一种电梯井道LED照明灯的设计

发表时间:2019/6/10   来源:《建筑学研究前沿》2019年3期   作者:李柏林
[导读] 本文通过对关键技术条件输入的评估,光学、热学的模拟以及最终的产品测试验证,介绍了一种电梯井道LED照明灯的设计。

广州广日电气设备有限公司  广东省广州市  511447
        摘要:本文通过对关键技术条件输入的评估,光学、热学的模拟以及最终的产品测试验证,介绍了一种电梯井道LED照明灯的设计。此电梯井道LED照明灯总功率3.5W,光通量240流明,安装方式与传统井道照明灯相同,可完全取代传统25W井道照明灯具,节能且照明效果提升,改善了电梯井道照明环境。该设计结构简洁、装配方便、可靠性高,成本可控。
        关键词:LED;电梯井道照明;光学模拟;散热模拟。
        Design of an LED Lighting Lamp for Elevator Drift
        Bolin Li
        (Electricity Facilities Guangri Guangzhou Co.,Ltd.,Guangzhou 511447,China)
        Abstract:This article introduces the design of an elevator shaft LED lighting through the evaluation of key technology input,optical and thermal simulation and final product test verification.The total power of the LED illumination lamp is 3.5W and the luminous flux is 240 lumens.The installation method is the same as that of the traditional illumination lamp.It can completely replace the traditional 25W illumination lamp,save energy and improve the lighting effect,and improve the lighting environment of the elevator well.The design has the advantages of simple structure,convenient assembly,high reliability and controllable cost.
        Keywords:LED;Lighting of elevator shaft;Optical simulation;Heat dissipation simulation
       
        引言
        随着国内房地产开发及旧楼加装梯的兴起,电梯用量日益增多,单纯的全国老楼加装电梯的需求量大约在500万台,有15万亿的市场,李克强总理也在2018年政府工作报告中明确提出“鼓励有条件的加装电梯”,无论从市场还是政策无疑是非常的利好。但同时,电梯行业也面临着巨大的材料成本、售后维护及服务质量等压力,尤其是电梯井道,狭小的井道空间,若不能满足井道照明或井道照明灯具失效,将在一定程度上影响电梯维护速度及操作安全。
        普遍情况下,为节约成本,国内电梯厂采用传统25W/40W钨丝灯作为电梯井道照明灯具,但随着国内的环境污染问题日益突出,节能减排受到了前所未有的重视,同时LED作为第四代照明光源,具有节能、环保、寿命长等优点,已被广泛应用在各照明场所,电梯井道照明使用LED作为光源势必是一种趋势。
        1  电梯井道LED照明灯的设计
        1.1 电梯井道LED照明灯具的设计要求
        1.1.1电压要求
        设计该电梯井道LED照明灯其目的是提供一种去电源化的电路方案,提高产品可靠性,并最终取代传统井道照明灯具。综合《民用建筑电气设计规范》JGJ16-2008第9.4.5条2款[1]:井道内应设置照明灯具,并符合下列要求:1)应在井道最高点及最低点0.5以内各设置一盏照明灯具,中间每隔不超过7米的距离应装设一盏照明灯具;2)电梯轿顶及电梯井道照明电压宜为36伏;当需采用220伏特时,应装设剩余电流动作保护器。但在高层建筑井道长度超过50m接近或超过100m时,为减小电压损失,井道照明电压一般选用220伏特电压,但在实际生产过程中,为了产品一致性,通常将井道照明电压统一设为220伏特,而不设36伏特低电压供电驱动,由此,我们将该款井道照明灯具设计输入电压设为220V。
        1.1.2认证要求
        根据国家强制性产品认证目录描述与界定表,第十项,照明电器中第一小点灯具(1001)内容分析[2],该款井道LED井道照明灯具为固定式、墙壁安装,属于国家强制性认证产品,应符合CCC认证要求。而CCC认证中耐压测试3000V为该产品一项关键设计参数,应满足要求的安全标准。
        1.1.3 安装及参数要求
        市场常用传统井道照明灯具实物图片见下图1,其安装孔距为40mm,功率为25W,常用参数表见表1。
       
        

        表1、传统井道照明灯具常规参数表
        1.2电梯井道LED照明灯具的设计
        1.2.1  控制IC的选型
        电梯井道供电电压常因电网负载出现较大的增加或减少而引起波动,这就要求井道灯在电压在一定波动范围内应能正常工作。灯具工作过程中,如果供电电压不稳,当供电电压升高时,灯具功率升高、发热量加大、器件温度升高,由此可能引发芯片温度过高导致灯具失效。所以灯具必须设计保护机制,确保灯具在电压波动范围内均可正常工作且当发热过高时能够进行自保护工作。
        单通道高压线性恒流LED驱动芯片,采用线性恒流技术。芯片具有线电压补偿功能、温度补偿和过热保护功能。灯具应用该芯片后可提高系统的稳定性及可靠性,实现灯具自保护功能。
        线电压补偿功能在灯具输入电压过高时减小输出电流,以保证输入功率不随输入电压变化,从而提高系统的可靠性。如果没有线电压补偿电路,当线电压大于Vth(LED恒流点亮电压),LED灯串电流会保持不变。则当输入电压升高时,由于线电压上升得更早更快,导致LED灯串电流上升更快,且保持最大恒定电流的持续时间更长,所以输入功率随输入电压升高快速上升,一般线性调整率约10%/10V。此款单通道高压线性恒流LED驱动芯片采用线电压补偿电路,当线电压高于一定阈值时,减小LED灯串电流,以抵消由于输入电压升高导致的功率增加,保持线性调整率减小到1%/10V以下,如下图2无填谷电容应用线电压补偿功能的波形。
        温度补偿和过热保护功能在灯具系统温度过高时减小输出电流,从而控制输出功率和温升,以提高系统的可靠性。Vref电压为负温度系数的参考电压,当结温超过145℃时,参考电压随着温度的升高而而快速下降,如下图3 过温保护曲线。
       
