廣告燈箱照明用LED大功率條形燈的研究與開發(fā)*

梁富文，蔡群山，方貴喜，簡(jiǎn)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(fēng)陽能照明科技有限公司，廣東廣州 510880）

0 前言

廣告燈箱行業(yè)發(fā)展迅速，中國能源研究會(huì)能效與投資評(píng)估專業(yè)委員會(huì)的調(diào)查結(jié)果表明，我國燈箱照明行業(yè)增長(zhǎng)速度非常迅猛，年均增長(zhǎng)速度高達(dá)30%以上，并且每年的增長(zhǎng)速度在不斷提高。隨著我國廣告業(yè)的迅猛發(fā)展，燈箱照明行業(yè)必將成為不可忽視的照明耗電領(lǐng)域[1]。由于在節(jié)能、照度均勻度等方面的優(yōu)勢(shì)，LED光源產(chǎn)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(shù)量多而故障率升高、滾動(dòng)畫布燈箱布燈難等問題。本設(shè)計(jì)案例，通過設(shè)計(jì)一款LED大功率條形燈，在燈箱側(cè)面布燈，解決了上述背光源布燈的缺陷。綜合廣告燈箱行業(yè)一般要求，提出燈箱光電技術(shù)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(jié)構(gòu)

LED條形燈的構(gòu)成通常包括：驅(qū)動(dòng)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(shè)計(jì)

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(diǎn)如表1所示。

表1 各種不同材質(zhì)的LED基板特性

綜合考慮安全、散熱和成本等因素，條形燈設(shè)計(jì)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(yīng)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(yīng)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(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)是不利于光的均勻性和發(fā)光效率、芯片的發(fā)熱量大而對(duì)散熱機(jī)構(gòu)要求高；優(yōu)點(diǎn)是在成本方面占有優(yōu)勢(shì)，原因是所需的LED芯片數(shù)量少。近年來，越來越多廠家采用多個(gè)小型LED芯片，優(yōu)點(diǎn)是發(fā)光效率高、簡(jiǎn)化散熱機(jī)構(gòu)，還不容易出現(xiàn)發(fā)光不均現(xiàn)象；缺點(diǎn)是由于使用的芯片數(shù)量較多，LED本身的成本會(huì)升高。綜合考慮成本、光效和散熱等因素，本設(shè)計(jì)采用額定電流350 mA(最大電流1 000 mA)的大功率3535型LED。實(shí)測(cè)參數(shù)如表2所示。

表2 LED測(cè)試結(jié)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(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，每瓦LED燈具所需要的散熱面積大約在35～60 cm2，因?yàn)閺V告燈箱照明用LED條形燈主要是工作在室內(nèi)，環(huán)境溫度不是很高，所以可以采用相對(duì)較少的散熱面積，設(shè)計(jì)時(shí)初步設(shè)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(chǎn)的散熱器設(shè)計(jì)。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(dǎo)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(dǎo)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(duì)散熱都是比較有利的，這對(duì)于延長(zhǎng)條形燈的使用壽命提供了一定的保障。

2.3 透鏡

設(shè)計(jì)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(fā)光角度會(huì)有偏差，所設(shè)計(jì)透鏡剖面如圖2所示；透鏡在光學(xué)設(shè)計(jì)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(qū)，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(qū)動(dòng)電源

為滿足不同尺寸燈箱布燈、照度可根據(jù)需要調(diào)整及智能控制等需求預(yù)留設(shè)計(jì)空間，采用燈具與驅(qū)動(dòng)電源分離的方案，電源采用知名廠家的標(biāo)準(zhǔn)電源，如臺(tái)灣某品牌的HLG-120H系列電源，其方框圖如圖6所示、可調(diào)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(cè)試

圖8為本案設(shè)計(jì)的成品照片，產(chǎn)品外觀流暢，性能滿足文獻(xiàn)[4]要求，單條條形燈測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示。

圖7 可調(diào)光接線圖

圖8 成品照片

表3 單條條形燈測(cè)試結(jié)果

在測(cè)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(cè)試燈箱與布燈位置尺寸圖(單位：mm)

依據(jù)文獻(xiàn)[5]中心布點(diǎn)法取測(cè)試點(diǎn)，將燈箱見光面等分為15個(gè)網(wǎng)格，取網(wǎng)格中心位置為測(cè)量點(diǎn)，如圖10所示，對(duì)應(yīng)照度測(cè)試數(shù)據(jù)如表4所示，在測(cè)試燈箱中的綜合測(cè)試數(shù)據(jù)如表5所示，相關(guān)數(shù)據(jù)達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期。

圖10 照度測(cè)量點(diǎn)位置圖(單位：mm)

表4 燈箱表面照度測(cè)試數(shù)據(jù)表

表5 燈箱綜合測(cè)試數(shù)據(jù)表

4 結(jié)束語

綜上所述，該案設(shè)計(jì)生產(chǎn)的廣告燈箱照明用LED大功率條形燈采用專門設(shè)計(jì)的透鏡、防潮式結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)電源與燈具分離的方案，外觀美，容易安裝與維護(hù)，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期，經(jīng)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(shí)現(xiàn)照度可調(diào)，客戶反映較好，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。為同類照明產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了參考模式。