浅析电脑灯的高温与散热

2011-09-19赵海城

演艺科技 2011年12期

赵海城

（辽宁省朝阳广播电视台，辽宁朝阳 122000）

电脑灯是集光学、机械、电子于一体的产品。当今，综艺节目对电脑灯性能的要求越来越高，使用的电脑灯数量也越来越多，有些大型晚会中的电脑灯数量达到上百只甚至几百只，由此带来了美轮美奂的光、影效果。但相应的问题也随之显现，由于电脑灯的电能一部分转化成光，同时也产生了一定的热量，热量积聚就形成了高温。如对电脑灯的高温处置不当，势必影响其性能、使用安全甚至节目的正常制作及播出，这是灯光师和工程技术人员必须面对的重要问题。

本文对电脑灯的各部分器件与高温及散热的关系进行剖析。

1 光源部分

电脑灯配用光源有三类，即白炽灯—卤钨灯，气体放电灯—HID灯—金卤灯，固态光源—LED。人们常常把电脑灯配用白炽灯、气体放电灯这两种光源俗称“灯泡”。

1.1 白炽灯和气体放电灯

生产厂家对电脑灯的灯泡都设定了温度额定值，一般来说，这个额定值是指内置钼片的限定温度，早期进口的灯泡最高温度限定在350℃，后期产品最高温度限定提高到450℃，有的厂家提高到500℃甚至更高。如果灯泡过热，会造成钼片与灯泡引脚接驳点发热，或者打火烧黑、玻璃开裂漏气等问题。但是灯泡温度也不能太低，太低易造成炸裂。

现在的电脑灯基本都使用了风冷技术。对于灯泡而言，并不是风越大越好，而是风要吹对位置。灯泡只需要少量的风量。如果集中对灯泡吹风散热，灯泡启动时金属卤化物就无法得到充分的电离，且将无法正常工作，长期如此，灯泡内部会发黑，灯泡不能最大限度点亮，电脑灯也无法发挥最大效能。所以，散热要综合考虑。

1.2 LED光源

1.2.1 LED散热与寿命

LED的优点多：体积小、耗电少、高亮度、低热量。但是所谓低热量也并非不产生热量。有观点认为，目前大功率LED电脑灯灯具效率仅在15%～30%，其余大多数能量都转化成热能。如果热能不能有效散发，长期高温会降低LED的光通量及其发光效率，引起主波长偏移、偏色，同时导致各元器件老化等不良后果，严重影响LED的寿命。

关于LED寿命的说法不一，大致在10 000 h～100 000 h。但大功率LED环境温度达到一定限度很快产生光衰减，Cree公司给出了大功率白光受温度影响光衰曲线图（曲线图见《演艺科技》2011年第8期P14）。按照国际惯例（也是原有光源规范的规定），光源的有效寿命定义为：光通量衰减到初始值的70%时，光源就算寿终。LED的P-N结在不同温度下的有效寿命通过光衰曲线图总结列表进行对比，见表1。

表1 P-N结温度与有效寿命对比

从表1可直观看出，LED寿命随温度升高而快速缩减，因此，LED的热效能治理问题值得重视。通常半导体器件对高温十分敏感，长时间发热或高温会影响器件的稳定性及使用寿命。LED发光的同时会产生大量的热，必须及时将产生的热量散发出去，否则LED芯片会迅速老化甚至烧毁。LED特别是大功率LED电脑灯产生的热量，仅靠散热片来散热是远远不够的，这就需要对LED进行热管理，采用基板与散热板无隙接合、热管技术和外加温控风扇等手段实现散热。

1.2.2 LED散热技术

对于LED芯片本身的散热，最主要的改进就是采用导热更好的衬底材料，还有基板与散热板无隙接合。

按照LED芯片所用的衬底划分，目前已实现产业化的有三种技术路线，即蓝宝石衬底、碳化硅衬底和硅衬底。蓝宝石衬底的生产技术成熟、器件质量较好、稳定性好，能够运用在高温生长过程中，机械强度高，目前全球大部分LED芯片企业采用蓝宝石衬底。但蓝宝石衬底的导热性能不是太好（在100℃时约为25 W/（m·K）），而且蓝宝石要使用银胶固定，而银胶的导热性也很差。为了改善衬底的散热，Cree公司采用碳化硅衬底，它的导热性能（490 W/（m·K））要比蓝宝石高将近20倍。但其成本过高，而且有专利保护，因此目前只有Cree公司生产以碳化硅为衬底的LED芯片。

硅衬底为国内的一些厂商采用。其价格相对便宜，导热导电性能优良，器件加工工艺成熟，且不受专利的限制。但GaN（氮化镓）的膨胀系数和硅相差太大而容易发生龟裂，解决的方法是在中间加一层氮化铝（AlN）作缓冲。衬底材料性能对比如表2所示。

