LED照明燈具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

陳紫罡

（廈門信達(dá)智慧物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)服務(wù)有限公司， 福建 廈門 361000）

在現(xiàn)代照明技術(shù)領(lǐng)域中，LED占有十分重要的地位，LED照明燈具在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用，為社會(huì)生產(chǎn)及民眾的生活提供了巨大的支持。隨著各個(gè)領(lǐng)域?qū)φ彰鳠艄δ苄约皞€(gè)性化要求的增加，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念下LED燈具產(chǎn)品的不足也暴露出來(lái)。為此，有必要結(jié)合LED照明技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，以及相關(guān)燈具產(chǎn)品的市場(chǎng)需求，對(duì)LED照明燈具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新思路及路徑開展進(jìn)一步探究。

1 LED照明燈具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的必要性

做好LED照明燈具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量把控及理念創(chuàng)新的必要性和意義，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

其一，是適應(yīng)市場(chǎng)及技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)的必要路徑?，F(xiàn)代LED技術(shù)條件下，LED燈具工藝呈現(xiàn)集約化特征，LED燈具體積越來(lái)越小，因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要適應(yīng)新的工藝條件[1]。同時(shí)，如今的LED燈具應(yīng)用場(chǎng)景越來(lái)越復(fù)雜，傳統(tǒng)單一的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)無(wú)法滿足實(shí)際應(yīng)用需求。通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，才能讓LED燈具適應(yīng)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，滿足市場(chǎng)需求[2]。

其二，是提升燈具性能、保證安全的關(guān)鍵。在LED燈具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，涉及驅(qū)動(dòng)電源、支架、透鏡、散熱器以及相關(guān)配套元件的空間布局和細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，通過(guò)科學(xué)設(shè)計(jì)可以為光源提供良好的運(yùn)行環(huán)境，進(jìn)一步發(fā)揮其照明優(yōu)勢(shì)[3]。同時(shí)，通過(guò)科學(xué)的散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，還可以提升其散熱性能，保證燈具運(yùn)行安全和穩(wěn)定。

其三，滿足個(gè)性化及藝術(shù)審美需求。現(xiàn)代LED燈具已經(jīng)成為城市建設(shè)及民眾生活中不可或缺的部分，無(wú)論是從最直接的照明需求出發(fā)，還是從藝術(shù)審美的角度出發(fā)，都需要對(duì)LED結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)[4]。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，現(xiàn)代LED 燈具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將融入藝術(shù)設(shè)計(jì)理念，以滿足人們個(gè)性化的功能需求及多樣化的藝術(shù)審美需求，如景觀燈、庭院燈。

2 LED燈具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的問(wèn)題及策略分析

2.1 外觀設(shè)計(jì)問(wèn)題

LED照明燈具光源為單向性，所以在燈具外觀造型及材料選擇方面容易受到限制。如何在LED技術(shù)發(fā)展進(jìn)程和滿足多樣化需求方面做好平衡，成為現(xiàn)代設(shè)計(jì)單位需要思考的重點(diǎn)問(wèn)題。同時(shí)，多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)景下都要求LED照明燈具達(dá)到IP65防護(hù)等級(jí)要求，同時(shí)又要兼顧流線型外觀。為此，需要綜合燈具的實(shí)際使用場(chǎng)景需求，對(duì)燈具的內(nèi)部構(gòu)件進(jìn)行優(yōu)化，將散熱系統(tǒng)、密封結(jié)構(gòu)和外層裝飾結(jié)構(gòu)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，在不影響實(shí)際功能性的基礎(chǔ)上，提升燈具美觀度。

2.2 驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)問(wèn)題

現(xiàn)有LED照明燈具的驅(qū)動(dòng)電源一般是由恒流供電，即通過(guò)線性或開關(guān)型DC/DC穩(wěn)壓器結(jié)合的反饋電路，為燈具提供穩(wěn)定的電力。在驅(qū)動(dòng)電源實(shí)際設(shè)計(jì)中通常會(huì)面臨諸多復(fù)雜的問(wèn)題，要做好燈具功率、散熱、能耗等方面的平衡。

