基于大功率LED技术的灯具造型研究

郭芳 曹帆

摘要：本分析了现有大功率LED灯具的造型特点，探寻了大功率LED灯具造型设计的制约因素，力图寻找LED新技术与灯具造型设计的结合点，提出大功率LED灯具造型设计思路。

关键词：大功率LED；造型；散热

1.引言

近年来，大功率LED光源技术因其环保、节能、寿命长等特点，逐渐突破了指示、显示等功能性元件的应用领域，而转向了对外型要求较高的路灯、景观灯以及室内装饰性灯具产品，成为了现代照明领域的主要光源之一。然而在灯具应用转型的过程当中，生产厂家依然沿用以技术为主的设计思想，致力于产品的内部机构、元器件组装以及节能技术的研究，忽视了产品的外观设计，仅仅通过模仿、沿袭和仿造等方式处理产品的外型。这种“重技术、轻外观”的设计思想忽视了灯具使用的环境因素和设计的美观性，导致市场上的大功率LED灯具的外型粗制滥造、千篇一律、缺乏个性，严重阻碍了大功率LED灯具在装饰性灯具领域的推广与应用。

因而认清问题，改变以技术为主导的传统设计模式，应用工业设计手段，结合大功率LED光源特点，将灯具的外型设计与功能原理、结构等技术因素相结合，全面考虑灯具的使用环境与装饰要素，探讨新的外观设计思路，成为大功率LED灯具设计中的重要问题。

2.现有大功率LED灯具的外观设计分析

现有大功率LED灯具造型体现了以下几个方面的特点：

1）模仿性

现有在大功率LED灯具主要应用于道路照明、室内照明、隧道工矿照明以及投光洗墙等特殊照明领域。灯具制造之初，各个厂家在外型上以模仿为主。比如大功率LED路灯设计模仿传统高压钠灯的“蛇头”形状，大功率LED灯泡模仿传统的球形灯泡，大功率LED射灯和手电均可以在传统市场上找到与之相似的外型。更有甚者，直接将大功率LED灯板或集成的光源嵌入传统的整灯外壳，以组成各种各样的大功率LED灯具。虽然，这种模仿与沿袭设计方式继承了传统灯具的造型语义，在不知不觉间使LED节能技术逐步取代了传统的照明技术，赢得了市场的青睐。但是，它缺容易让人忽略了大功率LED照明技术自身的结构特点与造型优势。

2）技术性

受到大功率LED光源技术的散热与聚散光等技术条件的制约，大功率LED灯具基本上形成了“芯片一铝基板一散热器三层结构模式”，即先将芯片封装在铝基板上形成LED光源模块，然后将光源模块安置在散热器上制造成大功率LED照明灯具。这种结构模式的优势是组装方式简单，不足之处在设计造型与应用推广受到了散热技术的限制。同时散热技术的限制也对大功率LED灯具直接模仿传统灯具造成了阻碍，比如上文中提到的“蛇头灯”由于外壳的封闭不利于散热，影响了产品的使用寿命。因此，许多的生产厂家摒弃掉传统的灯具外壳，而直接将散热片等裸露在外面，这些“裸灯”呈现出了大功率LED灯具高散热性的功能性语义，却忽视了产品应具有的审美语义。

3）随意性与盲目性

生产厂家过份注重产品的技术性能，没有将产品的功能与形式作为一个整体化的系统对象，导致了产品造型设计的随意性与盲目性。无论是对传统产品的模仿或者是对现有产品形式的借用，抑或是摒弃外壳的“裸灯”的出现都体现出了生产厂家以解决单一问题为导向的设计思想，这种思想往往解决了一个问题又会冒出新的设计问题。比如，“蛇头灯”不适合散热，厂家就去掉外壳的将散热片直接裸露在外，但这种“裸灯”一方面难以经受长时间的恶劣环境的侵蚀、增加了后期维护的成本，另一方面棱角锋利的裸体散热块又暴露出外观的粗制滥造和不安全因素。

