LED日光燈的二次光學(xué)控制系統(tǒng)*

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

LED日光燈的二次光學(xué)控制系統(tǒng)*

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

針對現(xiàn)有的LED日光燈存在熱量散失性差，光衰減度強(qiáng)和光線不柔和等不足，系統(tǒng)從散熱裝置，電源和二次光學(xué)幾個角度出發(fā)，給出翼形折疊片構(gòu)造的熱電法散熱裝置、翻轉(zhuǎn)電平的改進(jìn)電源裝置、LED的改進(jìn)二次光學(xué)研究。實(shí)驗(yàn)顯示，本文LED的散熱性能比現(xiàn)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(xué)；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(chǎn)生輻射的新型節(jié)能光源［1］。LED所產(chǎn)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(xiàn)有實(shí)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(yīng)用局限。本文給出翼形折疊片［3］構(gòu)造的散熱［1］裝置，此外把該部分日光燈的外設(shè)、驅(qū)動性的電路設(shè)備改進(jìn)而實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一化構(gòu)建。選取W型LED排列和二重花生米透鏡實(shí)現(xiàn)完善的二次光學(xué)研究，獲取適宜人眼的光線。選取改進(jìn)翻轉(zhuǎn)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(yùn)轉(zhuǎn)，若溫度值大于該范圍，設(shè)備老化程度加?。?］。因而，LED熱度散失裝置的優(yōu)劣，對于LED的性能有至關(guān)重要的影響。現(xiàn)有的散熱方法通常選取排氣扇、放熱管、回路放熱管、傳導(dǎo)熱裝置、傳導(dǎo)熱硅脂等部分組成［5］。該類散熱技術(shù)具有一定局限性，劈如安裝排氣扇實(shí)現(xiàn)散熱的方法，結(jié)構(gòu)繁雜、穩(wěn)定性能低，容易使得開啟電能部分的設(shè)備老化；傳導(dǎo)熱裝置只側(cè)重于熱傳導(dǎo)部分的熱量散失，忽略了對流散熱能；導(dǎo)熱管和選取回路熱管的熱量散失方法，構(gòu)造繁雜，不可以立刻實(shí)現(xiàn)，所需成本高。

1.1現(xiàn)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(yīng)當(dāng)過大，因而，把LED日光燈的散熱部分和系統(tǒng)外部構(gòu)建實(shí)現(xiàn)融合化統(tǒng)一構(gòu)建，采用翼形折疊片構(gòu)造的散熱裝置腔體，其構(gòu)造部分采取鋁合金加入導(dǎo)熱硅脂原料，系統(tǒng)的外部構(gòu)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(jìn)，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(jié)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(xù)，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(xiàn)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(shù)按如下規(guī)格選取為：距離是2.48mm的折疊片，折疊片的厚度為0.53mm。

進(jìn)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(dǎo)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(dá)到制冷的目標(biāo)，其實(shí)現(xiàn)定理如下圖所示。熱電法散熱感應(yīng)靈敏，在約60 s左右就可以達(dá)到最高溫度值，并且選用閉環(huán)結(jié)構(gòu)的溫度測控電路，其精確度能夠到達(dá)0.1°左右，并且具備體積小巧，干擾小的特點(diǎn)。本文在陣列式的LED中，如圖2所示。

圖2　LED平面排布構(gòu)建示例模型

硅制冷模［9］塊對各個LED實(shí)現(xiàn)獨(dú)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(shí)現(xiàn)了36.4%到45.1%之間，制冷效果較為優(yōu)越。此外對該系統(tǒng)熱端加入改進(jìn)后的折疊片，能夠進(jìn)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(xué)設(shè)計(jì)和LED電源部分

2.1LED二次光學(xué)設(shè)計(jì)

LED芯片在封裝時已進(jìn)行了第一次光學(xué)設(shè)計(jì)，但為了使LED芯片發(fā)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(qū)域上，我們需要在一次配光的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次光學(xué)設(shè)計(jì)。

