LED串并聯(lián)方式設(shè)計(jì)
根據(jù)UV固化技術(shù)原理,紫外固化光源需要在瞬間提供穩(wěn)定的高強(qiáng)度紫外光與白光芯片不同的是,對(duì)LED-UV固化光源來(lái)說(shuō),單顆LED的發(fā)光功率是十分有限的,不能滿(mǎn)足固化功率的使用需求,故需要提高固化光源的輻照度。提高輻照度有兩種方法:一是采用光學(xué)處理的方法,將LED發(fā)散的輻射能量集中;二是增加LED的數(shù)量,采用陣列結(jié)構(gòu),使光源的輻照度達(dá)到固化要求。為了獲得大功率且穩(wěn)定可靠的 LED-UV光源,同時(shí)做到簡(jiǎn)單和緊湊的封裝結(jié)構(gòu),本設(shè)計(jì)中LED燈珠采用陣列的排布方法,這種方法的本質(zhì)就是通過(guò)增加LED燈珠的數(shù)量多顆LED集成光源模塊,從而得到較大的輻照光強(qiáng)。
LED的光線(xiàn)發(fā)射方向不是單一的,而是朝著LED周?chē)拿總€(gè)方向,這就會(huì)對(duì)它的光輻射利用率和固化效果產(chǎn)生影響,因此在設(shè)計(jì) LED-UV面光源結(jié)構(gòu)的時(shí)候需要將可能對(duì)LED-UV的發(fā)光效率產(chǎn)生影響的多種因素納入考慮范圍。通常會(huì)直接影響LED-UV發(fā)光功率的因素有以下幾種:(1)透鏡的選擇,不同的透鏡對(duì)光線(xiàn)的透過(guò)率和折射率是不同的;(2)封裝工藝,封裝工藝的好壞影響著LED的光輸出功率的大小;(3)封裝材料,封裝材料的防紫外老化能力也會(huì)對(duì)LED的發(fā)光有著重要的影響。
目前,LED-UV主要有兩種不同的封裝工藝,分別是用環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行封裝和用硅膠/玻璃透鏡進(jìn)行封裝。當(dāng)LED的波長(zhǎng)大于400nm,屬于近紫外光時(shí),選用環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)LED進(jìn)行封裝;當(dāng)LED的波長(zhǎng)小于400mm時(shí),可選用硅膠/玻璃透鏡對(duì)LED進(jìn)行封裝。又因?yàn)闅怏w折射率為1,而不同介質(zhì)對(duì)光的折射率也不盡相同,折射率的大小影響LED的出光效率,折射率差較大時(shí)會(huì)使得全反射嚴(yán)重地限制LED的光溢出,因此在設(shè)計(jì)和選擇透鏡方面,其紫外波段的光透過(guò)率和耐紫外老化能力等都要求設(shè)計(jì)人員做到全面考慮。
在本設(shè)計(jì)中,以光的萃取原理為依據(jù),采用外層封裝折射率為1.5的硅膠和玻璃透鏡,由于它具有折射率很高的特點(diǎn),所以在消除LED光線(xiàn)的全反射和LED出光效率方面能力顯著突出。LED芯片焊接在氮化鋁陶瓷基板上,陶瓷基板通過(guò)導(dǎo)熱膠固定在銅鋁散熱板上,這里的氮化鋁陶瓷基板和導(dǎo)熱膠大大降低了整個(gè)封裝結(jié)構(gòu)的熱阻,有助于提高系統(tǒng)的散熱能力。
光源系統(tǒng)由24塊氮化鋁陶瓷基板排成一行組成,每塊基板以陣列形式排布了35顆芯片,共有840顆 LED-UV芯片,這些芯片按照一定的方式連接電路,電路連接方式會(huì)影響芯片的工作穩(wěn)定性和使用壽命。LED-UV是電流驅(qū)動(dòng)型器件過(guò)電流大小決定紫外輻照度,因此使用恒流電源驅(qū)動(dòng)這些負(fù)載工作,并在此條件下確定LED串并聯(lián)連接方式。
LED-UV串聯(lián)連接方式就是把全部芯片正極對(duì)負(fù)極連成一串,電路如圖4-4所示。在恒流電源驅(qū)動(dòng)下,串聯(lián)連接是電路形式最簡(jiǎn)單、工作狀態(tài)最穩(wěn)定的方式。所有串聯(lián)的LED芯片工作電流相等,不受工作溫度的影響,總電壓等于所有電壓相加。但這種連接方式也有很大的缺點(diǎn),就是當(dāng)所有LED芯片中有任意一顆損壞出現(xiàn)斷路時(shí),整個(gè)光源系統(tǒng)都將不能工作,因此,不能使用這種連接方式。 LED-UV并聯(lián)連接方式中,每個(gè)支路的電流一般不相等,但相差很小,因?yàn)樗蠰ED芯片參數(shù)基本一致，工作環(huán)境基本一致。當(dāng)其中一顆芯片損壞,出現(xiàn)斷路時(shí),不會(huì)影響其他芯片的正常工作,出現(xiàn)短路時(shí),整個(gè)光源系統(tǒng)都將不能工作。電路如圖45所示。對(duì)于這種連接方式,負(fù)載電壓約為3V,驅(qū)動(dòng)電路的總電流等于所有并聯(lián)電路電流之和,總電流過(guò)大,電流等級(jí)過(guò)高,驅(qū)動(dòng)電源負(fù)擔(dān)很大,因此不能使用這種連接方式。 LED-UV混聯(lián)連接方式包括LED分組先串聯(lián)后并聯(lián)和先并聯(lián)后串聯(lián)兩種方式。本書(shū)的光源系統(tǒng)采用了分組先并聯(lián)后串聯(lián)的連接方式,每塊基板的35顆LED芯片采用分組先并聯(lián)后串聯(lián)的連接方式,每行5顆芯片組成并聯(lián)分組,分為7組串聯(lián)連接,然后每三塊基板之間采用并聯(lián)方式連接。先并聯(lián)后串聯(lián)的連接方式就是ED平均分組并聯(lián),再將每組串聯(lián)在一起,如圖46所示。在這種連接方式中,當(dāng)其中一顆LED芯片損壞,出現(xiàn)斷路時(shí),電流會(huì)從分組中與其并聯(lián)的LED中流過(guò)如果并聯(lián)支路較多,分組中并聯(lián)的LED分擔(dān)的電流就相對(duì)較小,光源可以繼續(xù)工作;當(dāng)芯片損壞,出現(xiàn)短路時(shí),所在分組全部并聯(lián)的芯片將全部不亮,與該組串聯(lián)的其他芯片均正常工作,當(dāng)分組中并聯(lián)的芯片很多時(shí),驅(qū)動(dòng)電流很大,通過(guò)短路芯片的電流很大,大電流流過(guò)短路的芯片后,芯片將變?yōu)閿嗦贰?