前言
高功率LED的发热量是低功率LED的数十倍,因此,会出现随着温度上升,而出现发光功率降低的问题,所以在能够抗热性高封装材料的开发上,就相对显的非常重要。在20~30lm/W以下的LED,这些问题都不存在。一旦面临60lm/w以上的高发光功率LED的时候,就不得不需要想办法解决的,因为,热效应所带来的影响,绝对不会仅仅只有LED本身,而是会对整体应用产品带来困扰。所以,LED如果能够在这一方面获得解决的话,那么,也可以减轻应用产品本身的散热负担[1]。在以EHD技术增加LED散热效率之研究中,微信道致冷技术,设计了大功率LED数组封装的微信道致冷结构,并应用热分析软件模拟了其热性能,探讨不同鳍片结构尺寸、流速、功率等参数对LED多芯片散热效果的影响。采用交错信道以提高LED封装的散热能力,模拟结果显示,交错微信道致冷的封装结构能很好地满足大功率LED数组的散热需要[2]。
白光LED是一种节约能源的环保照明光源,比起传统照明光源具有省电及寿命长等优点,但使用在室内照明,因为亮度增加使得LED的发热功率逐渐升高,传统被动式散热法如自然对流已无法适用于高亮度LED,因此散热问题尚待解决[3]。LED商品化发展,散热问题面临严峻考验。一般LED发光效率只约二成,八成大多转换成热,一旦LED走入照明商品化时,若无法有效散热,易发生过热烧毁、光衰加速及寿命缩减的问题。而一般使用的传统自然散热方式已不足应付。一般150瓦的LED灯具若使用传统自然散热方式,藉由灯具表面面积接触空气散热,每瓦热阻值达0.5~1.16℃/W上下,温度将升达60~139℃,再加上40℃环境温度与Tj-a 8~15℃很容易故障烧毁;同时,灯具散热鳍片裸露在外,易累积沙尘、鸟粪,进而丧失散热效能[4]。
在发光二极管(LED)的设计中,因为单管LED无法达到照明强度的要求,设计者经常使用多个LED来达到效果。因为散热的原因,LED之间的最佳距离是设计者必须面临的问题。认为LED的发热不仅与LED间的距离有关,而且还与它们使用的金属芯印制板(MCPCB)的绝缘层、铜箔层以及焊接层的厚度有关,并导出了它们之间的关系[5]。有关发光特性均匀性,一般认为只要改善白光LED的荧光体材料浓度均匀性与荧光体的制作技术,应该可以克服上述困扰。在散热鳍片与印刷电路板之间的密着性直接左右热传导效果,因此印刷电路板的设计变得非常复杂,有鉴于此美国Lumileds与日本CITIZEN等照明设备、LED封装厂商,相继开发高功率LED用简易散热技术[6]。
材料特性以及封装技术的限制,LED在亮度及使用寿命上目前还无法达到一般照明灯源的规格,其中一个十分重要的原因是LED封装体发光时会产生热量,因此若散热设计不佳,高温将会导致LED 晶体本身亮度降低、寿命降低、波长飘移等等。除了热传导之外,还具有在单体封装等级(1st Level)就达到良好的热对流效果[7]。LED对于照明之应用日趋重要,而其中急需解决的便是LED散热问题,由于LED具有省电及寿命长之特性,若能有效改善其散热问题,将能延长LED的使用寿命、减少能源的损耗。蒸气腔体乃是在操作时产生沸腾的机制,使热量能迅速且均匀的扩散来达到散热和均温的效果。研究自然对流散热对于蒸气腔体散热模块的性能影响,以提供未来对于蒸气腔体散热模块进一步的分析与改善[8]。
改善封胶之传导系数对于LED之散热有相当之帮助。除此之外,改变PCB材料或置换基板为铝或铜材为降低芯片温度与热阻最有效之方法。印刷电路板面积大小对LED散热有一定程度影响,LED封胶几何形状缺角有降低热阻之功效[9]。
研究动机与目的
研究动机
微控制器来控制压电扇片是目前新科技的新型电风扇,而目前的研究都没有指出它的功效有多大,是否能让热源有效降低多少温度,或使温度维持在一定的温度,是否有办法跟一般电扇相比,比起一般的电扇好处在哪,还有它能广泛运用在其他领域。由于目前市场上广泛的应用LED光源,LED是个容易因为过热而加速损坏的光源,所以LED的散热部份相当重要,因此想利用温度传感器来侦测LED模块温度并利用微控制器来驱动压电扇片,让该模块的温度缓慢降低,以达散热之效果。
研究目的
本研究是利用微控制器驱动压电扇片做散热,由于目前LED的散热方式主要有铝基板配合散热鳍片。以LED模块为热源,由于该模块在长时间使用下会产生较高的温度,所以利用温度传感器来侦测该热源所产生之温度,当传感器温度显示过高时,微控制器将会立即驱动压电扇片,使让该模块的整体温度降低或保持在一定的温度下,并分析在输入60HZ,110V的情形下,利用微控制器使压电扇片能有优化的散热效果。
实验架构与方法
实验模块架构