2.1.1傳統(tǒng)的二次光學(xué)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的二次光學(xué)設(shè)計(jì)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(dú)立的LED光學(xué)器件上實(shí)現(xiàn)光照配準(zhǔn)獲取長方形的斑塊，使LED模塊依據(jù)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(gòu)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(jī)械構(gòu)建設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)不同數(shù)目的LED模塊組件的增加和減少。

但此種設(shè)計(jì)方案也具有一定的局限性，譬如其配準(zhǔn)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(dá)到這樣的結(jié)果?；诖?，本文給出一套改進(jìn)的LED二次配光方案。

2.1.2改進(jìn)的二次光學(xué)研究

基于LED核心的一次匹配光線的標(biāo)準(zhǔn)之上，依據(jù)選取曲線形花生米的透鏡型研究展現(xiàn)出的生光角，依據(jù)曲線形花生米透鏡的W形狀標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)光線照射區(qū)間的測控，匹配反射光線燈罩實(shí)現(xiàn)整體光照強(qiáng)度的測控，依據(jù)透鏡以及半圓形狀的燈罩實(shí)現(xiàn)光線的多次漫反射，進(jìn)而使得光線越發(fā)平和、散布勻稱。改進(jìn)的二次匹配光線研究構(gòu)建的示例圖形如圖4所示。

圖4　新型二次配光設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

實(shí)現(xiàn)分布在每顆LED核心表面的花生米透鏡依據(jù)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(jìn)而投遞照射在由各種煙幕型的米粒狀的透鏡構(gòu)建的半圓形狀的燈罩的空間壁，依據(jù)漫散射向空間輸送均勻［10］的光照，進(jìn)而選取兩層透鏡實(shí)現(xiàn)直射光線的擴(kuò)散和漫反射的結(jié)果。

2.2LED電源模塊改進(jìn)

現(xiàn)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(yīng)管、高頻整流二極模塊、沖擊變壓設(shè)備3個模塊構(gòu)成。類似的現(xiàn)有電源模塊設(shè)計(jì)簡約、節(jié)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(dǎo)致LED產(chǎn)熱量的增多、使用時間減弱。因而，實(shí)現(xiàn)改進(jìn)LED驅(qū)動方法的研究。

本文給定一種翻轉(zhuǎn)電平的改進(jìn)電源模塊的操作，其定義如下：220 V的交流電通過全橋?qū)崿F(xiàn)整流、電容濾波方式轉(zhuǎn)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(qū)域電壓。選取半導(dǎo)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(fā)給定信息，由此操控其中斬波群法的振蕩裝置得到的規(guī)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(diào)節(jié)Q1的導(dǎo)通時段，Q1導(dǎo)通的時段越久，其后級得到的電流則越強(qiáng)烈，從而調(diào)整發(fā)光半導(dǎo)體二極管的光強(qiáng)。若MOSFETQ1選通時，電流經(jīng)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(shí)現(xiàn)關(guān)斷并且保存一段固定的時段，電感中的電能經(jīng)過VD1和LED。流經(jīng)這個固有的時段之后，Q1重新接通，由此實(shí)現(xiàn)循環(huán)。

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果解析

3.1散熱部分測算

對于環(huán)境的溫度在17.1℃的空間內(nèi)部，選取體表測試溫度儀器實(shí)現(xiàn)LED原有散熱模塊和翼形折疊片的散熱模塊的外部實(shí)現(xiàn)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(jù)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(biāo)準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)平臺如圖6所示。

圖6　系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺圖

3.2光照程度的實(shí)驗(yàn)

本文選取7個一瓦的白色發(fā)光LED發(fā)光體構(gòu)建成一個LED照亮燈具，對于該燈具的照亮點(diǎn)和發(fā)光體間距在3m的標(biāo)準(zhǔn)之下，選取Dialux程序構(gòu)建實(shí)驗(yàn)，獲取照亮點(diǎn)的光照分布程度如圖7所示。

