環(huán)境問題在各國的經(jīng)濟發(fā)展中已成為頭等重要的問題，因而節(jié)能省電的LED照明就成為了照明界的“新寵”。因為LED燈珠的發(fā)光效率較高、制造成本也較低，其應用前景和市場非常廣大。但是，大功率LED的散熱問題限制了LED照明行業(yè)的發(fā)展，散熱問題得不到解決，將會使LED燈的溫度上升，導致其發(fā)光效率降低、使用壽命縮短。本文從燈具及驅動器的設計2個方面提出降低大功率LED燈溫升及溫控的方法和技術，有效降低和限制了大功率LED燈的溫升。
燈具溫升系統(tǒng)
1 降低溫升
目前，LED燈的散熱方式主要有自然對流散熱、加裝風扇強制散熱、熱管和回路熱管散熱等。
1.1 電源與燈體分離
由于電源本身產(chǎn)生一定的熱量，使得LED燈上的熱量來源增加。同時，電源與燈一體設計使得LED燈整體受熱不均，這些因素都會導致燈具發(fā)生疲勞和早期失效，而影響其壽命。圖1為LED燈溫度隨工作時間的變化曲線，圖中T1為放置電源處溫度，T2為遠離電源處溫度，T3為燈體中心溫度。從圖中看出，隨著工作時間的增加，圖1(a)中T1遠大于T2和T3;圖1(b)中T1與T2兩曲線重合，T3略大于T1和T2?？梢姺蛛x電源后，整燈的溫度分布很均勻。
1.2 選擇優(yōu)質LED模組
LED模組的選擇在降低溫升上也起著較為關鍵的作用。選擇由導熱系數(shù)高且一致的材料封裝的LED燈珠，可提高內部的熱擴散性。采用高導熱、高散熱的金屬基板作燈芯板，使散熱片溫度分布均勻，從而使得散熱作用發(fā)揮到最大。
1.3 增大散熱面積
鋁基板與散熱片交界面處容易有空隙，而空氣的導熱系數(shù)很小，僅約0.03W/m·K，因此可以在接觸面涂上具有較高導熱能力的膠狀導熱硅脂來增大實際接觸面積。同時，增大散熱片的散熱面積，將散熱片的結構變形，以方便散熱。
2 溫度控制系統(tǒng)
LED燈以額定功率工作產(chǎn)生的熱量超出其散熱能力時，本文在加強散熱的同時還采用控溫技術來進行限制溫升。高溫時，溫控系統(tǒng)開始工作，適當減少驅動器的輸出，達到了限制并降低溫升的目的;當溫度降低時，恢復原工作狀態(tài)。文中選擇以下2種方式來驅動LED燈。
2.1 恒流驅動
此方案通過控制驅動器的輸出電流來實現(xiàn)對LED燈的溫度控制。圖2為恒流驅動器驅動LED燈框圖，驅動器輸出到LED模組，LED模組上產(chǎn)生的熱量通過良好的導熱材料傳導到燈芯板，最后經(jīng)由散熱片散熱到大氣中。當外界散熱環(huán)境惡劣時，LED模組的溫度會達到溫度控制系統(tǒng)設定的溫度，得到反饋的信息后，驅動器減少輸出，達到限制并降低LED模組溫度的目的。圖3為恒流電源給LED燈供電控制原理圖。電源的指標為：220V AC輸入，電流1.2一1.7A可調，電壓自適應(36～39V)。圖3中左側細虛線框中部分為控制電路，其中W1為可調電阻器;NTC為負溫度系數(shù)熱敏電阻;Kt為常開溫度繼電器，其閉合溫度為56℃，自動斷開溫度為45℃;Rx為匹配電阻。圖3右側粗虛線框中部分為LED模塊部分。溫度繼電器和熱敏電阻安裝在LED模塊上，并與模塊緊密接觸，以便將LED的溫度信息反饋給控制電路。常溫下Kt處于斷開狀態(tài)，此時控制電路中只有W1起控制作用，設定常溫工作總電流恒定為1.60A。當繼電器溫度上升到56℃時，Kt自動閉合，整個控制電路開始工作，以減小恒流電源的輸出;當溫度降低到45℃時，Kt自動斷開，電源額定輸出。該過程可用圖4表示，圖中r為Kt的溫度，Rntc為NTC的阻值。
