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散熱處理與安全設計為LED照明發展的關鍵[圖]
摘要: 對目前常見的白熾燈泡或是熒光燈、省電燈泡來說,即便產品本身運行可能產生熱能,但組件的高熱仍可以被有效隔離,使光源與電源接座不會因熱而產生意外的公安問題。但LED固態照明就不同,一來LED組件集中單點的運行高溫......
Abstract:
Key words :

  對目前常見的白熾燈泡或是熒光燈、省電燈泡來說,即便產品本身運行可能產生熱能,但組件的高熱仍可以被有效隔離,使光源與電源接座不會因熱而產生意外的公安問題。但LED固態照明就不同,一來LED組件集中單點的運行高溫,必須采取更多積極手段進行散熱處理,同時搭配主動有效的熱處理機制,才能避免燈具發生公安問題...

  傳統光源或燈具多有運行過程產生高熱的問題,例如鹵素燈泡或白熾燈泡,若是白熾燈形式,即在特殊處理的燈球環境內加熱鎢絲產生光亮。

  實際上,高溫產生在燈絲上而非燈座,即便燈座會因燈球玻璃或是金屬受鎢絲發光的輻射熱、熱傳導間接產生高溫,但產生的溫度都在可接受的安全范圍,再加上非直接接觸傳導,安全性也相對較高。

  LED固態光源  熱處理問題較傳統燈具復雜

  但換成LED固態光源形式的燈具,其熱處理便可能成為新的應用安全問題。多數人會認為LED具高能源轉換效率、低驅動能源優勢,自然使用安全性較高,但實際上LED固態光源為了達到日常照明的應用目的,必須透過加大單組組件的功率去強化單元件的輸出流明,例如燈具廠會采取多LED組件整合形式加強輸出效果,且多組件同時運行也能改善LED固態光源光型偏向點光源的問題,讓LED固態光源技術的燈具可產生如燈泡般的面光源效果。

  在開發現場,欲強化單元件的輸出流明,必須施加更高的電流,以使LED芯片的PN接面產生更多流明,但更高電流也會讓單點LED組件的溫度升高、更難處理,甚至為了提高燈具的光型表現、發光效率而采取多組件并用形式,也會使LED燈具的高溫問題加劇,讓散熱問題更難處理。

  綜觀目前LED燈具市場的發展趨勢,多數LED光源的模塊廠大多會先以利基市場產品為開發主力,因為高單價、高利潤,也可以借由技術差異迅速打入發展技術較前衛的LED光源市場,例如,針對室內裝潢、情境燈具應用的嵌燈、壁燈、吸頂燈就成為LED光源燈具較常見的設計形式,其替換傳統燈具后的省電效益亦最受相關業者關注。

  基本上,LED光源燈具必須重點處理的熱管理設計,在可能于密閉或半密死循環境使用的嵌燈、壁燈、吸頂燈產品,形成更嚴苛的挑戰,燈具開發商必須從材料、產品構型、主/被動散熱機制、驅動芯片設計等方面投入更多資源,以避免產品的公安問題肇生。

LED嵌入式燈具體積小,且常采多組件整合,模塊的散熱設計難度較高。

  NTC持續監控運行溫度  維持LED燈使用安全

  若LED燈具沒有搭配足夠的熱管理設計,在使用過程中可能會導致燈具因為經常性高熱運行造成壽命銳減,產生必須頻繁更換故障LED燈具的困擾,嚴重者甚至可能釀成公安意外,因運行高溫造成線路或是周邊裝潢著火燃燒!

  在產品開發階段,可運用智能型LED燈光控制技術,透過主動式的監看LED燈具與整體光源模塊的溫度表現,簡化裝置的熱管理工作,同時當燈具與環境周遭溫度上升至危險區段時,燈具必須降低電功率、減少LED亮度輸出,以此提升LED固態光源燈具的使用安全性。

  考慮較簡單的設計形式,若燈具本身所使用的驅動器功能較聚焦于電源轉換與LED組件驅動,并未內嵌溫控微處理器與散熱處理模塊,為避免增加產品原料件的成本,LED燈具可整合NTC(Negative Temperature Coefficient)負溫度系數Thermistor Sensors電路,是成本效益相對較高的安全設計方案。

  所謂NTC電路,其設置目的是藉由透過電子回路去監看LED的模塊燈具溫度,透過默認溫度警示或是對應自動處理驅動狀況,采關閉LED固態光源模塊方式,來提升LED燈具的使用安全,同時NTC電路也能降低設計的復雜度。

  由于NTC電路的溫度系數非常大,因此可以偵測得知微小的溫度變化表現,被廣泛應用于需量測、控制與補償溫度的相關電路設計中,而NTC電路在LED光源模塊設計中,基本上為量測LED固態光源燈具的產品周邊溫度變化,至于量測狀況會隨著NTC改變的電壓現況,直接測得電壓和NTC電路的溫度對應關系。

  當NTC和周邊電路或整個模塊溫度提升時,NTC監控電路的電阻隨即降低,產品可依此相依關系進行相關安全控制機制反饋,例如減少LED發光組件的驅動電流或是直接強制關閉燈具照明,在燈具溫度問題改善后自動回復照明狀態,藉此獲得燈具使用的安全性。

采SMD形式制作的NTC THERMISTOR組件。

  監看LED燈具溫度  亦可導入MCU微控制器達到智慧監控

  前述NTC電路的改善形式,若想達到更佳的保護設計,搭配MCU進行更精密的安全設計也是一種相對務實的作法,在開發項目中,可將LED光源模塊的狀態區分為燈光是否正常開啟、燈光是否被關閉,搭配溫度警示與溫度量測的程序邏輯判斷,建構更為完善的智慧燈具管理機制。

  例如,若出現燈具溫度警示,經溫度量測得知模塊溫度仍在可接受范圍,可維持正常途徑,透過散熱片自然散逸運行溫度;而當警示告知所測得溫度已達需執行主動散熱機制的基準,此時MCU必須控制散熱風扇作動,甚至當溫度達到危險值,系統必須透過MCU直接關閉驅動器供應電源,讓整體電子回路、LED組件暫時停止運行,自然進行散熱處理。

  判斷燈具是否開啟或關閉,可用簡單的判斷位來做變化與了解產品目前使用狀態,比較關鍵的是溫度量測部分,所量測的溫度必須實時與系統的參照表進行比對,以確認目前模塊狀態的正常或異常程度,計算出溫度間距后,自動對應進行溫控管理。

  同樣的,當溫度進入危險區段時,控制機制應隨即關閉燈源,同時在系統關閉后60秒或180秒后再次進行溫度確認,待LED固態光源模塊溫度達正常值,再重新驅動LED光源,繼續提供照明。

嵌入式燈具外殼采鋁擠型或散熱片設計,可發揮自體散熱作用。


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