針對(duì)LED燈具驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)問(wèn)題，首先應(yīng)以保證燈具可靠性為基本要求，使用高效率驅(qū)動(dòng)。高效率支持下的燈具損耗會(huì)更低，很大程度上減少了溫度的變化，并且可以延緩燈具光衰。同時(shí)，在設(shè)計(jì)燈具電路時(shí)，加入浪涌保護(hù)，在電路異常波動(dòng)時(shí)使燈具免受損傷。在大型LED燈組系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，還應(yīng)加入溫度負(fù)反饋，避免燈具溫度過(guò)高而引起能耗及安全問(wèn)題。另外，電源設(shè)計(jì)中應(yīng)做好散熱和防水、防潮之間的平衡，尤其是在露天運(yùn)行環(huán)境下工作的LED燈具，其防水防潮設(shè)計(jì)更應(yīng)引起重視。最后，在LED燈具的外部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)選擇隔熱性能好、耐極端溫度的材料，充分保證驅(qū)動(dòng)電源及相關(guān)組件穩(wěn)定安全[5]。

2.3 二次光學(xué)設(shè)計(jì)問(wèn)題

在現(xiàn)代LED 燈具設(shè)計(jì)中，二次光學(xué)設(shè)計(jì)尤其重要，關(guān)系到燈具的呈現(xiàn)效果及運(yùn)行穩(wěn)定性。在這方面的設(shè)計(jì)中，需要解決的問(wèn)題較多，包括發(fā)光器的光通量、出光角度大小、光強(qiáng)分布等。除此之外，提高光能利用率、節(jié)能降耗也是二次光學(xué)設(shè)計(jì)中需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

在LED燈具二次光學(xué)設(shè)計(jì)方面，主要根據(jù)燈具實(shí)際光照范圍和配光曲線，對(duì)光線路徑及空間傳輸邏輯進(jìn)行二次設(shè)計(jì)。不過(guò)該方法通常只能解決基本的使用問(wèn)題，在節(jié)能增效方面的價(jià)值并不是特別高。目前，業(yè)界有專家深入到LED燈具的發(fā)光原理和現(xiàn)有結(jié)構(gòu)體系之中，探尋二次設(shè)計(jì)的創(chuàng)新思路。

3 LED燈具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)及策略——以散熱設(shè)計(jì)為例

3.1 燈具結(jié)構(gòu)的熱分析

從LED燈具的基本結(jié)構(gòu)及運(yùn)行邏輯來(lái)看，熱量在熱流路徑上遇到的阻力，反映的是各組件或材料之間的傳熱能力。業(yè)界將1 W熱量所造成的溫升程度稱為熱阻，數(shù)值單位為℃/W。通過(guò)將熱功耗和熱阻值相乘，可以得到熱傳遞路徑上的溫升。在LED工作過(guò)程中，涉及的熱傳遞方式主要包括對(duì)流、輻射、傳導(dǎo)等。其中，不同介質(zhì)之間的傳導(dǎo)是主要方式，因此，在分析LED燈具結(jié)構(gòu)熱動(dòng)態(tài)特征時(shí)，主要考慮熱傳導(dǎo)狀態(tài)下的散熱效果。熱量在燈具中傳遞時(shí)經(jīng)過(guò)了不同的介質(zhì)，介質(zhì)之間的交界面對(duì)熱流產(chǎn)生熱阻，而介質(zhì)之間的溫差以及本身比熱容的大小，都會(huì)影響熱傳遞的效率。針對(duì)該問(wèn)題的處理，通常可以增加介質(zhì)之間的接觸壓力，減少因縫隙或壓力不足造成的熱傳遞效率減緩的情況，或在介質(zhì)交界面加入高導(dǎo)熱能力的材料，如導(dǎo)熱硅膠墊，導(dǎo)熱硅脂等。

3.2 燈具結(jié)構(gòu)散熱設(shè)計(jì)思路

從LED燈具的工作特征及熱傳遞特征分析來(lái)看，提升其結(jié)構(gòu)散熱的措施主要有兩個(gè)，其一是提升散熱模塊的導(dǎo)熱效率，其二是提升易受影響組件和易熱組件之間的隔熱性。從散熱模塊的角度來(lái)看，設(shè)計(jì)時(shí)需要滿足3個(gè)要求，即熱阻小、吸熱快、去熱快。為降低散熱模塊的熱阻，需要將散熱片和LED 模塊緊密結(jié)合，減少縫隙。但是，從當(dāng)下的加工工藝條件來(lái)看，LED模塊和散熱片之間肯定存在一定的間隙，可以使用熱阻比較低的材料填充這個(gè)間隙，但絕大多數(shù)導(dǎo)熱材料熱阻要高于金屬材料，無(wú)法徹底解決這一問(wèn)題。為此，要結(jié)合科學(xué)的設(shè)計(jì)及現(xiàn)代工藝，提升散熱片吸熱底的平整度，配合導(dǎo)熱材料，達(dá)到“熱阻小”的要求。為了提升散熱片的吸熱性能，通常要求吸熱底有比較出色的橫向熱傳導(dǎo)性能。在設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)先保證吸熱底厚度足夠大，結(jié)合LED模塊安裝孔位進(jìn)行加筋處理，在提升其吸熱性的同時(shí)也保證了燈具的整體性和機(jī)械可靠性?！叭峥臁钡年P(guān)鍵在于讓LED燈具散熱片吸收的熱量可以被迅速傳遞至鰭片。通常情況下，LED燈具鰭片置于空氣中，以達(dá)到快速散熱的效果，如圖1所示。