本研究之实验系统架构,如图一所示,选用50mm的圆形串联铝基板,再将LED焊接于电路板正面,其规格为最大功率3W与工作电流750mA的白光LED灯泡共5颗,搭配足够功率的直流电源供应器,加上降低电流的电路,使每颗LED达到相同的工作电压。在铝机板另一侧则装置散热鳍片,藉此将LED产生的热量传导至鳍片上,鳍片的规格为55mm×55mm的铝合金片状式散热片,将其用螺丝固定于电路板背面,并在LED、电路版、散热鳍片间都均匀涂上散热膏,增加热传导的速率。然后将其固定于压克力箱中,目的在于减少外界气流对实验的干扰。为量测散热鳍片的温度变化,将热电偶式温度计与热敏电阻的感应端涂上散热膏,连接在铝基板上,以量测铝基板上的温度变化。
实验方法
先将LED电路外接直流电源供应器,透过降压电路,固定输出给LED模块总电压为17V,使其运作发亮,因散热?片温度若超过60℃,LED灯泡会发生闪烁或是烧坏现象,所以测量温度上限定为53℃。当铝基板温度达到48℃时,透过热敏电阻送出的信号,经过微控制器内部做比较,将开启控制压电扇片之电路,如图二所示。
输入至LED模块电功率为4.7W,经过约20分钟后LED面板温度就会,将升温测量时间定为30分钟,让LED继续发光30分钟,藉此得到在自然的状态下的升温变化,以确定实验结果之重复性,因此实验时间共为1小时。实验过程中每上升一度纪录温度计的温度与热敏电阻上的电压,再根据所测得电压值对时间绘图,得到电压与温度的关系。
温度与时间观测
将模块置于一个25×25×25㎝压克力箱子中的封闭空间,使内部空气处于非对流的状态。由于风扇与LED模块之间有距离,分别为0mm、5mm、10mm、15mm、2mm、25mm,不同距离所接受的风量,藉此可判断下降温度的时间差异性。
风速量测
在风速测定上本研究使用热线风速计(KIMO CONSTRUCTOR制造之机型;型号VT100)量测扇片尖端受电场作用后因叶片摆动衍生之风速,其原理为将一白金线置于待测的流体中,利用不同的流速时,有不同的冷却效应,因此白金线所呈现之电阻发生变化,电流因而改变,经由电表读数校正后,即可得流速。此热线风速计最大之优点为体积小,量测精度高(可达0.01 m/s),因此被用来作为本文压电致动扇片风速之量测,在风速量测架设上,热线风速计的白金线距离扇片自由端在分别为7mm、12mm、17mm、22mm、27mm、3.2mm,如图三所示。
3.5 HT46R24 Based 控制器电路图
本文之压电扇片与LED控制电路,主要是由HT46R24 MCU、压电扇片、LED驱动电路与温度感测电路等所构成电路方块图,如下图四所示,说明如下:
- ●温度感测电路:使用一10k奥姆热敏电阻与一 15k奥姆电阻串联,再并联一12V齐纳二极管稳压,再由MCU之AN0接脚量取热敏电阻构成之分压。
- ●LED驱动电路:MCU之PWM接脚输出讯号至功率晶体管驱动LED。
- ●压电风扇驱动电路:MCU之PA0接脚一继电器控制压电风扇动作。
MCU程序
首先需撷取热敏电阻的电压,在HT46R24的微控制器程序中建立查表,再利用此微控制器内部的ADC功能转换透过查表的方式后,再根据微控制器程序内部的做一个判断,使微控制器到某一温度的电压后,给驱动电路一个信号,用一个I/O Pin来开启压电扇片的驱动电路。
结果与讨论
温度与时间观测结果
由于模块是置于一个封闭的空间,受环境温度的影响相对降低,在实验过程中每上升一度纪录温度计的温度与热敏电阻上的电压,如表一及表二所示。再根据所测得电压值对时间绘图,如图五及图六所示,得到电压与温度的关系。
当铝基板的温度达到48℃时,由于扇片架设的距离不同,能让铝基板的温度下降速度变快,而距离越远,能提供的散热效果有限,如图七、表三所示。
(表一) 温度与电压对照表
时间 |
(表一) 温度与电压对照表 |
温度 |
2 |
32 |
3.5 |
4 |
35 |
3.1 |
6 |
36 |
2.9 |
8 |
37 |
2.7 |
10 |
38 |
2.6 |
12 |
39 |
2.5 |
14 |
40 |
2.4 |
16 |
41 |
2.3 |
18 |
42 |
2.3 |
20 |
43 |
2.2 |
22 |
44 |
2.2 |
24 |
44 |
2.1 |
26 |
45 |
2.05 |
28 |
45 |
1.98 |
30 |
46 |
1.92 |
32 |
46 |
1.88 |
34 |
47 |
1.84 |
电压
时间 |
(表一) 温度与电压对照表 |
温度 |
2 |
32 |
3.56 |
4 |
33 |
3.42 |
6 |
33 |
3.38 |
8 |
34 |
3.32 |
10 |
34 |
3.28 |
12 |
34 |
3.27 |
14 |
35 |
3.23 |
16 |
35 |
3.21 |
18 |
35 |
3.21 |
20 |
35 |
3.21 |
22 |
35 |
3.19 |
24 |
35 |
3.18 |
26 |
35 |
3.18 |
28 |
35 |
3.17 |
30 |
35 |
3.17 |
