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LED路灯结构设计分析

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LED路灯结构设计分析

    本设计中光学基本已达到要求,接下来就是产品的结构设计。在做结构设计的过程中,结构强度和防水是重点。首先来确定散热器的材料和制造工艺,在铝挤和压铸铝之间二选一。在这里我们考虑灯具的一体性,选择压铸铝来作为灯具的外壳兼散热器。单单从结构来说很简单,只要把光源和电源放在一个腔体中。然后密封好防止水和灰尘进入,并考虑走线和安装的便利性,整个结构即完成。路灯作为户外照明灯具不仅仅起照明的作用,在非照明时间也起到很好的美化环境的作用,所以路灯的外形也很重要,至少客户在挑选灯具时有很大作用。路灯的外形各种各样,设计师的理念和水平不一样,设计出的灯具也不一样。一个比较漂亮的路灯产品需要从各个方向上看都有不错的效果,特是从下方和侧方,同时和灯杆配合也很融洽,本例不过多介绍产品的外观设计。

    在设计结构时的一个重要问题就是考虑安装的便利性。在安装灯具时必须考虑接线

和固定灯具。接线就是灯具的输入线要与市电相接,固定灯具就是把路灯固定到灯杆二者的先后顺序与设计的结构有关,从安装的便利性来说,应该先将灯固定到灯杆上,然后接线更好一些。因为在安装时接好线以后在灯杆上装灯具时需要把电线放入灯杆中,安装人员要一边抱住灯具,一边把线慢慢放入灯杆中非常困难。方便的方法是先把灯具固定到灯杆上锁紧,然后接线。图2一14所示为一款路灯的结构。

湖北快3走开奖结果图2一15所示为路灯与灯杆的固定装置。

图2一14一款路幻的结构

图2一15路灯与灯杆的固定装置

   电源腔的大小没有特定要求,但是要满足两个条件,一是有足够的空间让安装人员完成接线和拆装的工作;二是驱动电源和接线盒安装线材锁紧电源腔的盖板,要使得线材不会因为扭曲变形而处于危险状态。

  关于电源腔的接地,电源驱动带地线,地线的连接在接线盒中通过接线端子与电源电缆的地线连接。地线在电源驱动的内部与驱动外壳相连接,所以为了保证外壳的接地连续性,在电源驱动与散热外壳固定的4个螺钉孔处应该至少添加一个菊花介子。菊花介子需在电源驱动和散热器之间,以保证在螺钉锁紧的情况下申.源驱动外壳与散执器外壳之间的导通性没有问题。确定电源腔的结构以后,关键是光源腔的设计。该设计在整个灯具的设计部分极其重要,涉及光学、散热和结构,如图2一18所示为光源腔分解图。


图2一18光源腔分解图

   铝基板是一种独特的金属基覆铜板,具有良好的导热性、电气绝缘性能和机械加工

性能。

LED铝基板的特点如下。

(l)采用表面贴装技术(SMT)。

(2)在电路设计方案中对热扩散极为有利。

(3)降低产品运行温度,提高产品功率密度和可靠性,延长产品使用寿命。

(4)缩小产品体积,降低硬体及装配成本。

(5)取代易碎的陶瓷基板,获得更好的机械耐久力。

   LED铝基覆铜板是一种金属线路板材料,由铜箔、导热绝缘层及金属基板组成,其

结构分为如下3层。

(l)线路层:相当于普通PCB的覆铜板,线路铜箔厚度1一10盎司(oz)。

(2)绝缘层:绝缘层是一层低热阻导热绝缘材料。

(3)基层:金属基板,一般是铝或可选择铜。

湖北快3走开奖结果  第l层做电路用(导电);第2层快速传递LED产生的热量给铝板,为此需要知道这个导热绝缘材料的热阻;第3层的作用是把导热绝缘材料导出的热再一次传给散热器。现在市场上铝基板的种类很多,在挑选时要根据具体的使用场合来确定。虽然铝基板的导热系数越高越好,但是增加了成本,所以要从性价比考虑选择铝基板。

