趙海城

（遼寧省朝陽廣播電視臺，遼寧 朝陽 122000）

電腦燈是集光學、機械、電子于一體的產(chǎn)品。當今，綜藝節(jié)目對電腦燈性能的要求越來越高，使用的電腦燈數(shù)量也越來越多，有些大型晚會中的電腦燈數(shù)量達到上百只甚至幾百只，由此帶來了美輪美奐的光、影效果。但相應(yīng)的問題也隨之顯現(xiàn)，由于電腦燈的電能一部分轉(zhuǎn)化成光，同時也產(chǎn)生了一定的熱量，熱量積聚就形成了高溫。如對電腦燈的高溫處置不當，勢必影響其性能、使用安全甚至節(jié)目的正常制作及播出，這是燈光師和工程技術(shù)人員必須面對的重要問題。

本文對電腦燈的各部分器件與高溫及散熱的關(guān)系進行剖析。

1 光源部分

電腦燈配用光源有三類，即白熾燈—鹵鎢燈，氣體放電燈—HID燈—金鹵燈，固態(tài)光源—LED。人們常常把電腦燈配用白熾燈、氣體放電燈這兩種光源俗稱“燈泡”。

1.1 白熾燈和氣體放電燈

生產(chǎn)廠家對電腦燈的燈泡都設(shè)定了溫度額定值，一般來說，這個額定值是指內(nèi)置鉬片的限定溫度，早期進口的燈泡最高溫度限定在350℃，后期產(chǎn)品最高溫度限定提高到450℃，有的廠家提高到500℃甚至更高。如果燈泡過熱，會造成鉬片與燈泡引腳接駁點發(fā)熱，或者打火燒黑、玻璃開裂漏氣等問題。但是燈泡溫度也不能太低，太低易造成炸裂。

現(xiàn)在的電腦燈基本都使用了風冷技術(shù)。對于燈泡而言，并不是風越大越好，而是風要吹對位置。燈泡只需要少量的風量。如果集中對燈泡吹風散熱，燈泡啟動時金屬鹵化物就無法得到充分的電離，且將無法正常工作，長期如此，燈泡內(nèi)部會發(fā)黑，燈泡不能最大限度點亮，電腦燈也無法發(fā)揮最大效能。所以，散熱要綜合考慮。

1.2 LED光源

1.2.1 LED散熱與壽命

LED的優(yōu)點多：體積小、耗電少、高亮度、低熱量。但是所謂低熱量也并非不產(chǎn)生熱量。有觀點認為，目前大功率LED電腦燈燈具效率僅在15%～30%，其余大多數(shù)能量都轉(zhuǎn)化成熱能。如果熱能不能有效散發(fā)，長期高溫會降低LED的光通量及其發(fā)光效率，引起主波長偏移、偏色，同時導(dǎo)致各元器件老化等不良后果，嚴重影響LED的壽命。

關(guān)于LED壽命的說法不一，大致在10 000 h～100 000 h。但大功率LED環(huán)境溫度達到一定限度很快產(chǎn)生光衰減，Cree公司給出了大功率白光受溫度影響光衰曲線圖（曲線圖見《演藝科技》2011年第8期P14）。按照國際慣例（也是原有光源規(guī)范的規(guī)定），光源的有效壽命定義為：光通量衰減到初始值的70%時，光源就算壽終。LED的P-N結(jié)在不同溫度下的有效壽命通過光衰曲線圖總結(jié)列表進行對比，見表1。

表1 P-N結(jié)溫度與有效壽命對比

從表1可直觀看出，LED壽命隨溫度升高而快速縮減，因此，LED的熱效能治理問題值得重視。通常半導(dǎo)體器件對高溫十分敏感，長時間發(fā)熱或高溫會影響器件的穩(wěn)定性及使用壽命。LED發(fā)光的同時會產(chǎn)生大量的熱，必須及時將產(chǎn)生的熱量散發(fā)出去，否則LED芯片會迅速老化甚至燒毀。LED特別是大功率LED電腦燈產(chǎn)生的熱量，僅靠散熱片來散熱是遠遠不夠的，這就需要對LED進行熱管理，采用基板與散熱板無隙接合、熱管技術(shù)和外加溫控風扇等手段實現(xiàn)散熱。