控制電路阻值與輸出總電流的關系列于表1，其中R為控制電路的等效電阻。經(jīng)過在恒溫箱中測試，每2°C記錄1組數(shù)據(jù)得到如圖5所示的NTC熱敏電阻的溫度一阻值曲線。
該方案中，驅動電源通過接收到反饋的溫度信息來控制輸出電流，根據(jù)圖5中NTC的溫度與阻值的關系，只要找到輸出電流隨總阻值的變化關系(如圖6所示)，再進行適當?shù)碾娮杵ヅ洌憧烧业綔囟扰c驅動器輸出電流的關系。
結合表1，常溫工作時，總阻值為5.7kll，可將圖3中W1設置為5.7kQ，當LED燈珠溫度r≥56℃時，因K。閉合，恒流電源輸出減小，此時要使控制網(wǎng)絡總電阻為3kll，經(jīng)過計算，Rx值為3.6 kQ。
2.2 恒壓驅動
此方案通過控制驅動器的輸出電壓來實現(xiàn)對LED燈的控制?？傮w框架與恒流驅動類似，不同的是，該方案采用恒壓驅動器，溫度控制系統(tǒng)電路有所不同。
圖7為恒壓驅動器溫控的連線圖。Trim端用來調節(jié)電源的輸出。左側點線型虛線框中部分為控制電路，其中：PTC為正溫度系數(shù)溫敏電阻;R1、R2、Rx均為普通電阻，與PTC溫敏電阻匹配調節(jié)驅動器輸出電壓;Kt為常閉型溫度繼電器，其斷開溫度為60℃，自動閉合溫度為48%。右側虛線框中部分為LED模塊部分。Kt和PTC安裝在LED模塊上，并與模塊緊密接觸。常溫下K。處于閉合狀態(tài)，此時控制電路中控制驅動器額定輸出，該LED模組常溫工作額定總電壓為24V。當繼電器溫度上升到60℃時K.
自動斷開，整個控制電路工作，從而減少恒壓電源的輸出，當溫度降低到48°C時，溫度繼電器自動閉合，并使電源正常輸出。經(jīng)過測試，得出驅動器V。端與Trim端之間連接的總電阻值尺與驅動器輸出電壓U之間的關系，見表2?？梢钥闯觯弘S著電阻的增加，輸出電壓呈減小趨勢。當溫度達到60℃時，圖7控制電路中溫度繼電器K。斷開，此時，只要電阻匹配得當，我們便可以得到設定的輸出電壓。各阻值計算方法同上，在此不作具體計算。
3 試制驅動器實測結果
本項研究進行了大功率LED路燈和LED投射燈及驅動器的研制工作。圖8為LED路燈樣燈及其恒流驅動器，燈體采用一體化設計，測得常溫輸入驅動器的交流電流為270mA，燈長時間運行狀況良好，其總光通量為3408lm，在控溫作用時，輸出電流減小為常溫的87%。圖9為LED投射燈樣燈及其恒壓驅動器，測得常溫下輸入驅動器的交流電流為140mA，總光通量為1011lm，在控溫作用時，電壓減小為常溫的90%。
在LED照明過程中，恒壓驅動器給LED燈提供恒定電壓，而當溫度升高時，LED燈PN結電壓V，將會以約-2mV/°C速度下降，從而流經(jīng)LED燈的電流迅速增大，影響其使用壽命;而使用恒流驅動器則避免了這一現(xiàn)象。因此一般建議使用恒流驅動器驅動LED燈。
4 結語
本文上述的方案，有效降低了大功率LED燈的溫升，一旦溫度升高超過設定的控制溫度時，會使驅動器減少輸出，在不影響使用的情況下，適當減少LED燈的光通量和功耗，避免了因過熱而導致LED燈光衰和使用壽命縮短。該溫度控制方案在研究過程中顯示出了多方面優(yōu)勢，相信不久的將來會得到大規(guī)模實際應用，LED照明也會因此得到一次更大程度上的提升。