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利用HT46R24之壓電扇片最佳化性能之研究
MCU創意設計與應用設計(10)

【作者: 林憲陽,莊凱翔,鐘一舜,沈冠佑】   2008年03月21日 星期五

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前言

高功率LED的發熱量是低功率LED的數十倍,因此,會出現隨著溫度上升,而出現發光功率降低的問題,所以在能夠抗熱性高封裝材料的開發上,就相對顯的非常重要。在20~30lm/W以下的LED,這些問題都不存在。一旦面臨60lm/w以上的高發光功率LED的時候,就不得不需要想辦法解決的,因為,熱效應所帶來的影響,絕對不會僅僅只有LED本身,而是會對整體應用產品帶來困擾。所以,LED如果能夠在這一方面獲得解決的話,那麼,也可以減輕應用產品本身的散熱負擔[1]。在以EHD技術增加LED散熱效率之研究中,微通道致冷技術,設計了大功率LED陣列封裝的微通道致冷結構,並應用熱分析軟體類比了其熱性能,探討不同鰭片結構尺寸、流速、功率等參數對LED多晶片散熱效果的影響。採用交錯通道以提高LED封裝的散熱能力,類比結果顯示,交錯微通道致冷的封裝結構能很好地滿足大功率LED陣列的散熱需要[2]。


白光LED是一種節約能源的環保照明光源,比起傳統照明光源具有省電及壽命長等優點,但使用在室內照明,因為亮度增加使得LED的發熱功率逐漸升高,傳統被動式散熱法如自然對流已無法適用於高亮度LED,因此散熱問題尚待解決[3]。LED商品化發展,散熱問題面臨嚴峻考驗。一般LED發光效率只約二成,八成大多轉換成熱,一旦LED走入照明商品化時,若無法有效散熱,易發生過熱燒毀、光衰加速及壽命縮減的問題。而一般使用的傳統自然散熱方式已不足應付。一般150瓦的LED燈具若使用傳統自然散熱方式,藉由燈具表面面積接觸空氣散熱,每瓦熱阻值達0.5~1.16℃/W上下,溫度將升達60~139℃,再加上40℃環境溫度與Tj-a 8~15℃很容易故障燒毀;同時,燈具散熱鰭片裸露在外,易累積沙塵、鳥糞,進而喪失散熱效能[4]。


在發光二極體(LED)的設計中,因為單管LED無法達到照明強度的要求,設計者經常使用多個LED來達到效果。因為散熱的原因,LED之間的最佳距離是設計者必須面臨的問題。認為LED的發熱不僅與LED間的距離有關,而且還與它們使用的金屬芯印製板(MCPCB)的絕緣層、銅箔層以及焊接層的厚度有關,並導出了它們之間的關係[5]。有關發光特性均勻性,一般認為只要改善白光LED的螢光體材料濃度均勻性與螢光體的製作技術,應該可以克服上述困擾。在散熱鰭片與印刷電路板之間的密著性直接左右熱傳導效果,因此印刷電路板的設計變得非常複雜,有鑑於此美國Lumileds與日本CITIZEN等照明設備、LED封裝廠商,相繼開發高功率LED用簡易散熱技術[6]。


材料特性以及封裝技術的限制,LED在亮度及使用壽命上目前還無法達到一般照明燈源的規格,其中一個十分重要的原因是LED封裝體發光時會產生熱量,因此若散熱設計不佳,高溫將會導致LED 晶體本身亮度降低、壽命降低、波長飄移等等。除了熱傳導之外,還具有在單體封裝等級(1st Level)就達到良好的熱對流效果[7]。LED對於照明之應用日趨重要,而其中急需解決的便是LED散熱問題,由於LED具有省電及壽命長之特性,若能有效改善其散熱問題,將能延長LED的使用壽命、減少能源的損耗。蒸氣腔體乃是在操作時產生沸騰的機制,使熱量能迅速且均勻的擴散來達到散熱和均溫的效果。研究自然對流散熱對於蒸氣腔體散熱模組的性能影響,以提供未來對於蒸氣腔體散熱模組進一步的分析與改善[8]。