  铝基板的尺寸及线路布置也存在一定的技巧,首先要确定所选电源的输出规格。本例

中的LED路灯总共是96颗1W的光源,电源的输出是4路恒流源,单路的电流是350 mA ,所以铝基板的设计就是24颗LED串联成一路。现在需要确定铝基板的大小及光源的排列,仅从结构上考虑,只要能够让LED排列到铝基板上即可;同时要考虑透镜的尺寸。图2一19所示为单颗透镜。

   透镜的尺寸是19mm*10mm*smm,所以这里LED的较小间距的纵向和横向分别是19mm和10mm。但是需要注意散热,如果以这样的间距排列众D,那么中心区域的热量会比较集中而形成热岛效应,在此位置的LED受热严重。如前所述,热设计要考虑热均匀性。即各个LED的温差相对较小,使得所有的LED的寿命具有一致性。在本例中LED的间距是26 mm*25 mm,铝基板的较大外形尺寸是362 mm*230 mm,铝基板的详细的热设计模拟会在后面展示。实际设计中LED的间距是一个反复的验证过程,即先根据经验预估LED的间距,然后在热设计模拟中优化和验证。确认LED的间距以后确认铝基板的数量和规格。仅从设计和理论上来说,一块铝基板即可,但是在实际生产中需要考虑制作工艺和公差。图2一18所示的铝基板和散热器贴合在一起,散热器是铝压铸件,除了钻孔攻牙以外,不需要其他后加工(节约成本)。铝基板的尺寸是362 mm*230 mm,所以散热器平板部分的尺寸肯定要大于362 mm*230 mm,而铝压铸件在这个尺寸以上的平面度一般都是在0.4 mm以上(普通压铸)。如果铝基板是一整块,则其平面度也将在0.2 mm以上,那么铝基板和散热器接触后二者之间的较大间隙可能达到0. 6 mm以上。而通常为了弥补二者间隙导致的导热不良,会在二者之间添加导热膏。通常使用的导热硅脂、导热橡胶垫和导热相变胶垫的导热系数值很低,其作用主要是为了取代热原件与散热器接触面之间的空气。空气是绝热物质,导热能力主要相对空气而言,即其导热能力非常差,一般还是不用为好。本例因为散热器和铝基板的平面度和粗糙度,必须使用导热膏,所以只能是让导热膏越薄越好并且要填满铝基板和散热器之间的间隙。

图2-19 单颗透镜

图2一20铝基板间连接

  焊盘在铝基板的端部,这样排列可以方便接线。电源输出线从电源腔穿过过线孔焊接到铝基板上,无须绕远,如图2一21所示。

图2-21 电源输出线方式

  过线孔的部位可能会存在锐边,为了保护电线,需添加一个护线套。以防止电线被划破,造成漏电危险。

    确定铝基板尺寸和数量以后,考虑如何将其固定在散热器上并且与透镜匹配组装。从图2一19中可以看出单颗透镜两端有两个半圆的固定孔,用于固定透镜。但是每个透镜上要锁两个螺钉,96个透镜就需要192个螺钉,可以想象组装时会费时费力。而且组装后可以很明显看到透镜上的螺钉,使得整个灯具的外观比较丑陋,产品的档次显得不高。可以采用压板来固定透镜,同时锁紧铝基板。压板的材料采用冷轧钢板,表面做喷粉处理。这样外观会比较漂亮,能够提升产品的档次,板的厚度为0。5 mm即可。如图2一22所示为一块压板。

  它可以固定16个透镜,只用4个螺钉即可固定好。这样远比每个透镜用螺钉锁紧要好得多,并且节省了螺钉,缩短了组装工时,节约了成本。压板的两端会有一个折弯,这是为了把打在光源腔内部的光线反射出去,提高灯具的光效。图2一23所示为透镜压板截面。