1.2.2 LED散熱技術(shù)

對于LED芯片本身的散熱，最主要的改進就是采用導(dǎo)熱更好的襯底材料，還有基板與散熱板無隙接合。

按照LED芯片所用的襯底劃分，目前已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的有三種技術(shù)路線，即藍寶石襯底、碳化硅襯底和硅襯底。藍寶石襯底的生產(chǎn)技術(shù)成熟、器件質(zhì)量較好、穩(wěn)定性好，能夠運用在高溫生長過程中，機械強度高，目前全球大部分LED芯片企業(yè)采用藍寶石襯底。但藍寶石襯底的導(dǎo)熱性能不是太好（在100℃時約為25 W/（m·K）），而且藍寶石要使用銀膠固定，而銀膠的導(dǎo)熱性也很差。為了改善襯底的散熱，Cree公司采用碳化硅襯底，它的導(dǎo)熱性能（490 W/（m·K））要比藍寶石高將近20倍。但其成本過高，而且有專利保護，因此目前只有Cree公司生產(chǎn)以碳化硅為襯底的LED芯片。

硅襯底為國內(nèi)的一些廠商采用。其價格相對便宜，導(dǎo)熱導(dǎo)電性能優(yōu)良，器件加工工藝成熟，且不受專利的限制。但GaN（氮化鎵）的膨脹系數(shù)和硅相差太大而容易發(fā)生龜裂，解決的方法是在中間加一層氮化鋁（AlN）作緩沖。襯底材料性能對比如表2所示。

現(xiàn)在國內(nèi)針對大功率LED散熱問題出現(xiàn)了一些新的解決辦法，例如微槽群復(fù)合相變技術(shù)（屬于熱管技術(shù)的一種）。

微槽群復(fù)合相變技術(shù)是在傳統(tǒng)散熱技術(shù)基礎(chǔ)上的優(yōu)化和突破，即利用微細尺度槽群結(jié)構(gòu)熱沉的高強度復(fù)合相變強化換熱機理進行換熱。根據(jù)不同燈具結(jié)構(gòu)，散熱器產(chǎn)品外形分為太陽花式和平板式。散熱器內(nèi)部是空腔結(jié)構(gòu)，內(nèi)部裝滿導(dǎo)熱介質(zhì)，填充負高壓。毛細微槽群復(fù)合相變?nèi)崞鲀?nèi)表面加工有許多微槽道，形成微槽群結(jié)構(gòu)，具有汽化潛熱的液體導(dǎo)熱介質(zhì)在微槽群自身結(jié)構(gòu)所形成的毛細壓力梯度下沿微槽流動，同時在槽中形成擴展彎月面薄液膜蒸發(fā)和厚液膜核態(tài)沸騰的高強度微細尺度復(fù)合相變強化換熱過程，帶走熱量，從而實現(xiàn)系統(tǒng)自身取熱與放熱的高效率、無功耗的封閉循環(huán)，達到器件冷卻的目的。

外加溫控風扇技術(shù)是基于傳統(tǒng)的散熱技術(shù)。隨著科技的發(fā)展，風扇的性能也日趨完善。

采取了基板與散熱板無隙接合、熱管技術(shù)，并像電腦CPU散熱那樣，再加裝一個高質(zhì)量的風扇來處理（當然還要考慮燈具的空間及工藝的處理）。電腦燈燈體也要加裝功率稍大但是要低噪聲的風扇。這樣把各種途徑產(chǎn)生的熱量迅速散發(fā)到燈體以外，使熱量傳導(dǎo)明顯，大幅降低器件長時間工作時的內(nèi)部溫度，降低光衰減，提高LED的光效能及大功率LED電腦燈的各項效能。

2 光學輔助組件

電腦燈中的光學器件，如反光碗、光學透鏡、色片、玻璃圖案片等，在高溫情況下出現(xiàn)的主要問題是開裂、脫膜、色彩漂移。這要求廠家在選材上必須考慮材料的耐溫特性、加工工藝和散熱技術(shù)。設(shè)計安裝上還要注意材質(zhì)的膨脹系數(shù)，如玻璃材質(zhì)由于密度不勻，受熱時會因冷熱不勻而導(dǎo)致開裂等，都是不可忽視的大問題。廠家生產(chǎn)時還要做一些熱阻隔測試，就是利用光譜的特性，在高溫玻璃上鍍上一層膜，這層膜只能讓可見光（380 nm～780 nm）通過，而阻止大部分紅外光（大于780 nm）通過，這就是通常說的燈具中隔熱片或冷光膜的作用。另外，安裝以上器件時要充分考慮玻璃及緊固器件的熱脹冷縮系數(shù)不同，緊固時要松緊適中。在以往使用中發(fā)現(xiàn)，個別燈具使用一段時間后燈泡引腳接駁點處有松動、虛連接、燒黑等現(xiàn)象，這說明有些廠家沒有處理好這一技術(shù)問題。