改善封膠之傳導係數對於LED之散熱有相當之助益。除此之外,改變PCB材料或置換基板為鋁或銅材為降低晶片溫度與熱阻最有效之方法。印刷電路板面積大小對LED散熱有一定程度影響,LED封膠幾何形狀缺角有降低熱阻之功效[9]。


研究動機與目的

研究動機

微控制器來控制壓電扇片是目前新科技的新型電風扇,而目前的研究都沒有指出它的功效有多大,是否能讓熱源有效降低多少溫度,或使溫度維持在一定的溫度,是否有辦法跟一般電扇相比,比起一般的電扇好處在哪,還有它能廣泛運用在其他領域。由於目前市場上廣泛的應用LED光源,LED是個容易因為過熱而加速損壞的光源,所以LED的散熱部份相當重要,因此想利用溫度感測器來偵測LED模組溫度並利用微控制器來驅動壓電扇片,讓該模組的溫度緩慢降低,以達散熱之效果。


研究目的

本研究是利用微控制器驅動壓電扇片做散熱,由於目前LED的散熱方式主要有鋁基板配合散熱鰭片。以LED模組為熱源,由於該模組在長時間使用下會產生較高的溫度,所以利用溫度感測器來偵測該熱源所產生之溫度,當感測器溫度顯示過高時,微控制器將會立即驅動壓電扇片,使讓該模組的整體溫度降低或保持在一定的溫度下,並分析在輸入60HZ,110V的情形下,利用微控制器使壓電扇片能有最佳化的散熱效果。


實驗架構與方法

實驗模組架構

本研究之實驗系統架構,如圖一所示,選用50mm的圓形串聯鋁基板,再將LED焊接於電路板正面,其規格為最大功率3W與工作電流750mA的白光LED燈泡共5顆,搭配足夠功率的直流電源供應器,加上降低電流的電路,使每顆LED達到相同的工作電壓。在鋁機板另一側則裝置散熱鰭片,藉此將LED產生的熱量傳導至鰭片上,鰭片的規格為55mm×55mm的鋁合金片狀式散熱片,將其用螺絲固定於電路板背面,並在LED、電路版、散熱鰭片間都均勻塗上散熱膏,增加熱傳導的速率。然後將其固定於壓克力箱中,目的在於減少外界氣流對實驗的干擾。為量測散熱鰭片的溫度變化,將熱電偶式溫度計與熱敏電阻的感應端塗上散熱膏,連接在鋁基板上,以量測鋁基板上的溫度變化。


《圖一 實際系統架構》
《圖一 實際系統架構》

實驗方法

先將LED電路外接直流電源供應器,透過降壓電路,固定輸出給LED模組總電壓為17V,使其運作發亮,因散熱?片溫度若超過60℃,LED燈泡會發生閃爍或是燒壞現象,所以測量溫度上限定為53℃。當鋁基板溫度達到48℃時,透過熱敏電阻送出的信號,經過微控制器內部做比較,將開啟控制壓電扇片之電路,如圖二所示。


輸入至LED模組電功率為4.7W,經過約20分鐘後LED面板溫度就會,將升溫測量時間定為30分鐘,讓LED繼續發光30分鐘,藉此得到在自然的狀態下的升溫變化,以確定實驗結果之重複性,因此實驗時間共為1小時。實驗過程中每上升一度紀錄溫度計的溫度與熱敏電阻上的電壓,再根據所測得電壓值對時間繪圖,得到電壓與溫度的關係。


《圖二  閉迴路控制方塊圖》
《圖二  閉迴路控制方塊圖》

溫度與時間觀測

將模組置於一個25×25×25㎝壓克力箱子中的封閉空間,使內部空氣處於非對流的狀態。由於風扇與LED模組之間有距離,分別為0mm、5mm、10mm、15mm、2mm、25mm,不同距離所接受的風量,藉此可判斷下降溫度的時間差異性。


