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      LED工矿灯----选择LED光源

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      LED工矿灯----选择LED光源

         可以根据具体的设计结构及意图来选择LED工矿灯光源,通常有单颗功率为IW、3W和10w,甚至更大功率的集成式LED。一款光源功率为100W的LED工矿灯,需要采用100颗单颗功率为IW的LED或者10颗单颗功率为10w的LED,也可以采用单颗功率为100W的集成式LED。这几种不同功率的光源在应用中各有特点。单颗功率为Iw的LED现在常用在仿流明的KZ这一款,如图3一6所示。

         这款光源是市面应用较广且使用较多的一款功率为1W的LED,这是源自流明公司推出的单颗功率1W的K2,是当时市面上较早能够应用到照明灯具中光效较高的一款LED,从而导致了大量公司对其结构的抄袭与仿制。现在甚至出现了只要是LED封装厂必做仿流明的K2的现象,可见其应用的广泛。目前流明公司已经停产K2,推出其他新品。从图中可以看到该产品两边的耳朵为LED的两个电极,底部有散热体导热。在应用时1W的LED通常需要焊接在电路板上连接多颗LED的电路,电路板还需要承担导热的作用,即将LED导出的热传导到散热器上,因此电路板在材料选择上必须兼顾结构强度及散热方面的要求。

      图3一6仿流明的K2

      针对基板,我们分别比较了FR4、陶瓷基板及MCPCB,即俗称的“铝基板”。

      (1)FR4的导热系数约0.36W/m·K,无法满足高功率LED照明散热要求。

      (2)陶瓷基板(Ceramic)的导热系数大于80W/m·K,价格昂贵且加工性差,无法大面积使用。

      (3)MCPCB的导热系数大于2 . 0W/m·K,价格适中、加工性强且技术成熟,可批

      量生产。

         这3种材质的基板以MCPCB应用较为广泛。在IW的LED家族中还有很多其他比较著名的厂家,如CREE和OSRAM等。相对于仿流明的K2,其LED通常都用在高端产品上。这些大品牌光源厂的封装技术也先进很多,单颗IW的热阻通常能够做到10℃/W以下。在同样的散热结构中芯片的结温要比普通厂家封装的LED结温要低,所以光效降低也少。

        现在市面上较常见的工矿灯采用集成式的LED,从单颗50一200W都有应用。这种集成光源通常是将多片IW的芯片封装到一个LED支架中,而根据集成光源功率的大小不同,支架的尺寸也各不同,并且单片IW的芯片也分为不同尺寸,常用的有35 mil、38 mil、42 mil、45 mil、50 mil和60 mil等。35 mil指芯片的发光面尺寸为35 milx35 mil ,  这里的mil为英制单位,10O0mil=1 inch=25.4mm。芯片尺寸的不同及其光效不同,并且较大区别在于其所承受的较大电流不同。在应用中,如果单片芯片的功率相同,’那么选用芯片尺寸大的要比尺寸小的更安全。因为芯片的尺寸大,散热面积自然也大,自然散热也更好。当然同.品牌大尺寸的芯片价格也会比小尺寸要高,所以在应用时可以选用性价比高且合适的芯片。

      集成式的LED如图3一7所示。这是一款100W的集成光源,从图中可以清楚地看到它是由100片IW的芯片封装而成的LED。此款支架也是常用匹配100 W LED的支架,影响支架所能承载的较大数量的LED颗数的因素一个是其发光部分与芯片的面积:另一个是其散热性能。毕竟单位面积上的芯片数量越多或者说芯片一功率越大,其发热量也会越大,而热量过度集中会影响LED的寿命与光输出。集成式LED的特点在于其整个光源相当于一个发光体,所以其输入只有一路。在实际应用中,可以根据选择的电源驱动来布置集成光源中LED的串并方式。例如,1 00W的集成光源可以按10串10并连接,这也是较常用的排列方式,也司一以排成20串5并,或者5串20并等。列的排列指电路中的串并排列,而不是几何排列,即如图3一2中的10行*10列的芯片排列,电路排列需要由各LED的进线连接确定。要看各LED的进线连接方式,分清楚其串并方式,才能确定整个光源的输入特性。这款1OOW集成光源的详细结构如图3一8所示。

      图3一7   集成式的LED

      图3一8 100W集成光源的详细结构

         固定孔是为固定到灯具上的散热器而预留的孔位,通常此种集成式光源都是采用螺钉固定;散热器的材质通常为铜,其作用是将LED芯片的热量快速导出:焊盘是光源连接驱动的部位,两端分别为正负极,正负极的表示都会标识在陶瓷绝缘层上;过线孔是为了让驱动电源的输出线穿过,从而焊接到集成光源的焊盘上;发光面即芯片的位置,在应用中不能被遮盖;陶瓷绝缘层用于电气绝缘,也就是让芯片热电分离。

         另外一款LED集成光源如图3一9所示。图中所示的LED集成光源多了两个带孔的薄片,它也是LED的两个极点,与焊盘分别并联。其作用是连接各LED的集成光源,满足大批量生产时的自动化制程。通常在生产过程中要检测来料的LED集成光源,虽然集成光源上己经存在焊盘,但是如果在测试时要将仪器上的测试线焊接到焊盘上,则在测试完后解焊。较后在组装成品时将驱动上的电源线焊接到灯盘上,这样焊盘就要经受3次焊接,导致焊接过程中发生的不良概率更高。两个薄片充当了电极,在测试时可以将测试的电线焊接其上。当测试完成后将两个薄片剪掉,这样可避免焊盘因多次焊接而存在的问题。

