广告灯箱照明用LED大功率条形灯的研究与开发*
2018-10-11梁富文蔡群山方贵喜简兆勇刘青梅
梁富文，蔡群山，方贵喜，简兆勇，刘青梅
（1.广州虎辉照明科技公司，广东广州 510170；2.广州风阳能照明科技有限公司，广东广州 510880）
0 前言
广告灯箱行业发展迅速，中国能源研究会能效与投资评估专业委员会的调查结果表明，我国灯箱照明行业增长速度非常迅猛，年均增长速度高达30%以上，并且每年的增长速度在不断提高。随着我国广告业的迅猛发展，灯箱照明行业必将成为不可忽视的照明耗电领域[1]。由于在节能、照度均匀度等方面的优势，LED光源产品在广告灯箱照明中越来越普遍使用。目前在广告灯箱中使用的条形灯中，大部分为小功率的背光源条形灯，存在灯具使用数量多而故障率升高、滚动画布灯箱布灯难等问题。本设计案例，通过设计一款LED大功率条形灯，在灯箱侧面布灯，解决了上述背光源布灯的缺陷。综合广告灯箱行业一般要求，提出灯箱光电技术主要要求如下：灯箱表面（不带广告画）平均照度2 500 Lx、照度均匀度大于0.8、见光面功率密度小于50W/m2。
1 条形灯的结构
LED条形灯的构成通常包括：驱动电源、LED灯板（包括基板和LED灯珠）、透镜、散热器、灯罩等，如图1所示。
图1 条形灯爆炸图
2 条形灯主要部件的设计
2.1 LED灯板
2.1.1 基板
定位LED的基板（PCB）材料通常有金属（铝）、陶瓷、FR4和类钻碳，其各自的特点如表1所示。
表1 各种不同材质的LED基板特性
综合考虑安全、散热和成本等因素，条形灯设计采用金属铝基板。为了保证通过电流的可靠性，PCB铜膜厚度应不少于35μm；为有利于散热，防止热量积聚在PCB上，LED之间的距离应尽可能拉开。
2.1.2 LED
部分LED条形灯厂家采用少量大功率表面贴装器件（Surface-Mounted Device，SMD）型LED封装的设计。这种设计的缺点是不利于光的均匀性和发光效率、芯片的发热量大而对散热机构要求高；优点是在成本方面占有优势，原因是所需的LED芯片数量少。近年来，越来越多厂家采用多个小型LED芯片，优点是发光效率高、简化散热机构，还不容易出现发光不均现象；缺点是由于使用的芯片数量较多，LED本身的成本会升高。综合考虑成本、光效和散热等因素，本设计采用额定电流350 mA(最大电流1 000 mA)的大功率3535型LED。实测参数如表2所示。
表2 LED测试结果
2.2 散热器
条形灯的散热器散热效率的高低，直接影响了LED条形灯的寿命，根据经验数据，每瓦LED灯具所需要的散热面积大约在35～60 cm2，因为广告灯箱照明用LED条形灯主要是工作在室内，环境温度不是很高，所以可以采用相对较少的散热面积，设计时初步设定每瓦的散热面积为40～45 cm2左右。为了保证良好散热，选择了散热效率较高的挤压工艺生产的散热器设计。挤压工艺的散热器，由于固定LED电路板的底座和散热鳍片是一体成型的，没有存在拼接的间隙，因此热传导的效率也就比较高。采用加工性能易和散热效果好的AL6063铝材（热传导率201 W/（m·K-1））加工[2]。因此，所采用的散热器从工艺到材料来说对散热都是比较有利的，这对于延长条形灯的使用寿命提供了一定的保障。
2.3 透镜
设计使用某国际知名厂家的SZ5-M1型LED光源，透镜杯体底部距离芯片表面为0.15 mm，如有误差，发光角度会有偏差，所设计透镜剖面如图2所示；透镜在光学设计软件模拟所得配光曲线，如图3、4所示；在模拟软件中，距离1 m处光斑，光斑照度均匀，无暗区，如图5所示。
图2 透镜剖面图
图3 透镜配光曲线图一
2.4 驱动电源
为满足不同尺寸灯箱布灯、照度可根据需要调整及智能控制等需求预留设计空间，采用灯具与驱动电源分离的方案，电源采用知名厂家的标准电源，如台湾某品牌的HLG-120H系列电源，其方框图如图6所示、可调光接线方法如图7所示[3]。
图4 透镜配光曲线图2
图5 光斑效果图
图6 电源方框图
3 成品及测试
图8为本案设计的成品照片，产品外观流畅，性能满足文献[4]要求，单条条形灯测试数据如表3所示。
图7 可调光接线图
图8 成品照片
表3 单条条形灯测试结果
在测试灯箱中，上下布置各一条条形灯，灯箱尺寸及布灯位置如图9所示。
图9 测试灯箱与布灯位置尺寸图(单位：mm)
依据文献[5]中心布点法取测试点，将灯箱见光面等分为15个网格，取网格中心位置为测量点，如图10所示，对应照度测试数据如表4所示，在测试灯箱中的综合测试数据如表5所示，相关数据达到设计预期。
图10 照度测量点位置图(单位：mm)
表4 灯箱表面照度测试数据表
表5 灯箱综合测试数据表
4 结束语
综上所述，该案设计生产的广告灯箱照明用LED大功率条形灯采用专门设计的透镜、防潮式结构、驱动电源与灯具分离的方案，外观美，容易安装与维护，实测数据达到设计预期，经在广州某路公交车站的大型广告灯箱中试装使用超2年，实现照度可调，客户反映较好，达到了设计目的。为同类照明产品设计提供了参考模式。