風速量測

在風速測定上本研究使用熱線風速計(KIMO CONSTRUCTOR製造之機型;型號VT100)量測扇片尖端受電場作用後因葉片擺動衍生之風速,其原理為將一白金線置於待測的流體中,利用不同的流速時,有不同的冷卻效應,因此白金線所呈現之電阻發生變化,電流因而改變,經由電表讀數校正後,即可得流速。此熱線風速計最大之優點為體積小,量測精度高(可達0.01 m/s),因此被用來作為本文壓電致動扇片風速之量測,在風速量測架設上,熱線風速計的白金線距離扇片自由端在分別為7mm、12mm、17mm、22mm、27mm、3.2mm,如圖三所示。


3.5 HT46R24 Based 控制器電路圖


《圖三 風扇架設時的孔距》
《圖三 風扇架設時的孔距》

本文之壓電扇片與LED控制電路,主要是由HT46R24 MCU、壓電扇片、LED驅動電路與溫度感測電路等所構成電路方塊圖,如下圖四所示,說明如下:


  • ●溫度感測電路:使用一10k歐姆熱敏電阻與一 15k歐姆電阻串聯,再並聯一12V齊納二極體穩壓,再由MCU之AN0接腳量取熱敏電阻構成之分壓。


  • ●LED驅動電路:MCU之PWM接腳輸出訊號至功率電晶體驅動LED。


  • ●壓電風扇驅動電路:MCU之PA0接腳一繼電器控制壓電風扇動作。




《圖四  壓電扇片與LED控制電路說明》
《圖四  壓電扇片與LED控制電路說明》

MCU程式

首先需擷取熱敏電阻的電壓,在HT46R24的微控制器程式中建立查表,再利用此微控制器內部的ADC功能轉換透過查表的方式後,再根據微控制器程式內部的做一個判斷,使微控制器到某一溫度的電壓後,給驅動電路一個信號,用一個I/O Pin來開啟壓電扇片的驅動電路。


結果與討論

溫度與時間觀測結果

由於模組是置於一個封閉的空間,受環境溫度的影響相對降低,在實驗過程中每上升一度紀錄溫度計的溫度與熱敏電阻上的電壓,如表一及表二所示。再根據所測得電壓值對時間繪圖,如圖五及圖六所示,得到電壓與溫度的關係。


當鋁基板的溫度達到48℃時,由於扇片架設的距離不同,能讓鋁基板的溫度下降速度變快,而距離越遠,能提供的散熱效果有限,如圖七、表三所示。


(表一) 溫度與電壓對照表

時間

溫度

電壓

2

32

3.5

4

35

3.1

6

36

2.9

8

37

2.7

10

38

2.6

12

39

2.5

14

40

2.4

16

41

2.3

18

42

2.3

20

43

2.2

22

44

2.2

24

44

2.1

26

45

2.05

28

45

1.98

30

46

1.92

32

46

1.88

34

47

1.84


(表二) 溫度時間與電壓對照表(使用風扇)

時間

溫度

電壓

2

32

3.56

4

33

3.42

6

33

3.38

8

34

3.32

10

34

3.28

12

34

3.27

14

35

3.23

16

35

3.21

18

35

3.21

20

35

3.21

22

35

3.19

24

35

3.18

26

35

3.18

28

35

3.17

30

35

3.17



《圖五 溫度與電壓曲線》
《圖五 溫度與電壓曲線》

《圖六 溫度與時間曲線圖(使用風扇)》
《圖六 溫度與時間曲線圖(使用風扇)》

《圖七 時間與溫度比較圖》
《圖七 時間與溫度比較圖》
(表三) 溫度與時間對照表

距離

0mm

0.5mm

1mm

溫度

時間

時間

時間

47

0

0

0

46

0.15

0.33

0.35

45

0.3

0.55

2.5

44

1.46

2.58

3.5

43

3.58

5.4

5.5

42

6

8.45

10.4

41

9.45

15.08

-----

40

12.3

-----

-----

39

14.45

-----

-----

距離

1.5mm

2mm

2.5mm

溫度

時間

時間

時間

47

0

0

0

46

0.37

0.4

1.12

45

1.06

1.15

2.09

44

3.1

4.25

4.4

43

5.59

6.4

8.13

42

12.3

13.5

17.12


風速量測結果

利用熱線風速計所測得壓電扇片的尖端風速,如圖八所示。除了觀測風速,也可以透過風速計上的溫度顯示,觀察些微的溫度變化。距離越近,量測得到的風速越高,能使下降的溫度也越快,如表四所示。