(表三) 温度与时间对照表
距离 |
0mm |
0.5mm |
1mm |
(表一) 温度与电压对照表 |
时间 |
时间 |
时间 |
47 |
0 |
0 |
0 |
46 |
0.15 |
0.33 |
0.35 |
45 |
0.3 |
0.55 |
2.5 |
44 |
1.46 |
2.58 |
3.5 |
43 |
3.58 |
5.4 |
5.5 |
42 |
6 |
8.45 |
10.4 |
41 |
9.45 |
15.08 |
-----
|
40 |
12.3 |
----- |
----- |
39 |
14.45 |
----- |
----- |
距离 |
1.5mm |
2mm |
2.5mm |
(表一) 温度与电压对照表 |
时间 |
时间 |
时间 |
47 |
0 |
0 |
0 |
46 |
0.37 |
0.4 |
1.12 |
45 |
1.06 |
1.15 |
2.09 |
44 |
3.1 |
4.25 |
4.4 |
43 |
5.59 |
6.4 |
8.13 |
42 |
12.3 |
13.5 |
17.12 |
距离
风速量测结果
各距离测得的尖端风速
(表四) 风速量测 |
距离(mm)
|
风速(m/s) |
0.7 |
2.58 |
2.74 |
2.66 |
1.2 |
2.28 |
2.41 |
2.345 |
1.7 |
1.7 |
2.1 |
1.9 |
2.2 |
1.16 |
1.56 |
1.36 |
2.7 |
0.7 |
1.1 |
0.9 |
3.2 |
0.75 |
0.95 |
0.85 |
实验结果
平均(m/s)
透过降压的电路,随着长时间的下来,容易过热,会使提供LED模块的电压稍微的上升,使LED毁损。风扇的部分,压电体在长时间没有驱动,而且暴露在潮湿的环境之下,很容易造成扇片发生故障,原因可能是跳开原有的频率60Hz,因此所能提供降温效果相对的减半。
结论
模块温度与风扇距离的量测结果,距离越近,所能呈现的效果越佳;反之,距离越远,相对的效果越差。量测下来,最后下降的均温皆在42℃,只有距离模块在0mm所能提供最佳的降温效果。
本实验的主要目的在于使用压电扇片增强散热鳍片的散热能力,找出较佳的系统架构方式来提升其散热效果,如图九、图十所示,使之能够应用在未来普遍的照明系统上。实验结论如下:
1.若压电扇片太靠近散热鳍片,如果受到碰撞,导致扇片位移,有可能导致压电扇片与散热鳍片直接接触,因此会让压电扇片无法启动。因此,将扇片离鳍片的距离,增加为1~2mm,来避免碰撞的情形。
《图十 实验架构前视图:(1)底座(2)六角支撑柱(3)散热鳍片底座(4)LED(3W60ln)(5)铝基板(6)散热鳍片(7)压电扇片(8)风扇固定孔(9)固定风扇基座(10)六角支撑柱》 |
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本文给出电源设计中如何利用低端栅极驱动器IC的设计指南。其中包括如何选择适当的驱动器额定电流及功能,驱动器需要哪些支持组件,以及如何估算损耗和结温。在开关电源设计中,通过正确运用栅极驱动器IC,能够提高效率、减小尺寸并简化设计。
实验架构前视图:(1)底座(2)六角支撑柱(3)散热鳍片底座(4)LED(3W60ln)(5)铝基板(6)散热鳍片(7)压电扇片(8)风扇固定孔(9)固定风扇基座(10)六角支撑柱
[2]基于微通道致冷的大功率LED 阵列封装热分析,http://scholar.ilib.cn/A-bdtgd200606016.html。
[3]黄政德,2004,“以EHD技术增加LED散热效率之研究”,硕士论文,国立清华大学。
[4]鑫源盛科技股份有限公司、热管、Total thermal Solution,http://www.ttic-tech.com.tw/news4.html。
[5]金属芯印制板结构对发光二极体发热的影响,http://www.wanfangdata.com.cn/qikan/periodical.articles/yzdlxx/yzdl2005/0509/050915.htm。
[6]技术洞察-改善散热结构提升白光LED使用寿命, http://tech.digitimes.com.tw/ShowNews.aspx?zCatId=12A&zNotesDocId=E69752F3229E3DB448257213005B6466。
[7]高功率LED 的散热处理,http://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=5283。
[8]李明坤,2005,“LED蒸气腔体散热模组”,硕士论文,国立台湾大学。
[9]杨正宏,2004,“应用有限体积法对LED构装体与模组之热阻分析”,硕士论文,长庚大学。