        图2 无填谷应用线电压补偿波形                   图3 过温保护曲线
       
        芯片自保护功能充分保障灯具可靠性、稳定性,且在成本上较电源具有较高性价比,非常符合去电源化的井道LED照明灯电路应用。
        1.2.2  发光二极管LED的选型
        该款井道LED照明灯采用高压线性恒流,其原理为灯具的输入电压为220V,采用高压线性恒流LED驱动芯片,线性恒流技术,通过外部电阻设定LED灯串的驱动电流。为使灯具能够获得较高效率,驱动芯片输出端电压应尽量接近220V,以提高芯片的使用效率,降低无用功率。
        此电梯井道LED照明灯设计总功率3.5W,设计为面发光;灯具从发光均匀,散热效率,成本多方面综合考虑,选用多颗小功率2835封装灯珠小电流驱动较选用单颗大功率灯珠大电流驱动可获得更均匀的发光面、更低的热沉要求及更低的成本优势。
        因驱动芯片输出电压为220V,此芯片最简驱动无填谷电容方案如图4最简驱动电路,最佳匹配灯珠关系有:70颗3V或12颗18V;在满足光效前提下,综合成本及产品结构尺寸的因素,显然12颗18V成本更低,灯具结构尺寸更加具有优化空间;且12颗18V灯珠串联后,灯珠电压V=12×18=216V,非常接近220V电压,可获得较理想的效率输出。
        综上所述,我们选用12颗18V高压2835封装LED灯珠作为此灯具使用光源。
       
        图4驱动电路原理示意图
        2.设计分析及验证
        2.1散热模拟
        井道LED照明灯设计总功率3.5W,电源效率按0.8计算,LED功率为2.8W,通过EFD软件模拟灯体散热情况。
        模拟条件如下:
        1)、初始环境温度:25℃;
        2)、LED:SMD2835,12p PCS;
        3)、LED总功率:约2.8W;
        4)、LED发热功率:约2W;
        5)、散热器辐射系数:0.27;
        模拟结果见图5 热模拟结果:
        其中,LED焊点温度Ts=73.5℃
        θth=22℃/W(灯珠热阻)
        Tjmax=115℃(灯珠结温)
        Ptotal=2.8/12≈0.23W
        Tj=Tsp+θth * Ptotal
        =73.5+2.8÷12×22≈78.6℃< Tjmax=115℃
        (满足散热要求)
       
        
        
        图5热模拟结果
        2.2光学模拟
        通过Dialux照明软件模拟井道照明,对比3.5W的LED照明灯效果与25W传统井道照明灯效果,模拟条件设置如下:
        1)井道尺寸:2.25×2.5m;
        2)墙体材质及反射系数:水泥/27%;
        3)安装间距:每7米装灯;
        4)测试工作面:两灯中间平面,距离地面10.5m处;
        模拟结果见图6  25W传统井道灯照度模拟图,图7  3.5W LED井道灯照度模拟图
                 
        
        
        图8 光通量与电压关系曲线                           图9 灯具功率与电压关系曲线
       
        由上图可见,当输入电压大于180V时,灯具输出光通量为198lm,大于传统25W井道灯110lm光通量,完全满足灯具替换需求;而且随着灯具工作电压的升高,灯具光通量也随着升高。当工作电压位于220V-270V之间是,灯具功率位于3.4W-3.7W之间;灯具在标准工作电压220V时,光通量达到峰值282lm;由此可见,灯具工作电压宽度足够满足供电电压一定范围的波动。
        2.3.2散热可靠性测试验证;
        样品灯具额定功率为3.5W,芯片转换效率按0.8计算,LED功率为2.8W,通过EFD软件模拟灯具散热情况,测试条件如下:
        1)、环境温度Ta=25℃,湿度59%;
        2)、LED:SMD2835,12PCS;
        3)、测试工具:温度仪Fluke 54 Ⅱ B;
        4)、测试方法:
        用标准电压220V驱动灯具,采用热电偶测试
        LED灯板灯珠焊盘边缘板面如图Ts点处温度;
        5)、LED功率:2.8 W;
        单颗LED功率:2.8÷12=0.23W;
        测试结果如图示:
        Ts=75.2℃
        Tj'= Ts+θth * Ptotal =75.2+2.8/12×22=80.3℃
        说明:
        1、Ts为LED焊点温度;
        2、热阻:SMD2835  Rθj-c =22℃/W
        3、LED最大节温Tjmax=115℃。
        实际测量Tj'=80.3℃与模拟计算  Tj=78.6℃相差
        仅1.7℃,排除环境等其他因素对测试结果的影响,
        理论与实际数据相对吻合。
       
        图10 温度测试
        结语
        总之,采用高压线性恒流LED驱动芯片,线性恒流技术,通过外部电阻设定LED灯串的驱动电流,从而达到去电源化LED井道灯具方案,最大限度的简化了LED驱动模块,简化了灯具装配工艺及结构,具有一定的成本优势;所选用芯片具有线电压补偿功能、温度补偿及过热保护等功能,在保证灯具正常使用过程中不受恶劣条件影响前提下,充分保证灯具可靠并稳定工作。该电梯井道LED照明灯光电参数及结构性能均优于传统井道照明灯具,可完全取代传统井道照明灯具。
        参考文献
        [1]《民用建筑电气设计规范》JGJ16-2008;
        [2]《强制性产品认证目录描述与界定表》-2014年修订版。

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