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摘要:针对LED侧入光式面板灯的结构设计了一种优化方案,即在金属边框和导光板之间置入一定厚度的弹性硅胶垫,使导光板与LED灯珠发光面保持相同的微小间距,确保光线能够全部进入导光板,提高出光效率;研发了一种“回字型止位块”的构件,可以有效地防止各构件之间不同的热胀冷缩效应对LED灯珠产生潜在的损伤。经过大量实践应用,证明方案简洁可行,适合大规模生产。

关键词:面板灯;侧入光式;金属边框;导光板;热胀冷缩效应;止位块;LED灯珠

引言

LED侧入光式面板灯结构独特,通过侧入光的形式,将侧边的线光源或点光源经过高透光率的导光板后形成一种均匀的平面发光效果,具有发光面大、眩光低、光效高、安装便利等优点,广泛应用于教室、办公室、会议室、商场等场合[1-2]。然而,面板灯的结构复杂,各部件之间的膨胀系数差异会导致不同的热胀冷缩效应[3],尤其在双侧或四侧入光的情况下,由于导光板材料(PMMA或其他类似材质)的热膨胀系数远高于金属边框[4],在工作状态下其发生的膨胀会与LED灯珠产生挤压[5],使LED灯珠产生损伤直至失效,如图1所示。同时,除了温度的影响之外,金属边框的加工精度、导光板的裁切精度、装配精度、背胶的厚度精度、PCB的厚度精度,以及LED灯珠的厚度精度也是一些不确定的因素。考虑到所有的这些情况,为了确保面光源在极端的加工误差和温度下灯具也能正常工作,导光板与LED灯珠之间就不能存在较大的挤压力,LED灯珠和导光板之间的间隙往往必须留得非常大。但是,间隙过大会由于漏光而使得光效大幅度下降,也会使出光面产生不良的影响,因为这种间隙往往具有不均匀性、不对称性、不稳定性,会导致出光不均匀、不对称、不稳定,从而严重影响出光面的视觉质量。而为了提高光效,就需要采用更厚的导光板、更小的LED灯珠,这必将带来成本的增加,以及产品重量和厚度的增加,且不能明显改善出光面视觉质量。本文综合分析了这一现象的各种可能性,针对现有技术中存在的不足,提出了一种侧入光面光源自适应结构的设计方法,在不同温度、湿度、尺寸精度的情况下,LED灯珠与导光板可以始终保持预设的极小距离,并且保证适当的挤压力,使得LED光线无外泄,可明显提升光效、改善出光面画面质量,增强产品对温度、湿度等环境变化的适应能力,并降低对加工精度、装配精度等工艺的要求。

1LED面板灯的结构示意图

一般来说,侧入光式面板灯的结构由以下部件组成:金属边框、含LED灯珠的PCB板、扩散板、导光板、反射纸、珍珠板、金属背板等。其中,扩散板、导光板、反射纸等也称为光学套件,是影响出光效率的重要构件,如图2所示。

2LED面板灯结构的热胀冷缩效应

研究表明,不同材料之间的热胀冷缩效应差异很大,表1给出了所涉及材料的线性热膨胀系数。以常规的600×600面板灯为例,边框为铝合金,长度600mm,正常工作状态下铝合金边框假设其温升为40K。由于材料和位置差异,PMMA导光板的平均温升会低一些,约为30K。按公式计算:铝合金边框δ=23.8×10-6×600×40=0.57(mm)(1)导光板(PMMA)δ=85.0×10-6×570×30=1.45(mm)(2)从以上计算结果可以看出,当铝合金边框的温升达到40K时,PMMA导光板比铝合金边框的膨胀长度多出了0.88mm,而一般灯珠的厚度也仅为0.6mm。如果导光板与LED灯珠的间隙设计得不合理,导光板的线性膨胀将直接挤压到LED灯珠,尤其是边框的四个角都为刚性结构,几乎不产生任何的弹性变形,这意味着靠近PCB上两端位置的LED灯珠会更容易受到强力挤压而导致损伤,如图3示意。

3侧入光面板灯自适应结构的设计思路

高性能的面板灯,首要的是高光效,所以导光板入光侧和LED发光面之间的距离要尽可能小,使得99%以上的光线能够进入到导光板。同时,需要解决导光板在温度变化影响下的热膨胀效应可能对LED灯珠产生的挤压,保证灯具的可靠性。本文设计了一种侧入光面板灯的自适应结构,如图4所示。具体来说,就是在金属边框和导光板之间置入一定厚度的弹性硅胶垫,该垫块起到弹簧的作用,使导光板在不同的环境温度下,都能够与LED灯珠发光面保持相同的微小间距,确保光线能够全部进入导光板,从而保证最大的发光效率。

4侧入光面板灯防范

LED灯珠损伤的设计如上分析,导光板的热膨胀效应要远大于铝合金边框,灯具温度上升会使导光板直接挤压到LED灯珠,尤其是边框四个角的位置几乎不产生任何的弹性变形而使靠近PCB两端位置的LED灯珠会更容易受到强力挤压而导致损伤。本文设计了两种“止位块”的构件,可以有效防范LED灯珠的损伤,具体的方法为:一是使用一种“回字型止位块”的构件,其几何形状尺寸与灯珠匹配,高度大于灯珠的高度0.3mm左右,位置分别为灯条的两端和中间。当导光板发生热膨胀时,其侧面首先顶到“回字型止位块”的表面,避免了导光板挤压灯珠表面的可能性,从而保护了LED灯珠。因为其形状特性,可以直接套上LED灯珠,占有空间非常小,不影响LED灯珠的等间距排布,从而保证了面板灯发光面的画面质量。图5为“回字型止位块”装置的示意图。二是可以在PCB上直接使用相应高度的电容或电阻等电子元器件替代“回字型止位块”,原理相同,但电容或电阻不宜接入电气线路中。其优点是可以使用机器贴片,效率更高。如图6所示。

5试验结果

光分布亮度计测试结果表明,使用自适应结构制造的面板灯,其光效平均提高了15%左右,批量稳定性更好,且生产工艺简便高效,适合于大规模批量性生产。在实际的应用中,除了某次因止位块厚度偏小引起一些面板灯的LED灯珠被挤坏导致“一串灯珠”不亮以外,尚未出现因热膨胀效应导致LED灯珠损坏的现象。这也从正反两方面证明了使用“止位块”避免导光板挤压灯珠的有效性。6结论本文对LED侧发光式面板灯结构中的热膨胀效应进行了分析,提出了在结构设计中加入弹性硅胶垫以及“止位块”的方法,以提高灯具的出光效率、性能稳定性,防止导光板因热膨胀而直接挤压LED灯珠引起损伤甚至导致灯珠失效。大量的实践证明,此种设计是有效的。

参考文献

[1]付慧慧,龚兆岗.办公室LED面板灯照明设计[J].中国照明电器,2013(6):8-12.

[2]刘金鑫.LED平板灯发光性能的改进方法与技术研究[D].天津:河北工业大学,2014.

[3]苗恩铭.材料热膨胀系数影响因素概述[J].工具技术,2005(5):26-29.

[4]华瑛.材料的热膨胀性能及其影响因素[J].上海钢研,2005(2):60-63.

[5]李应军,熊志芳,张宾.浅谈导光板对LED侧发光面板灯的性能影响[J].中国照明电器,2018(10):33-36.

[6]各种材料热膨胀系数[Z].

作者:华利生 杨华利 胡锡兵 单位:江苏新广联光电股份有限公司

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