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    常見問題

    怎么樣實現UVLED固化設備的穩定性及可靠性細節

    來源:本站 發布時間:2020/5/8 11:13:06 點擊量:

    拓邦威電源之前探討過UVLED光源的設計思路,簡單的說,就是“以實現最理想的固化為核心,根據不同的應用需求設計最合適的固化方案”,此所謂“以變應變,以不變應萬變”也。遵循一個原則,以市場為導向,以客戶為導向,以應用為導向,選擇最合適的方案,而不是簡單的以產品或者設備為導向,拿一個固定的產品去打遍天下。

    今天我們接著來談談UVLED光源設計的方向和細節,如何實現UVLED固化設備的穩定性和可靠性的問題。

    由于市場上大部分LED固化設備的供應商都是從傳統的汞燈UV固化設備轉型過來的,對LED光源缺乏足夠的了解,只是簡單的把UVLED光源理解為跟汞燈一樣的標準產品,以為隨便買一條LED燈回來裝上去就是UVLED固化設備了。而做UVLED光源研發的企業,又缺乏對化學的了解,也缺乏對應用的了解。至于做UV研發的同志們,也大都陷入在傳統的思維里面,以燈為標準,進行UV的研發,而沒想過光源是否可以配合UV的研發同步進行調整。最終的結果是做LED光源研發的和做UV材料研發的,在涂裝和固化的環節卻由既不懂LEDUV也不懂UVLED的機械設備商來主導。也正是因為這么多的錯配,導致很多下游客戶購置了LED固化設備之后,很多變成了擺設,進而對UV-LED的發展失去了信心。

    前面的文章探討過,UV-LED固化是一個系統工程,而LED光源自己也是一個獨立的系統,一個系統的性能高低是由其整體的穩定性和可靠性決定的。既然是系統,那就是牽一發而動全身,任何一個地方出了問題,都可能導致系統的不穩定甚至癱瘓。

    跟汞燈不一樣,汞燈大體上只是UV固化設備的電源一個配件或者耗材,而LED光源自身就是一套獨立的系統,由四個部分組成:LED燈頭模組、散熱系統、電源系統和智能控制系統。一直以來關于LED光源大家探討得比較多的其實是LED燈頭,包括芯片的波長、芯片的大小、芯片的量子效率、芯片的封裝方式等等,有很多專業的文章都已經進行過詳細的介紹,具體的技術細節這里就不再重復。我重點從系統的角度出發,談談LED固化設備在設計和生產過程中容易被忽略,而又要非常注意的方向和細節問題。

     

    LED光源系統的組成

    散熱系統

    我們說LED是冷光源,其實LED的發熱量也非常大,UVLED的光電轉換效率,395nm大概能達到70%,365nm的芯片就只有30%左右,而深紫外的UVC波段的轉換效率只有3-5%的水平,根據能量守恒的原理,電能除了轉換成光能以外,剩下的部分基本就轉換成了熱能。而LED的光衰跟節溫是正相關的,假如散熱沒做好,往往會導致LED的發光功率陷入死循環:溫度上升,光衰加大,加大電流,溫度進一步上升,光衰進一步加大。

    LED的節溫、光衰、和輸入電流的相互影響

    所以在設計LED光源系統的時候,散熱是非常重要的一環。要根據電源功率、光電轉換效率選擇匹配的散熱方式。目前在大功率的LED光源系統,比較常用的是水冷的散熱方式,在設計散熱系統的時候,要兼顧水冷機的制冷量、水流量、水溫、揚程方面的平衡。

    這里特別要注意的是水溫的控制,理論上為了達到更好的散熱效果,水溫越低越好,但是不可忽略的是過低的水溫,會導致燈板出現冷凝水的情況,帶來電子元器件短路的風險。所以在做好密封性防水的工作以外,也應該根據不同的施工環境,不同的溫度、濕度等等來選擇合適的水溫和水壓。

    除了散熱的效率以外,還需要注意散熱的均勻性。前面說過了,溫度對光衰的影響非常大,我們在涂裝生產線上,往往一條LED燈的發光面長度會達到一米多長,如果散熱的均勻性做得不好,就可能會出現不同位置的光強不均勻現象,這樣對固化的結果也會帶來比較大的影響,同時,同一條LED燈不同位置的芯片的使用壽命也會出現比較大的偏差。

