一種熱管嵌入式LED筒燈的設計與開發

聶叢偉

摘要：在大型會議室、賓館大堂、展廳及中高檔商場等照明質量要求較高的重要場所的LED照明工程改造過程中通過對目前最常用的嵌入式的金鹵筒燈的特點和光電學參數的研究分析，設計開發了一款基于熱管嵌入式的大功率筒燈。

關鍵詞：熱管嵌入；LED筒燈；設計

1 金鹵燈筒燈應用現狀：

從二十世紀六十年代金鹵燈誕生以來，金鹵燈一直被公認為高效的寬光譜光源而被迅速推廣應用。尤其是在二十世紀九十年代開始，大量的應用到了大型會議室、賓館大堂、展廳及中高檔商場等照明質量要求較高的重要場所，并占有了大量的市場份額，已經安裝的150W的金鹵筒燈數量極大，色溫一般分為：3000k，4000k，顯色指數在80左右，光通量8000lm。這些場合大量使用金鹵燈筒燈。

2 LED筒燈基本介紹

筒燈是室內照明燈具的主要燈具，占室內照明市場30%以上的份額。目前嵌入式LED筒燈的常用規格為7W，12W，18W，20W，飛利浦嵌入式筒燈最大功率20W，歐普、史福特筒燈最大為18W，雷士商業燈具最大20W，工程用燈具35W，其他非品牌燈具大多以20W以內為主，個別有35～40Wled筒燈，但可靠性未經認證。按LED燈具效率100～110lm/W計算，燈具的最大光通量最大也不超過4000lm，光通量最高僅能替代70W以下金鹵燈，而150w嵌入式筒燈的光通量一般在8000lm左右，由于LED光源對散熱要求嚴格，150W嵌入式金鹵燈剛好介于LED體積與功率的瓶頸區域，無法跨越，如果不改變筒燈開孔尺寸，無法達到替換的目標。

嵌入式筒燈是在屋頂上開孔將燈具鑲嵌在天花上，最大特點就是能保持建筑裝飾的整體統一與完美，不會因為燈具的設置而破壞吊頂藝術的完美統一。

3 LED替換換金鹵筒燈

對于大型會議室、賓館大堂、展廳及中高檔商場等照明質量要求較高的場所（層高一般在6米～20米之間），150W嵌入式的金鹵筒燈已是設計師的首選。金鹵燈光源光通量盡管較高，但受燈具效率的影響，150W金鹵筒燈的整燈光通量在8000lm左右，它的直徑一般是6吋、8吋、10吋，整燈光效在50～60lm/W。在LED已普遍應用的今天，光效顯然不滿足節能指標的要求。除此之外，金鹵燈有以下不可克服的缺點：

1）燈具啟動時間，需要1～2分鐘方可達到正常亮度；

2）熄滅不能馬上啟動，需要等3～5分鐘燈具冷卻后才能再次開啟，無法接入應急照明系統；

3）高溫環境使得鎮流器電器元件退化加速，啟動時伴有蜂鳴，與箱體共振產生噪音；

4）使用久了，燈具色溫會有偏移，不同批次的產品色溫也有偏差；

5）燈具點亮時產生高溫，具有安全隱患，同時也需要更大功率的空調帶走熱量，增加額外的空調負荷；

6）燈具內部含汞，破損后對環境會有污染。

盡管150W嵌入式金鹵筒燈有以上缺點，但由于在LED技術成熟之前，金鹵燈是光效最高的光源，已大量的應用到大型會議室、賓館大堂、展廳及中高檔商場等重要場所，裝修風格已經定型。在不改變裝修條件下，現有的LED筒燈在8～10吋一般最大功率30～40W，光通量4000lm，無法實現簡單替換150w金鹵筒燈（8000lm）。為此，非常有必要設計一款能替代常見金鹵燈筒燈的LED筒燈。

4 熱管嵌入式LED筒燈的開發與設計

采用LED光源模組，通過對散熱通道設計、快速更換結構設計、專用電源及可靠性等關鍵技術開展研究工作，開發出采用原結構外殼作為支撐結構，不改變任何吊頂裝修效果，采用等光通量對150W嵌入式金鹵筒燈快速替換。

4.1 LED光源模組

通過實驗和理論模擬成功優化了藍光波長與熒光粉組合匹配，找到了功率LED的光效、色溫、顯色指數、色容差的最佳結合點，并實現了規模化生產。色溫3000K，顯色指數大于90，LED光源模組光效達到150lm/W。

4.2 熱管嵌入式散熱設計

將熱管吸取的熱量向鋁錠安裝座導熱，以加快散熱效果，而在熱管這個結構中，底部（熱管）熱，頂部（熱管）涼，在熱管內部中形成對流現象，加快散熱效果，為了使熱管內部的熱量更好的進行傳導，而在熱管中加載了一個倒置漏斗，熱管底部熱量受熱，介質受熱向上流動，在漏斗的收集下沿漏斗上升，而漏斗外側的介質將填充受熱介質上流產生的空間，利用流動加快了熱管底部的熱量傳導給介質腔的介質，另外還可以利用套管，使受熱介質沿熱管管壁上流，在這一過程，熱量快速通過管壁向鋁錠安裝座散熱，而頂部的介質則在中間向下流動。更好的加快散熱效率。如下圖所示：

4.3 專用電源及可靠性

LED供電系統（POWER）設計：采用寬電壓范圍，高轉化效率和高穩定度的開關電源，為LED燈具供電，避免電壓波動造成的照明狀態變化的影響。采用PWM恒流模式，PWM 調光是通過改變 PWM 方波信號占空比來獲得對等電流。它利用驅動器反復開關來獲得占空比不斷變化的方波，從而改變輸出電流，調節 LED 亮度。PWM調光能夠提供高質量光源，應用簡單且效率高。如果采用PWM 恒流，在頻率不高的時候可能會產生一定頻率的頻閃，長時間處于高頻頻閃的光環境中，會使人眼產生視覺疲勞。而固定工作頻率、工作模式的 LED驅動器以及 PWM 調光機制被用于高端照明場合，來獲得大于 60KHz 的調光信號頻率，其可有效避免光源閃爍或抖動。

5 結語

通過對LED筒燈的設計與開發，利用原有的金屬結構，合理設計熱通道及對LED進行可靠性設計，開發8000lm以上的LED光源模組，對150W金鹵筒燈進行快速簡單替換，是相應國家綠色制造技術的號召，達到真正的節約資源，純綠色的照明改造。

參考文獻：

[1]王曉明，郭偉玲.LED新一代照明光源.

[2]裴小明.半導體照明的LED光源.