圖7　照明面得照度分布

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文選取的改進(jìn)LED陣列和二重花生米透鏡的二次光學(xué)設(shè)計(jì)，能夠達(dá)到照亮程度散步率在0.871，能夠?qū)崿F(xiàn)平常照明所需。

3.3電源性質(zhì)測算

由圖8的實(shí)驗(yàn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(chǎn)生向上變換，并得到低延時。由此可得，電平轉(zhuǎn)換信息可以便捷地轉(zhuǎn)換LED的平均光亮值。

圖8　實(shí)驗(yàn)效果

5　總結(jié)

基于LED采用在室內(nèi)照明包含熱量消散困難，光線不柔和等相關(guān)問題，對此給出翼形折疊片構(gòu)造的熱電法散熱裝置、翻轉(zhuǎn)電平的改進(jìn)電源裝置、LED的改進(jìn)二次光學(xué)研究。實(shí)驗(yàn)效果得到，改進(jìn)的LED照亮燈具，散熱結(jié)果是現(xiàn)有銅板體系散失熱量的2.5倍～3.8倍，照度均勻［10］度高達(dá)0.882，能夠獲取散步均勻的光線，可以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)照亮的標(biāo)準(zhǔn)。

［1］ 劉雁潮，付桂翠，高成，等.照明用大功率LED射燈排熱研究［J］.電子器件，2008，29（6）：1716-1720.

［2］ 晏劍輝.新型LED路燈電源驅(qū)動器研究［J］.電子器件，2013，36（3）：426-430.

［3］ 黃秋月，孫志堅(jiān)，紀(jì)翠娟，等.柵格式方孔翅片自然對流換熱的數(shù)值模擬［J］.電子器件，2012，35（3）：271-275.

［4］ 楊興武，姜建國.電壓型PWM整流器預(yù)測直接功率控制［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報，2011，31（3）：34-39.

［5］ 楊凱，李曉艷，林斌，等.基于自由曲面透鏡的LED路燈配光優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.光學(xué)技術(shù)，2015，44（7）：1-6.

［6］ Sterank FM，Bhat J，Collins D，et al.High power LEDs technology status andmarketapplication［J］.Physical Status Solidi，2012，194（2）：380-388.

［7］ Cichowlas M，Malinowski M，Kazmierkowski M P，et al.Direct power control for three-phase PWM rectifier with active filtering function［C］//IEEEConference on International Symposium on Industrial Electronics.Rio de Janeiro：IEEE，2013：913-918.

［8］ Cortés P，KazmierkowskiM P，Kennel R M，et al.Predictive control in power electronics and drives［J］.IEEE Trans on Industrial Electronics，2008，55（12）：4312-4323.

［9］ 羅毅，張賢鵬，王霖，等.半導(dǎo)體照明中的非成像光學(xué)及其應(yīng)用［J］.中國激光，2008，35（7）：963-971.

［10］顏穩(wěn)萍，郭振寧，林介本，等.實(shí)現(xiàn)近場均勻照明的雙自由曲面大角度透鏡設(shè)計(jì)［J］.光子學(xué)報，2015，44（1）：0122002.

［11］王加文，蘇宙平，袁志軍，等.LED陣列模組化中的照度均勻性問題［J］.光子學(xué)報，2014，43（8）：0822004.

孔銀昌（1978-），男，河南駐馬店市人，漢族，碩士，副教授，研究方向?yàn)槎嗝襟w信息處理；

李平（1976-），女，河南駐馬店人，漢族，碩士，講師，研究方向?yàn)樾畔⑻幚砼c現(xiàn)代電子系統(tǒng)。

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(xiàng)目來源：駐馬店市2014年科技攻關(guān)項(xiàng)目（142204）；2016年度河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目（16B510002）

2016-01-27修改日期：2016-03-12

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