图2一22透镜压板

图2一23透镜压板截面

  压板把透镜压在铝基板上,然后用螺钉把压板固定在散热器的螺纹孔中。这样压板、透镜和铝基板被固定好,不用单独固定铝基板。铝基板和电源输出线的连接主要有两种,一种是电源线和铝基板直接焊接;第2种是电源线和铝基板上都带有公母连接端子。前者可以节约成本,但组装时对焊线人员的要求较高;后者方便接线,拆线和接线速度快,但是成本和对供应商的要求较高。因为通常驱动电源和铝基板是不同行业供应商,除非大型公司生产电源和铝基板;否则采用连接端子会更有优势,一般生产厂家都是采用焊接的方式连线。在这里要注意,因为焊盘是裸露的,所以在用压板时要注意压板和焊盘的距离,不得低于电气安全距离。

湖北快3走开奖结果  图2一24所示为组立完成状态,组装后的铝基板、透镜和压板。可以看到靠近焊线的压板离焊盘还有一个安全距离,光源离腔体边缘也有一定的距离。由于靠边缘越近,损失的光越多,因此这个距离较好通过光学模拟来确定一个较佳值。距离过远光损降低,会增大灯具的尺寸一,从而超出设计的要求。既然压板离腔体边缘有一定的距离,那么从灯具的外部往里看可以看到露出的铝基板和电源线等,虽然并不影响灯具的性能,但是外观上显得粗糙。在光源的正上方还有一个透光罩,其材质有PC、PMMA和玻璃。PC即聚碳酸醋,具有耐冲击韧度强(热塑性塑料之首)很高耐热性、高耐寒性,抗弯和抗拉强度与尼龙相当,较高的延伸率和弹性模量,尺寸稳定性好,耐磨性与尼龙相当,耐腐蚀,以及高透明度,但易产生开裂;PMMA俗称“亚克力”,化学名称为“聚甲基丙烯酸甲酷”。它是重要的光学塑料,具有良好的综合性能和光学性能。其透明性可与光学玻璃媲美,几乎不吸收可见光的全波段光,透光率>91%。并且光泽性好、轻而强切成型加工性好,还有耐化学和耐候性好。缺点是表面硬度低易划伤,吸水易膨胀,可作为光学透镜及工业透镜;玻璃相对于前面二者在生活中使用的频率更高,因为在户外使用,所以其玻璃的抗腐蚀性和耐候性也更有优势且价格更便宜。所以选择玻璃来作为透光罩。为满足国标GB7000 。 5的要求,需要采用物理钢化玻璃。

湖北快3走开奖结果    钢化玻璃又称“强化玻璃”,是用物理或化学方法在玻璃外表上构成一个压应力层,

玻璃自身具有较高的抗压强度,不会形成毁坏。当玻璃遭到外力时,这个压力层可将局部

拉应力抵消,防止玻璃碎裂。虽然钢化玻璃内部处于较大的拉应力形态,但是内部无缺陷

存在,不会造成毁坏。钢化玻璃的加工可分为物理钢化法和化学钢化法,物理钢化玻璃又

称为“淬火钢化玻璃”,其生产过程是将平板玻璃在加热炉中加热到接近玻璃的软化温度

(600℃)时经过本身的形变消弹内部应力。然后将玻璃移出加热炉,再用多头喷嘴将高压

冷空气吹向玻璃的两面,使其敏捷且平均地冷却至室温。这种玻璃处于内部受拉和外部受

压的应力形态,一旦部分发生破损,便会发生应力释放,则破裂成无数小块。这些小的碎

块没有锋利棱角,不易伤人。化学钢化玻璃是经过改动玻璃的外表的化学构成来进步玻璃

的强度,一般使用离子交流法钢化。其过程是将含有碱金属离子的硅酸盐玻璃浸入熔融形

态的铿(Li+)盐中,使玻璃表层的NaK离子与Li离子发作交流外表构成Li离子交流层,这是因为Li的膨胀系数小于NaK离子。然后在冷却进程中形成外层缩短较小而内层缩短较大,当冷却到常温后玻璃各部分同处于内层受拉和外层受压的形态,结果与物理钢化玻璃相似。物理钢化玻璃的优点是破裂后无尖锐角,所以不会伤人,故称“安全玻璃”;化学钢化玻璃则无此优点,即与普通玻璃类似,这也是为什么要用物理钢化玻璃的原因。