现在国内针对大功率LED散热问题出现了一些新的解决办法，例如微槽群复合相变技术（属于热管技术的一种）。

微槽群复合相变技术是在传统散热技术基础上的优化和突破，即利用微细尺度槽群结构热沉的高强度复合相变强化换热机理进行换热。根据不同灯具结构，散热器产品外形分为太阳花式和平板式。散热器内部是空腔结构，内部装满导热介质，填充负高压。毛细微槽群复合相变取热器内表面加工有许多微槽道，形成微槽群结构，具有汽化潜热的液体导热介质在微槽群自身结构所形成的毛细压力梯度下沿微槽流动，同时在槽中形成扩展弯月面薄液膜蒸发和厚液膜核态沸腾的高强度微细尺度复合相变强化换热过程，带走热量，从而实现系统自身取热与放热的高效率、无功耗的封闭循环，达到器件冷却的目的。

外加温控风扇技术是基于传统的散热技术。随着科技的发展，风扇的性能也日趋完善。

采取了基板与散热板无隙接合、热管技术，并像电脑CPU散热那样，再加装一个高质量的风扇来处理（当然还要考虑灯具的空间及工艺的处理）。电脑灯灯体也要加装功率稍大但是要低噪声的风扇。这样把各种途径产生的热量迅速散发到灯体以外，使热量传导明显，大幅降低器件长时间工作时的内部温度，降低光衰减，提高LED的光效能及大功率LED电脑灯的各项效能。

2 光学辅助组件

电脑灯中的光学器件，如反光碗、光学透镜、色片、玻璃图案片等，在高温情况下出现的主要问题是开裂、脱膜、色彩漂移。这要求厂家在选材上必须考虑材料的耐温特性、加工工艺和散热技术。设计安装上还要注意材质的膨胀系数，如玻璃材质由于密度不匀，受热时会因冷热不匀而导致开裂等，都是不可忽视的大问题。厂家生产时还要做一些热阻隔测试，就是利用光谱的特性，在高温玻璃上镀上一层膜，这层膜只能让可见光（380 nm～780 nm）通过，而阻止大部分红外光（大于780 nm）通过，这就是通常说的灯具中隔热片或冷光膜的作用。另外，安装以上器件时要充分考虑玻璃及紧固器件的热胀冷缩系数不同，紧固时要松紧适中。在以往使用中发现，个别灯具使用一段时间后灯泡引脚接驳点处有松动、虚连接、烧黑等现象，这说明有些厂家没有处理好这一技术问题。

表2 三种衬底材料性能对比

3 金属构件

灯口和灯泡引脚等金属构件易产生高温，也是处理电脑灯散热时需着重考虑的问题。选择金属材料要兼顾金属制作需要和材质的耐高温特性，通常厂家都选择铝质材料。轴承、传动齿轮等活动器件的高温特性至关重要，如果不加注意，这些器件高温膨胀后变形，可能造成电脑灯无法正常工作。

对金属器件的加工工艺也有要求，既要考虑温度的影响，又必须考虑灯光的特殊要求。高温处的图案片、光闸片、频闪片、图案轮、颜色轮等通常使用金属材料（铝制材质），金属图案片朝向光源的一面镀黑，另一面着本色的图案。之所以一面镀黑，一是考虑温度因素，二是避免产生光的反射影响电脑灯的成像效果。

玻璃图案片有所不同，它需要一面镀黑一面镀膜，但镀黑是指不需要显示图案的那一部分镀黑，而不是将玻璃的一面全部镀黑；同时，镀黑一面必须背对光源，否则就容易脱膜及开裂。这都是基于工艺及装配的要求。镀膜在本文第2部分介绍热阻隔测试时已述及，可见光可以通过这层膜。

4 电子及电器组件

电子及电器元件对温度相当敏感，如果超出限定温度，势必影响它们工作的稳定性。所以，必须了解电脑灯的电子器件如镇流器、开关电源、电机、交流电容等的工作要求，还有PCB主板相关器件（如CPU、驱动集成块）及周边相关电子元器件的环境温度，同时还要考虑摇头电脑灯摇头时不同朝向对灯具温度的影响。

镇流器、开关电源、电机和电容可采用自然冷却的铝型材料散热或直接风冷散热，风冷可以设计定向风道引领风向；也可同时采用自然冷却和直接风冷，这样可有效提高散热效率。CPU、驱动集成块、功放管等电子元器件工作温度一旦超限，就会产生热保护，造成电脑灯工作不稳定甚至整机瘫痪，所以，核心控制板安装需尽量避开高温。

5 胶质器件

电脑灯内部的胶质线材最怕高温，不高度防范将埋下火灾隐患。所以，线材表面防护套必须用合格的耐高温材料，比如耐高温的硅胶线、高温铁氟龙线。长期工作在高温下的传动皮带也不容忽视，须选择好的复合耐高温传送带，以免传动皮带遇高温硬化、开裂甚至断裂。传动皮带的温度特性是电脑灯安全与否的另一因素。对于灯具上的其他胶质材料，首先要考虑其阻燃性、防紫外线辐射性以及耐高温特性。