《圖八 各距離測得的尖端風速》
《圖八 各距離測得的尖端風速》
(表四) 風速量測
距離(mm)

風速(m/s)

平均(m/s)

0.7

2.58

2.74

2.66

1.2

2.28

2.41

2.345

1.7

1.7

2.1

1.9

2.2

1.16

1.56

1.36

2.7

0.7

1.1

0.9

3.2

0.75

0.95

0.85


實驗結果

透過降壓的電路,隨著長時間的下來,容易過熱,會使提供LED模組的電壓稍微的上升,使LED毀損。風扇的部分,壓電體在長時間沒有驅動,而且暴露在潮濕的環境之下,很容易造成扇片發生故障,原因可能是跳開原有的頻率60Hz,因此所能提供降溫效果相對的減半。


模組溫度與風扇距離的量測結果,距離越近,所能呈現的效果越佳;反之,距離越遠,相對的效果越差。量測下來,最後下降的均溫皆在42℃,只有距離模組在0mm所能提供最佳的降溫效果。


結論

本實驗的主要目的在於使用壓電扇片增強散熱鰭片的散熱能力,找出較佳的系統架構方式來提升其散熱效果,如圖九、圖十所示,使之能夠應用在未來普遍的照明系統上。實驗結論如下:


1.若壓電扇片太靠近散熱鰭片,如果受到碰撞,導致扇片位移,有可能導致壓電扇片與散熱鰭片直接接觸,因此會讓壓電扇片無法啟動。因此,將扇片離鰭片的距離,增加為1~2mm,來避免碰撞的情形。


2.使用相同功率和相同的時間下,與傳統扇片的方式作比較,壓電扇片的效果比傳統扇片的效果差一點,但壓電扇片並不會產生太大的噪音與產生熱源,而且能直接使用110V的交流電,與傳統風扇比較,比較方便。若能降低壓電扇片的成本,散熱效能將會大幅提昇,進而取代傳統風扇。


《圖九 實驗架構俯視圖》
《圖九 實驗架構俯視圖》
《圖十 實驗架構前視圖:(1)底座(2)六角支撐柱(3)散熱鰭片底座(4)LED(3W60ln)(5)鋁基板(6)散熱鰭片(7)壓電扇片(8)風扇固定孔(9)固定風扇基座(10)六角支撐柱》
《圖十 實驗架構前視圖:(1)底座(2)六角支撐柱(3)散熱鰭片底座(4)LED(3W60ln)(5)鋁基板(6)散熱鰭片(7)壓電扇片(8)風扇固定孔(9)固定風扇基座(10)六角支撐柱》

參考文獻

[1]高亮度LED技術與應用趨勢(3)-散熱問題持續困擾高功率白光LED的應用,http://tech.digitimes.com.tw/ShowNews.aspx?zCatId=A1E&zNotesDocId=3AF2815469F61076482571A30056FAC1。


[2]基於微通道致冷的大功率LED 陣列封裝熱分析,http://scholar.ilib.cn/A-bdtgd200606016.html。


[3]黃政德,2004,“以EHD技術增加LED散熱效率之研究”,碩士論文,國立清華大學。


[4]鑫源盛科技股份有限公司、熱管、Total thermal Solution,http://www.ttic-tech.com.tw/news4.html。


[5]金屬芯印製板結構對發光二極體發熱的影響,http://www.wanfangdata.com.cn/qikan/periodical.articles/yzdlxx/yzdl2005/0509/050915.htm。


[6]技術洞察-改善散熱結構提昇白光LED使用壽命, http://tech.digitimes.com.tw/ShowNews.aspx?zCatId=12A&zNotesDocId=E69752F3229E3DB448257213005B6466。


[7]高功率LED 的散熱處理 ,http://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=5283。


[8]李明坤,2005,“LED蒸氣腔體散熱模組”,碩士論文,國立臺灣大學。


[9]楊正宏,2004,“應用有限體積法對LED構裝體與模組之熱阻分析”,碩士論文,長庚大學。


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