   钢化玻璃还有一个抗冲击的要求,这和玻璃的面积与厚度有一定关系,本例采用3 mm

厚的钢化玻璃即可满足要求。为了可以隐藏输出电源线等一些能够从外部看到的零件,可

以在钢化玻璃的两端丝印黑色,并在黑色部分丝印上产品的型号或者公司名称,如图2一25

所示。

图2一24组立完成状态

图2一25钢化玻璃的黑色丝印

  两端的透镜压板与中间部分的透镜压板结构上有些不一样,两端的透镜压板既要隐藏不美观的零件,又要反射灯具内部损失的部分光,本例两端的透镜压板如图2一26所示。

图2一26两端的透镜压板结构

  现在光源腔内部的结构也基本完成,接下来设计光源腔部分的防水。防水设计多种多样,需要根据具体的结构设计,本例可以利用玻璃外加硅胶条来密封防水。防水结构设计的几个关键点,一是确保结构的防水性能没有问题;二是便于组装;三是成本低廉。本例采用长条型防水条可以满足要求。防水条的材质通常有硅胶、橡胶和发泡条等,硅胶和橡胶的耐候性比较好。橡胶的硬度比较高,在密封面积较大且锁紧力较小的情况下不适用而发泡条的耐候性较差,硬度在三者中是较小的。本例首选硅胶条,其截面形状可以有不同选择。可以采用圆形防水条,也称“O形防水条”,如图2一27所示。

   可以在散热器匕设计一个防水槽,然后把圆形的硅胶条放入槽内。上面装上玻璃,较后用玻璃压框固定住玻璃即可。本例采用圆形的防水条有一个配合的问题,防水条截面尺寸太小容易防水失效;太大则会增加散热器的体积。本例推荐3mm直径的防水条,并且在散热器防水槽的截面可以设计成倒置的梯形。梯形的截面尺寸有比较严格的要求,根据硅胶条的硬度不同,槽的尺寸也会有变化。较好通过实际实验,根据经验采用邵氏硬度为25的3 mm直径的硅胶条。槽采用倒置的等腰梯形,梯形的截面尺寸为上底2。8 mm、下底2。2 mm和高2 mm。

还有一种是U形防水条,其截面如图2一28所示。

图2一270形防水条

图2一28   U形防水条截面

  从截面我们可以看到,防水条上有多个小凸台,当小凸台被压紧时可以起到多重防水作用。与圆形防水条安装方式不一样的是U形防水条要先安装在玻璃上,如图2一29所示,然后固定到散热器上。安装防水条时在首尾端接合处可以点一点固化胶,以防止其滑落。

如图2一30所示为压铸成型的玻璃压框。

图2一29   U形防水条


图2一30   玻璃压框

  因为压框的面积大,而厚度相对较薄,所以整个压框的平面度不能很好保证。注意在设计时预留一个回弹量,以防止其翘曲。压框上的螺丝孔位间距的控制是压框设计中非常重要的一点,这是为了要保证防水条的受力均匀,受力分布不均匀会导致防水条预压太松或太紧。防水条局部松导致防水不良,但也不是压得越紧越好。压太紧会超出防水条的屈服强度,当产品经过高低温测试后失去弹性;同时为了外部美观,螺丝孔可以采用沉头孔,而螺钉也选用相应的沉头螺钉。这样螺钉头就不会露出压框的上表面,外观上也会更好。

这样整个LED路灯的结构设计己经完成。

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