          在选择不同厂家的大功率集成式LED时通常我们会特别注意光效。因为集成式LED将多颗芯片封装在同一个支架中,各芯片之间会互相吸收各自发出的光,所以采用相同的LEO芯片封装的集成式LED的光效通常会比单颗IW的LED灯珠要低;同时由于集成式LED的光源集中,在点亮的瞬间单位体积内所堆积的热量远比Iw的灯珠要多。这就造成其结温要高于单颗】W的LED,光效自然更低。结温指的是LED芯片的结点温度。较.高结温是指一片LED芯片在正常工作条件下所能承受的较高温度。在较高结温下,LED的出光效率除发生可恢复性的变化外,还将随时间产生一种不可恢复的永久性衰变。换言之,白光LED器件在较高结温下工作,一方面会导致芯片的出光效率有所下降:另一方面会引起荧光粉效率的衰减。

          热阻指的是焊盘到LED芯片的热阻值在选用LED时通常都知道LED的较大结温,但是很少有厂家会告诉其热阻是多少,所以采用同一厂家芯片而用不同封装厂家的产品封装,产生的光效也会不尽相同。通常在封装厂家的规格书中会标识在环境温度为25℃时的一个初始光通量(通常是在电流为350 mA下),这是一个瞬态值,即在LED结温为25℃时的光通量;还会给出一个较高结温的值,并且会有一个光通量在不同结温下的比例图。但是在实际应用中如果厂家无法提供LED的热阻,那么在LED稳定工作时无法通过测试焊盘的温度来推算结点温度,所以也无法知道其稳定工作时的光通量。以CREE的XP一G的一份规格书为例,普通参数如表3一3所示。

      表3一3 CREE的XP一G规格书中的普通参数

        由表中可以看到XP一G的结点到焊盘的热阻为4℃/W,较大结温为150℃。这款LED

      的结温与光输出的关系如图3一10所示。

      图3一10 LED的结温与光输出的关系

      从图中可以看到在结温为150℃,了行35OmA时光通量为其结温为环境温度25℃,If=350mA,

      时的70%。由上面两个图表我们可以推算出在LED稳定工作时的光通量,这里只需要测试LED的焊盘的温度即可。例如,一款LED灯具稳定工作以后,其中一颗XP一G的焊盘的温度为70℃。这时单颗LED上的电压降为3.4V,流过的电流为350 mA,可以计算出单颗LED的功率为1 . 19w,这颗XP一G的结温Tj=Ts+Rjs*W=70+4*1.19=74.76℃这里Ts为焊盘的温度,Rjs为XP一G焊盘到结点的温度,Rjs为XP一G的功率。再查看图3一10可以看到XP一G在结温为75℃,If=350mA时的光通量为其在结温为25℃,If=350mA时的90%。假设选择的这款XP一G的光通量为120 lm(价350mA且Tj=25℃),那么在结温为75aC的光通量为120lm*0.9=108lm。另外一款Philips Lumileds的LuXEN Rebel的结温与温度的关系如图3一11所示。

      图3一11 LUXENRebel的结温与温度的关系

          从图中可以看到当结温为75℃,I行350mA时的光通量为其结温为25℃,If=350mA时的97%:同样假设REBEL的这款LED的初始光通量为115lm , If=350 mA时,那么在结温为75℃时其光通量为115 lm*97%=111 lm。从上面两款LED的比较可以看出初始光通量(Tj=25℃,It=350 mA)高并不能确定其在结温升高时的光通量也会高;同时还要考虑的一个因素是LED在If=350 mA时的玲值,它与光效有直接关系。因为光效是光通量与功率的比值,所以在If=350mA且光通量相同时,Vf价值小的LED光效高;同时LED的Vf价值也会随着结温的变化而发生变化。因此在选择高光效的LED时,不能仅仅看其瞬态时的光通量,即结温为环境温度时的光通量。很多厂家在生产过程中抽检LED光效时都是简单地用积分球来测试其初始光效,结果造成挑选的高光效产品在成品测试时发现光效并未达到预期值,当然这里的成品测试也要在整个系统温度达到平衡的状态下测试。现在市面上流通的很多只做封装的厂家所生产的LED灯珠几乎都没有标注焊盘到结点的热阻,而大功率集成LED因为存在多颗的LED,所以焊盘到结点的热阻更加难以定义。选择高光效的LED首先要确定LED正常稳定状态下的焊盘温度TP, LED会因结构不同而测试的点不同。然后在选择LED测试光通量时,应该让各款LED的焊盘温度均为TP时测量。通常还会测量其在个Ij=350 mA时的光通量,这时还要记下LED的Vr值。然后计算其光效,这才是我们需要的数值。

          在LED工矿灯上,采用大功率集成式LED与采用多颗小功率的LED二者之间互有优缺点。采用小功率单颗IW一10w的LED在布置上可以根据灯具结构大小来均匀排列,整个发光面相对于大功率的集成式LED来说要大许多。而且热量也会分散,不会导致局部区域过热的情况,所以在散热处理上相对于集成式LED更简单一些。但是多颗的LED需要焊接在一块铝基板上,在生产中增加了一个工序;同时铝基板的尺寸也要大于集成式LED底板的尺寸,在涂导热膏时比较复杂。总之,我们要综合考虑生产工艺、光学要求和功率大小等确认所需要合适功率的LED。

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