LED串并联方式设计
根据UV固化技术原理,紫外固化光源需要在瞬间提供稳定的高强度紫外光与白光芯片不同的是,对LED-UV固化光源来说,单颗LED的发光功率是十分有限的,不能满足固化功率的使用需求,故需要提高固化光源的辐照度。提高辐照度有两种方法:一是采用光学处理的方法,将LED发散的辐射能量集中;二是增加LED的数量,采用阵列结构,使光源的辐照度达到固化要求。为了获得大功率且稳定可靠的 LED-UV光源,同时做到简单和紧凑的封装结构,本设计中LED灯珠采用阵列的排布方法,这种方法的本质就是通过增加LED灯珠的数量多颗LED集成光源模块,从而得到较大的辐照光强。
LED的光线发射方向不是单一的,而是朝着LED周围的每个方向,这就会对它的光辐射利用率和固化效果产生影响,因此在设计 LED-UV面光源结构的时候需要将可能对LED-UV的发光效率产生影响的多种因素纳入考虑范围。通常会直接影响LED-UV发光功率的因素有以下几种:(1)透镜的选择,不同的透镜对光线的透过率和折射率是不同的;(2)封装工艺,封装工艺的好坏影响着LED的光输出功率的大小;(3)封装材料,封装材料的防紫外老化能力也会对LED的发光有着重要的影响。
目前,LED-UV主要有两种不同的封装工艺,分别是用环氧树脂进行封装和用硅胶/玻璃透镜进行封装。当LED的波长大于400nm,属于近紫外光时,选用环氧树脂对LED进行封装;当LED的波长小于400mm时,可选用硅胶/玻璃透镜对LED进行封装。又因为气体折射率为1,而不同介质对光的折射率也不尽相同,折射率的大小影响LED的出光效率,折射率差较大时会使得全反射严重地限制LED的光溢出,因此在设计和选择透镜方面,其紫外波段的光透过率和耐紫外老化能力等都要求设计人员做到全面考虑。
在本设计中,以光的萃取原理为依据,采用外层封装折射率为1.5的硅胶和玻璃透镜,由于它具有折射率很高的特点,所以在消除LED光线的全反射和LED出光效率方面能力显著突出。LED芯片焊接在氮化铝陶瓷基板上,陶瓷基板通过导热胶固定在铜铝散热板上,这里的氮化铝陶瓷基板和导热胶大大降低了整个封装结构的热阻,有助于提高系统的散热能力。
光源系统由24块氮化铝陶瓷基板排成一行组成,每块基板以阵列形式排布了35颗芯片,共有840颗 LED-UV芯片,这些芯片按照一定的方式连接电路,电路连接方式会影响芯片的工作稳定性和使用寿命。LED-UV是电流驱动型器件过电流大小决定紫外辐照度,因此使用恒流电源驱动这些负载工作,并在此条件下确定LED串并联连接方式。
LED-UV串联连接方式就是把全部芯片正极对负极连成一串,电路如图4-4所示。在恒流电源驱动下,串联连接是电路形式最简单、工作状态最稳定的方式。所有串联的LED芯片工作电流相等,不受工作温度的影响,总电压等于所有电压相加。但这种连接方式也有很大的缺点,就是当所有LED芯片中有任意一颗损坏出现断路时,整个光源系统都将不能工作,因此,不能使用这种连接方式。
LED-UV并联连接方式中,每个支路的电流一般不相等,但相差很小,因为所有LED芯片参数基本一致，工作环境基本一致。当其中一颗芯片损坏,出现断路时,不会影响其他芯片的正常工作,出现短路时,整个光源系统都将不能工作。电路如图45所示。对于这种连接方式,负载电压约为3V,驱动电路的总电流等于所有并联电路电流之和,总电流过大,电流等级过高,驱动电源负担很大,因此不能使用这种连接方式。
LED-UV混联连接方式包括LED分组先串联后并联和先并联后串联两种方式。本书的光源系统采用了分组先并联后串联的连接方式,每块基板的35颗LED芯片采用分组先并联后串联的连接方式,每行5颗芯片组成并联分组,分为7组串联连接,然后每三块基板之间采用并联方式连接。先并联后串联的连接方式就是ED平均分组并联,再将每组串联在一起,如图46所示。在这种连接方式中,当其中一颗LED芯片损坏,出现断路时,电流会从分组中与其并联的LED中流过如果并联支路较多,分组中并联的LED分担的电流就相对较小,光源可以继续工作;当芯片损坏,出现短路时,所在分组全部并联的芯片将全部不亮,与该组串联的其他芯片均正常工作,当分组中并联的芯片很多时,驱动电流很大,通过短路芯片的电流很大,大电流流过短路的芯片后,芯片将变为断路。
