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摘要:針對LED側入光式面板燈的結構設計了一種優(yōu)化方案，即在金屬邊框和導光板之間置入一定厚度的彈性硅膠墊，使導光板與LED燈珠發(fā)光面保持相同的微小間距，確保光線能夠全部進入導光板，提高出光效率;研發(fā)了一種“回字型止位塊”的構件，可以有效地防止各構件之間不同的熱脹冷縮效應對LED燈珠產生潛在的損傷。經過大量實踐應用，證明方案簡潔可行，適合大規(guī)模生產。

關鍵詞:面板燈;側入光式;金屬邊框;導光板;熱脹冷縮效應;止位塊;LED燈珠

引言

LED側入光式面板燈結構獨特，通過側入光的形式，將側邊的線光源或點光源經過高透光率的導光板后形成一種均勻的平面發(fā)光效果，具有發(fā)光面大、眩光低、光效高、安裝便利等優(yōu)點，廣泛應用于教室、辦公室、會議室、商場等場合［1－2］。然而，面板燈的結構復雜，各部件之間的膨脹系數差異會導致不同的熱脹冷縮效應［3］，尤其在雙側或四側入光的情況下，由于導光板材料(PMMA或其他類似材質)的熱膨脹系數遠高于金屬邊框［4］，在工作狀態(tài)下其發(fā)生的膨脹會與LED燈珠產生擠壓［5］，使LED燈珠產生損傷直至失效，如圖1所示。同時，除了溫度的影響之外，金屬邊框的加工精度、導光板的裁切精度、裝配精度、背膠的厚度精度、PCB的厚度精度，以及LED燈珠的厚度精度也是一些不確定的因素。考慮到所有的這些情況，為了確保面光源在極端的加工誤差和溫度下燈具也能正常工作，導光板與LED燈珠之間就不能存在較大的擠壓力，LED燈珠和導光板之間的間隙往往必須留得非常大。但是，間隙過大會由于漏光而使得光效大幅度下降，也會使出光面產生不良的影響，因為這種間隙往往具有不均勻性、不對稱性、不穩(wěn)定性，會導致出光不均勻、不對稱、不穩(wěn)定，從而嚴重影響出光面的視覺質量。而為了提高光效，就需要采用更厚的導光板、更小的LED燈珠，這必將帶來成本的增加，以及產品重量和厚度的增加，且不能明顯改善出光面視覺質量。本文綜合分析了這一現象的各種可能性，針對現有技術中存在的不足，提出了一種側入光面光源自適應結構的設計方法，在不同溫度、濕度、尺寸精度的情況下，LED燈珠與導光板可以始終保持預設的極小距離，并且保證適當的擠壓力，使得LED光線無外泄，可明顯提升光效、改善出光面畫面質量，增強產品對溫度、濕度等環(huán)境變化的適應能力，并降低對加工精度、裝配精度等工藝的要求。

1LED面板燈的結構示意圖

一般來說，側入光式面板燈的結構由以下部件組成:金屬邊框、含LED燈珠的PCB板、擴散板、導光板、反射紙、珍珠板、金屬背板等。其中，擴散板、導光板、反射紙等也稱為光學套件，是影響出光效率的重要構件，如圖2所示。

2LED面板燈結構的熱脹冷縮效應

研究表明，不同材料之間的熱脹冷縮效應差異很大，表1給出了所涉及材料的線性熱膨脹系數。以常規(guī)的600×600面板燈為例，邊框為鋁合金，長度600mm，正常工作狀態(tài)下鋁合金邊框假設其溫升為40K。由于材料和位置差異，PMMA導光板的平均溫升會低一些，約為30K。按公式計算:鋁合金邊框δ=23．8×10－6×600×40=0．57(mm)(1)導光板(PMMA)δ=85．0×10－6×570×30=1．45(mm)(2)從以上計算結果可以看出，當鋁合金邊框的溫升達到40K時，PMMA導光板比鋁合金邊框的膨脹長度多出了0．88mm，而一般燈珠的厚度也僅為0．6mm。如果導光板與LED燈珠的間隙設計得不合理，導光板的線性膨脹將直接擠壓到LED燈珠，尤其是邊框的四個角都為剛性結構，幾乎不產生任何的彈性變形，這意味著靠近PCB上兩端位置的LED燈珠會更容易受到強力擠壓而導致損傷，如圖3示意。

