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LEDLED 照明热设计研究毕业论文照明热设计研究毕业论文 目录 前言 II 第一章 概述 1 1 1 LED 的发展史 1 1 2 LED 国内技术进展和市场前景分析 1 第二章 LED 的基础知识 3 2 1 LED 的结构 3 2 2 LED 的光源基本特征 3 2 2 1 发光效率高 3 2 2 2 耗电量少 4 2 2 3 使用寿命长 4 2 2 4 安全与环保 4 2 3 LED 光源的特点 4 2 4 常见 LED 的分类 5 2 4 1 按发光管发光颜色分类 5 2 4 2 按发光管出光面特征分类 5 2 4 3 按发光二极管的结构分类 5 2 4 4 按发光强度和工作电流分类 5 2 4 5 按功率分类 6 2 4 5 按封装形式分类 6 2 5 大功率 LED 封装结构 6 2 6 常见照明灯具与 LED 的各性能对比 6 第三章 热设计的理论基础 9 3 1 LED 照明热的产生 9 3 2 散热的基础理论 9 3 2 1 热传导 9 3 2 2 热对流 10 3 2 3 热辐射 11 第四章 LED 的指标 12 4 1 LED 的主要性能指标 12 4 1 1 LED 的颜色 12 4 1 2 LED 的电流 12 4 1 3 LED 的电压 12 4 1 4 LED 的反向电压 VRm 12 4 1 5 LED 的色温 12 4 1 6 LED 发光强度 12 4 1 7 LED 光通量 13 4 1 8 LED 的使用寿命 13 4 2 LED 的热学指标 13 4 2 1 热阻 Rth 13 4 2 2 LED 的结温 14 4 3 LED 正常工作条件或状态 15 第五章 大功率 LED 散热分析 16 5 1 大功率 LED 照明热设计流程 16 5 2 大功率 LED 照明热设计方案 16 5 2 1 结温的评估 17 5 2 2 热阻的评估计算 17 5 2 3 LED 灯具对流热传递计算 17 5 2 4 LED 灯具导热传递计算 17 5 2 5LED 灯具辐射热传递计算 18 5 3 计算分析 LED 实验并得出结论 18 第六章 LED 照明灯具的应用及对未来的展望 19 6 1 道路交通领域 19 6 2 交通工具领域 19 6 3 显示屏 19 6 4 农业 19 6 5 渔业 19 6 6 医疗 20 6 7 通信 20 结 束 语 21 致 谢 22 参考文献 23 第一章 概述 1 1 LED 的发展史 1907 年 Henry Joseph Round 第一次在一块碳化硅里观察到电致发光现象 1936 年 George Destiau 发表了一个关于硫化锌粉末发射光的报告 随着电流 的应用和被广泛的认识 最终出现了 电致发光 这个术语 20 世纪 50 年代 英国科学家在电致发光的实验中使用半导体砷化镓发明了第一个具有现代意义 的 LED 并于 60 年代面世 20 世纪 60 年代末 在砷化镓基础上使用磷化物发 明了第一个可见的红光 LED 磷化镓的改变使得 LED 更高效 发出的红光更亮 甚至产生出橙色的光 70 年代中期 磷化镓被用作发光光源 随后就发出灰白 绿光 80 年代早期到中期对砷化镓 磷化铝的使用使得第一代高亮度的 LED 诞 生 先是红色 接着就是黄色 最后为绿色 90 年代中期 出现了超高亮度的 氮化镓 LED LED 从最初的约 0 05lm W 的光效 经历了 0 1lm W 时代 几流明 瓦时代 数十流明 瓦时代 到现在的约 120lm W 以上的发光效率 然而 LED 的发展不 单纯是它的颜色和亮度 而是像计算机一样 遵循摩尔定律的发展 每隔 18 个 月 它的亮度就会增加一倍 早期的 LED 只能应用于指示灯 而现在开始出现 在超亮度的照明和显示领域 1 2 LED 国内技术进展和市场前景分析 近几年 由于 LED 的光谱全部集中于可见光频率 效率可以达到 50 以上 而光效差不多的白炽灯可见光效率仅为 10 20 而成本也下降了 