缺點是不利于光的均勻性和發光效率、芯片的發熱量大而對散熱機構要求高；優點是在成本方面占有優勢，原因是所需的LED芯片數量少。近年來，越來越多廠家采用多個小型LED芯片，優點是發光效率高、簡化散熱機構，還不容易出現發光不均現象；缺點是由于使用的芯片數量較多，LED本身的成本會升高。綜合考慮成本、光效和散熱等因素，本設計采用額定電流350 mA(最大電流1 000 mA)的大功率3535型LED。實測參數如表2所示。

表2 LED測試結果

2.2 散熱器

條形燈的散熱器散熱效率的高低，直接影響了LED條形燈的壽命，根據經驗數據，每瓦LED燈具所需要的散熱面積大約在35～60 cm2，因為廣告燈箱照明用LED條形燈主要是工作在室內，環境溫度不是很高，所以可以采用相對較少的散熱面積，設計時初步設定每瓦的散熱面積為40～45 cm2左右。為了保證良好散熱，選擇了散熱效率較高的擠壓工藝生產的散熱器設計。擠壓工藝的散熱器，由于固定LED電路板的底座和散熱鰭片是一體成型的，沒有存在拼接的間隙，因此熱傳導的效率也就比較高。采用加工性能易和散熱效果好的AL6063鋁材（熱傳導率201 W/（m·K-1））加工[2]。因此，所采用的散熱器從工藝到材料來說對散熱都是比較有利的，這對于延長條形燈的使用壽命提供了一定的保障。

2.3 透鏡

設計使用某國際知名廠家的SZ5-M1型LED光源，透鏡杯體底部距離芯片表面為0.15 mm，如有誤差，發光角度會有偏差，所設計透鏡剖面如圖2所示；透鏡在光學設計軟件模擬所得配光曲線，如圖3、4所示；在模擬軟件中，距離1 m處光斑，光斑照度均勻，無暗區，如圖5所示。

圖2 透鏡剖面圖

圖3 透鏡配光曲線圖一

2.4 驅動電源

為滿足不同尺寸燈箱布燈、照度可根據需要調整及智能控制等需求預留設計空間，采用燈具與驅動電源分離的方案，電源采用知名廠家的標準電源，如臺灣某品牌的HLG-120H系列電源，其方框圖如圖6所示、可調光接線方法如圖7所示[3]。

圖4 透鏡配光曲線圖2

圖5 光斑效果圖

圖6 電源方框圖

3 成品及測試

圖8為本案設計的成品照片，產品外觀流暢，性能滿足文獻[4]要求，單條條形燈測試數據如表3所示。

圖7 可調光接線圖

圖8 成品照片

表3 單條條形燈測試結果

在測試燈箱中，上下布置各一條條形燈，燈箱尺寸及布燈位置如圖9所示。

圖9 測試燈箱與布燈位置尺寸圖(單位：mm)

依據文獻[5]中心布點法取測試點，將燈箱見光面等分為15個網格，取網格中心位置為測量點，如圖10所示，對應照度測試數據如表4所示，在測試燈箱中的綜合測試數據如表5所示，相關數據達到設計預期。

圖10 照度測量點位置圖(單位：mm)

表4 燈箱表面照度測試數據表

表5 燈箱綜合測試數據表

4 結束語

綜上所述，該案設計生產的廣告燈箱照明用LED大功率條形燈采用專門設計的透鏡、防潮式結構、驅動電源與燈具分離的方案，外觀美，容易安裝與維護，實測數據達到設計預期，經在廣州某路公交車站的大型廣告燈箱中試裝使用超2年，實現照度可調，客戶反映較好，達到了設計目的。為同類照明產品設計提供了參考模式。