表2 三種襯底材料性能對比

3 金屬構(gòu)件

燈口和燈泡引腳等金屬構(gòu)件易產(chǎn)生高溫，也是處理電腦燈散熱時需著重考慮的問題。選擇金屬材料要兼顧金屬制作需要和材質(zhì)的耐高溫特性，通常廠家都選擇鋁質(zhì)材料。軸承、傳動齒輪等活動器件的高溫特性至關(guān)重要，如果不加注意，這些器件高溫膨脹后變形，可能造成電腦燈無法正常工作。

對金屬器件的加工工藝也有要求，既要考慮溫度的影響，又必須考慮燈光的特殊要求。高溫處的圖案片、光閘片、頻閃片、圖案輪、顏色輪等通常使用金屬材料（鋁制材質(zhì)），金屬圖案片朝向光源的一面鍍黑，另一面著本色的圖案。之所以一面鍍黑，一是考慮溫度因素，二是避免產(chǎn)生光的反射影響電腦燈的成像效果。

玻璃圖案片有所不同，它需要一面鍍黑一面鍍膜，但鍍黑是指不需要顯示圖案的那一部分鍍黑，而不是將玻璃的一面全部鍍黑；同時，鍍黑一面必須背對光源，否則就容易脫膜及開裂。這都是基于工藝及裝配的要求。鍍膜在本文第2部分介紹熱阻隔測試時已述及，可見光可以通過這層膜。

4 電子及電器組件

電子及電器元件對溫度相當敏感，如果超出限定溫度，勢必影響它們工作的穩(wěn)定性。所以，必須了解電腦燈的電子器件如鎮(zhèn)流器、開關(guān)電源、電機、交流電容等的工作要求，還有PCB主板相關(guān)器件（如CPU、驅(qū)動集成塊）及周邊相關(guān)電子元器件的環(huán)境溫度，同時還要考慮搖頭電腦燈搖頭時不同朝向?qū)艟邷囟鹊挠绊憽?/p>

鎮(zhèn)流器、開關(guān)電源、電機和電容可采用自然冷卻的鋁型材料散熱或直接風冷散熱，風冷可以設(shè)計定向風道引領(lǐng)風向；也可同時采用自然冷卻和直接風冷，這樣可有效提高散熱效率。CPU、驅(qū)動集成塊、功放管等電子元器件工作溫度一旦超限，就會產(chǎn)生熱保護，造成電腦燈工作不穩(wěn)定甚至整機癱瘓，所以，核心控制板安裝需盡量避開高溫。

5 膠質(zhì)器件

電腦燈內(nèi)部的膠質(zhì)線材最怕高溫，不高度防范將埋下火災(zāi)隱患。所以，線材表面防護套必須用合格的耐高溫材料，比如耐高溫的硅膠線、高溫鐵氟龍線。長期工作在高溫下的傳動皮帶也不容忽視，須選擇好的復(fù)合耐高溫傳送帶，以免傳動皮帶遇高溫硬化、開裂甚至斷裂。傳動皮帶的溫度特性是電腦燈安全與否的另一因素。對于燈具上的其他膠質(zhì)材料，首先要考慮其阻燃性、防紫外線輻射性以及耐高溫特性。

6 溫度過載保護

溫度過載保護的目的，既要保證電腦燈在設(shè)定的環(huán)境溫度下正常工作，又要保證意外高溫后切斷電源智能自行保護。電腦燈正常工作的安全環(huán)境溫度一般為40℃左右，當然溫控開關(guān)溫度設(shè)定要高于40℃，達到41℃～45℃，這是為了防止保護電路經(jīng)常性誤操作，從而導(dǎo)致電腦燈不能正常工作。

不論是工程技術(shù)人員還是燈光師，只有充分認識了高溫對電腦燈造成的影響，才能更好地避免可能出現(xiàn)的問題，使用起來才能得心應(yīng)手，為演藝活動帶來良好的燈光效果。

［1］施克孝. 大功率LED燈具的壽命. 演藝科技，2011（8）

［2］楊清德. LED照明工程與施工. 北京：金盾出版社，2009