    電源系統

    UVLED電源

    電源系統占到整個LED固化設備的成本的三分之一之多,也有很多研究者提出過各種更低成本的電源方案,但是目前主流的方案依然是選擇恒流源驅動。關于恒流源與恒壓源的工作原理,各自的優缺點,LED的伏安特性以及不同溫度下的伏安特性,為什么選擇LED恒流源驅動等等,之前的文章已經有過詳細的介紹,這里就不再展開細說。

    這里主要給大家講一些在系統設計的時候容易被忽略但是又容易帶來不良的后果的細節方面的東西。

    LED光源的人都知道,每一個光源模組都會有很多顆芯片(燈珠),每一顆芯片(燈珠)都有一個額定的最大電壓和電流值的,如何設計芯片的串并聯數量,也是一件很講究的事情。首先我們得考慮人體的安全電壓,決定串聯的最大值;其次我們要考慮施工的便捷性和電纜的尺寸大小,決定串并聯的多少;還要根據應用的需求(譬如功率,光強等等)來決定燈板上面燈珠的排布,結合電源的常見規格進行合理配置;在工業應用上,我們還需要考慮輕微的故障(故障是不可能百分百消除的,我們只能盡可能的降低故障的發生幾率)對生產的影響,在設計的時候,給予系統一定的容錯率,避免因為輕微故障而影響正常的生產。

    層板式電源柜

    另外,不得不提的是電源系統的散熱問題。給芯片散熱或許已經是一種常識,但是電源系統的散熱一樣重要。一般來說,小功率的電源,通過輻射散熱就可以滿足要求,但是我們在工業上應用的都是大功率的產品,所以就不能忽略電源發出來的熱的影響。因為出于防塵等的考慮,電源一般都會安裝在封閉的電源箱里面,根據各個不同品牌的電源的能耗數據,發熱量會占到整個電源功率的8-12%,也是一個不容小覷的數字。假如電源發出的熱不能及時散掉,環境溫度升高,不但會影響電源通過輻射散熱的效率,同時密閉空間的溫度上升,也會對其它的電子元器件包括電線等等帶來負面的影響,甚至會引發火災的風險。

    在給電源散熱以外,還有一個容易被忽略的是電源線的發熱問題,由于在設計LED光源的時候,為了實現對燈板的獨立控制和實時監控,會有大量的電源線存在,在大電流驅動下,電源線的發熱量也是不可忽視的,特別是在電纜里面很多根電線并排的情況下,過熱導致電源線外層的塑膠保護層融合而引發短路火災的風險。所以電源線的大小、電阻等等也需要根據需要進行合理選擇,確保使用負荷要在設計負荷的安全范圍之內。

    在考慮散熱問題的時候,還要注意積塵導致電路板電子器件的散熱受阻而出現溫度過高的問題,在多塵的工作環境當中,防塵工作也是必須的。

    智能控制系統

    在前面的文章中有提到過,由于LED即開即用的特性,通過紅外來料感應,增加LED自啟停功能,可以有效降低實際工作時長,達到更好的節能效果。這只是智能控制系統的其中一個小功能。

    自動化、智能化并不僅僅是因為人口老齡化,勞動力不足,需要機器替代人那么簡單,智能化的目標是流程的標準化、服務的個性化、產品的精準化。但是要實現生產的自動化和智能化,需要有工業大數據的基礎,需要云計算的支持。就以UV-LED家具涂裝為例,設計一套簡單的智能控系統,也需要我們對UV涂料的配方設計和固化原理、LED光源的性能特點、涂裝工藝的流程設計有著深入的認識和透徹的理解,對涂裝過程中遇到的所有問題都了然于胸,并且有著從根本上解決問題的方法,對不同的應用要求,不同的基材特點,都有不同的解決方案,只有這樣,才能改進工藝,優化流程,三位一體,實現高效、節能、環保的目標。

    其他需要考慮的問題還有紫外光輻射的防護,包括人體防護和設備自身的防護等等;除了VOC排放對環境影響,還有熱、噪音等等帶來的安全和環保問題。另外,如何實現標準化與定制化的平衡,成本與性能的平衡等等,總之,我們在做系統設計的時候,必須從系統的全局去考慮問題,避免犯“解決一個問題,同時又帶來一個新的問題”的錯誤。

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