3側入光面板燈自適應結構的設計思路

高性能的面板燈，首要的是高光效，所以導光板入光側和LED發(fā)光面之間的距離要盡可能小，使得99%以上的光線能夠進入到導光板。同時，需要解決導光板在溫度變化影響下的熱膨脹效應可能對LED燈珠產生的擠壓，保證燈具的可靠性。本文設計了一種側入光面板燈的自適應結構，如圖4所示。具體來說，就是在金屬邊框和導光板之間置入一定厚度的彈性硅膠墊，該墊塊起到彈簧的作用，使導光板在不同的環(huán)境溫度下，都能夠與LED燈珠發(fā)光面保持相同的微小間距，確保光線能夠全部進入導光板，從而保證最大的發(fā)光效率。

4側入光面板燈防范

LED燈珠損傷的設計如上分析，導光板的熱膨脹效應要遠大于鋁合金邊框，燈具溫度上升會使導光板直接擠壓到LED燈珠，尤其是邊框四個角的位置幾乎不產生任何的彈性變形而使靠近PCB兩端位置的LED燈珠會更容易受到強力擠壓而導致損傷。本文設計了兩種“止位塊”的構件，可以有效防范LED燈珠的損傷，具體的方法為:一是使用一種“回字型止位塊”的構件，其幾何形狀尺寸與燈珠匹配，高度大于燈珠的高度0．3mm左右，位置分別為燈條的兩端和中間。當導光板發(fā)生熱膨脹時，其側面首先頂到“回字型止位塊”的表面，避免了導光板擠壓燈珠表面的可能性，從而保護了LED燈珠。因為其形狀特性，可以直接套上LED燈珠，占有空間非常小，不影響LED燈珠的等間距排布，從而保證了面板燈發(fā)光面的畫面質量。圖5為“回字型止位塊”裝置的示意圖。二是可以在PCB上直接使用相應高度的電容或電阻等電子元器件替代“回字型止位塊”，原理相同，但電容或電阻不宜接入電氣線路中。其優(yōu)點是可以使用機器貼片，效率更高。如圖6所示。

5試驗結果

光分布亮度計測試結果表明，使用自適應結構制造的面板燈，其光效平均提高了15%左右，批量穩(wěn)定性更好，且生產工藝簡便高效，適合于大規(guī)模批量性生產。在實際的應用中，除了某次因止位塊厚度偏小引起一些面板燈的LED燈珠被擠壞導致“一串燈珠”不亮以外，尚未出現因熱膨脹效應導致LED燈珠損壞的現象。這也從正反兩方面證明了使用“止位塊”避免導光板擠壓燈珠的有效性。6結論本文對LED側發(fā)光式面板燈結構中的熱膨脹效應進行了分析，提出了在結構設計中加入彈性硅膠墊以及“止位塊”的方法，以提高燈具的出光效率、性能穩(wěn)定性，防止導光板因熱膨脹而直接擠壓LED燈珠引起損傷甚至導致燈珠失效。大量的實踐證明，此種設計是有效的。

參考文獻

［1］付慧慧，龔兆崗．辦公室LED面板燈照明設計［J］．中國照明電器，2013(6):8－12．

［2］劉金鑫．LED平板燈發(fā)光性能的改進方法與技術研究［D］．天津:河北工業(yè)大學，2014．

［3］苗恩銘．材料熱膨脹系數影響因素概述［J］．工具技術，2005(5):26－29．

［4］華瑛．材料的熱膨脹性能及其影響因素［J］．上海鋼研，2005(2):60－63．

［5］李應軍，熊志芳，張賓．淺談導光板對LED側發(fā)光面板燈的性能影響［J］．中國照明電器，2018(10):33－36．

［6］各種材料熱膨脹系數［Z］．

作者：華利生 楊華利 胡錫兵 單位：江蘇新廣聯光電股份有限公司