3.大功率LED灯具造型设计的制约因素分析

大功率LED灯具的造型设计主要受到了散热技术、使用环境等多种因素的影响。

1）技术因素的制约

由于大功率LED灯具输出功率仅有不到百分之三十电能转化为光输出，其余则转换成热，若这些热量没有及时散发，不但会使灯具发光效率底下，还会使LED芯片因温度过高而加速芯片的老化，造成光衰、缩短灯具的寿命。

因而良好的散热方式是大功率LED灯具造型要考虑的重点问题。散热设计主要在芯片内部热设计、封装热设计以及使用熱设计三个方面，芯片内部和封装散热设计主要依靠生产工艺的提高来实现，使用过程中的散热则通过外部有效的散热器增加散热面积，提高散热效果。因而散热器的设计成为制约大功率LED灯具外观造型的重要因素。

2）环境因素的制约

大功率LED照明技术应用从外型要求较低的功能性元件走向了外型要求较高的照明灯具，环境因素成为制约产品造型的重要因素。

用于室外的大功率LED灯具必须考虑室外的恶劣环境，室外风吹雨打，环境恶劣，大功率LED灯具设计时必须考虑防水、防漏电、防尘、防蚊虫等多种防护功能。市场上许多大功率LED路灯为了散热方便，去掉影响散热的防护外壳，将阵列的散热鳍片直接裸露在空气中，这些铝制的散热片化学性能活跃，易于酸、碱发生化学反应而腐蚀灯体，不仅影响美观和散热，还会影响到灯体内部的机械性能。另外，裸露的散热片由于结构特性易于积灰、积水，同样会影响到散热性能与产品的美观度。因此在外观造型设计时要考虑将散热与防护性能相结合以适应自然环境的要求。

随着应用领域的增加，大功率LED灯具不再仅仅是简单的功能性产品，在外型设计上必须考虑产品的审美要素与文化语义。道路路灯不仅具有照明，还应兼具城市景观功能，因LED灯珠体量小、阵列灵活，可以进行具有地域文化特色或个性特色的产品设计；室内照明灯具应与室内装修风格相契合，体现室内装饰功能，可以进行个性化与时尚化设计；而特殊灯具如可移动型灯具，在外观设计上要体现良好的产品语义特征。

4.基于大功率LED技术的灯具造型设计

大功率LED灯具整体造型设计应具有美观、防护、散热多重功能，在整体设计上有如下思路：

1） 设计造型的人性化

突破以技术为主的设计造型思想，提倡人性化的产品造型。从使用环境、使用方式、使用者等不同角度探索产品的造型，使产品时尚、美观。

2）设计造型的模块化与多样化

在大功率LED灯具的设计中，LED灯珠、散热器均可以进行模块化设计，而内部元器件的模块化，接口标准化，可根据需要组装出不同的造型，实现产品的模块化与多样化设计。

C）设计造型散热与防护的结合

基于安全考虑，大功率LED灯具的外壳设计应具有散热与防护的双重功能，特别是室外的灯具设计，要充分考虑防尘、防水。在造型设计时可设计成中间高、两边低的流线型上盖，盖上有设置散热孔和导流面，通过不同方向的风和雨的自然冲刷，减少灰尘对散热效能的影响，减少酸性物质对灯体的腐蚀。

D）设计造型便于组装与部件维护

市场上的大功率LED灯具在组装和维护上有许多弊端。比如棱角分明的“裸体”散热块，棱角分明，不利于移动；而光源枪和电源枪设计成一个整体，在出现故障时，只能整体更换，不利于维护等。因而，在产品造型设计时，要考虑产品的连接与组合方式，使产品便于维修与更换。在设计时可将产品化整为零进行模块化设计，通过模块的插接组装来进行坏模块的更换与维修。

5.结语

大功率LED灯具的外观造型在实际设计中要受到多种因素的制约，如组装结构、散热、安装方式、外部环境、审美装饰等。在设计时要应用系统化的思想，要根据大功率LED光源的照明特性，设计出功能照明与装饰照明相结合的产品。

参考文献

[1]刘雁潮、付桂翠等.照明用大功率LED散热研究.电子元器件.2008.12

[2]马福昌等 太阳能大功率LED路灯设计.电子工程设计.2010.8

[3]郭常青等.大功率LED散热技术和热界面材料研究进展 .半导体光电2011.06.