圖1 LED燈具散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

3.3 材料選擇

LED燈具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，材料選擇也是非常重要的部分，尤其是科學(xué)的材料選型及合理的材料搭配，是進(jìn)一步提升裝置散熱性能的關(guān)鍵。LED燈具散熱材料的選擇需要遵循3個(gè)原則，即導(dǎo)熱性能佳、性價(jià)比高、易于加工。綜合工業(yè)制造領(lǐng)域中常見的各類材料特性分析可以發(fā)現(xiàn)，純鋁材雖然具有很好的熱傳導(dǎo)性能，但是其硬度較小，無(wú)法適應(yīng)比較復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境，無(wú)法滿足各種加工工藝需求，性價(jià)比并非最高。為此，需要結(jié)合LED燈具實(shí)際應(yīng)用情況，選擇合適的鋁合金材料作為散熱裝置的主要材料。在實(shí)際應(yīng)用中，AA6063鋁合金材料具有很好的熱傳導(dǎo)性能，同時(shí)其易于加工、價(jià)格也比較合理，在各類散熱元件的加工制造中被大量應(yīng)用。除此之外，AA1050延展性比較好，可以通過(guò)沖壓工藝制造較細(xì)、較薄的散熱鰭片，ADC12熔點(diǎn)低，可塑性好，可通過(guò)壓鑄工藝制造各種造型散熱器。

3.4 工藝選擇

針對(duì)LED 散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，除了做好材料選型外，還要結(jié)合實(shí)際應(yīng)用需求，對(duì)散熱結(jié)構(gòu)工藝進(jìn)行選擇。例如，針對(duì)鋁合金材料的加工，鋁擠壓工藝比較常見。該工藝下一般可以使用AA6063鋁合金材料，可以有效控制工藝質(zhì)量和成本。但是，這一材料及工藝組合對(duì)成品壁厚、長(zhǎng)度和截面有一定要求，無(wú)法滿足各種結(jié)構(gòu)及造型設(shè)計(jì)需求，如圖2所示。除該工藝外，鋁壓鑄也較為常用，該工藝可以滿足多種造型的散熱構(gòu)件制造，適應(yīng)多樣化的LED燈具造型設(shè)計(jì)，如圖3所示。不過(guò)，壓鑄工藝涉及開模環(huán)節(jié)，生產(chǎn)成本控制難度較高。

圖2 鋁擠壓工藝散熱結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 鋁壓鑄工藝散熱結(jié)構(gòu)示意圖

總的來(lái)講，關(guān)于LED散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的工藝選擇，應(yīng)綜合分析材料類型、燈具基礎(chǔ)特征以及生產(chǎn)規(guī)模，從散熱性能、耐用性、經(jīng)濟(jì)性等角度出發(fā)，做出科學(xué)決策。

4 結(jié)論

綜上所述，在現(xiàn)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展的背景下，各個(gè)領(lǐng)域?qū)ED燈具的應(yīng)用提出了更加多樣化的需求。為了滿足功能性、個(gè)性化、環(huán)保性、安全性等多方面的需求，要深刻認(rèn)識(shí)到LED燈具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化與創(chuàng)新的價(jià)值。為此，結(jié)合LED燈具的技術(shù)條件、應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)各個(gè)主要構(gòu)件的相對(duì)位置、空間布局進(jìn)行優(yōu)化，在此基礎(chǔ)上，做好驅(qū)動(dòng)電源、散熱結(jié)構(gòu)及外觀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)過(guò)程中秉承實(shí)事求是和積極創(chuàng)新的理念，從結(jié)構(gòu)布局、材料選型、工藝選擇等角度，充分滿足LED燈具穩(wěn)定、高效、低耗的運(yùn)行需求，為社會(huì)的健康發(fā)展作出應(yīng)有貢獻(xiàn)。