90 这些优 势无疑把 LED 推向了照明市场的巅峰 目前 LED 已广泛应用在大面积图文全彩 显示 状态指示 标志照明 信号显示 液晶显示器的背光 汽车组合尾灯及 车内照明等方面 根据固体发光物理学原理 LED 的发光效率能接近 100 因 此 LED 被誉为 21 世纪新光源 有望成为继白炽灯 荧光灯 高强度气体放电 灯之后的第四代光源 LED 应用领域也逐渐壮大 1 LED 显示屏的应用市场 我国 LED 显示屏市场起步较早 出现了一批具 有很强实力的 LED 显示屏生产厂商 凭借着独特优势 LED 全彩显示屏广泛应 用在银行 证券交易所 医院 体育场馆 市政广场 车站 机场等场所 在 LED 需求量上 LED 显示屏仅次于 LED 指示灯名列第二 2 背光源市场 LED 早已应用在以手机为主的小尺寸液晶面板背光源中 手机产量的持续增长带动了背光源市场的快速发展 特别是彩屏手机的出现更 是推动了白光 LED 市场的快速发展 3 车灯市场 从整个 LED 应用市场看 汽车应用市场还处于未发展阶段 市场规模也在不断扩大 LED 作为车灯主要得益于低功耗 长寿命和响应速度 快的特点 凭借着汽车产业的巨大产能 LED 车灯市场有着巨大的发展潜力 4 室内装饰灯市场 室内装饰灯市场是 LED 的另一新兴市场 5 景观照明市场 目前 LED 已越来越多的应用到景观照明市场中 北京 上海等地已建成一批 LED 景观照明工程 这些工程在装饰街道的同时还将起到 示范作用 将会使 LED 景观照明从一级城市快速向二级 三级城市扩展 6 通用照明市场 对于 LED 进入通用照明市场 功率型的白光 LED 除面临 着发展效益低 散热不好 成本过高等问题外 还面临光学 结构与电控等技 术的整合以及 LED 照明产品通用标准的制定问题 解决这些问题还需要一定的 时间 第二章 LED 的基础知识 2 1 LED 的结构 LED 的结构主要由 PN 结芯片 电极和光学系统组成 LED 核心部分是由 p 型半导体和 n 型半导体组成的晶片 在 p 型半导体和 n 型半导体之间有 一个过渡层 称为 p n 结 当在电极上加上正向偏压之后 电子和空穴分别 注入 P 区和 N 区 当非平衡少数载流子与多数载流子复合时 就会以辐射光电 子的形式将多余的能量以光的形式释放出来 从而把电能直接转换为光能 LED 的基本结构是一块电致发光的半导体材料 它被置于一个有引线的架 子上 然后四周用环氧树脂密封 起到保护内部芯线的作用 如图 1 1 所示 LED 的两根引线中较长的一根为正极 应接电源正极 有的 LED 的两根引线一 样长 但管壳上有一凸起的小舌 靠近小舌的引线是正极 与白炽灯和氖灯相 比 当它处于正向工作状态时 即两端加上正向电压 电流从 LED 阳极流向 阴极时 半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线 光的强弱与电流有 关 2 1 发光二极管的构造图 2 2 LED 的光源基本特征 2 2 1 发光效率高 LED 经过几十年的技术改良 其发光效率有了较大的提升 白炽灯 卤钨 灯光效为 12 24 流明 瓦 荧光灯 50 70 流明 瓦 钠灯 90 140 流明 瓦 大部 分的耗电变成热量损耗 而 LED 光效经改良后将达到 50 200 流明 瓦 而其光 的单色性好 光谱窄 无需过滤可直接发出有色可见光 目前 世界各国均加 紧提高 LED 光效方面的研究 在不远的将来其发光效率将有更大的提高 2 2 市面上的 LED 灯具图 2 2 2 耗电量少 LED 单管功率 0 03 0 06 瓦 采用直流驱动 单管驱动电压 1 5 3 5 伏 电流 15 18 毫安 反应速度快 可在高频操作 同样照明效果的情况下 耗电 量是白炽灯的万分之一 荧光灯管的二分之一 日本估计 如果采用光效比荧 光灯还要高两倍的 LED 代替日本一半的白炽灯和荧光灯 每年可节约相当于 60 亿升原油 就桥梁护栏灯例 同样效果的一支日光灯 40 多瓦 而采用 LED 每支 的功率只有 8 瓦 而且可以七彩变化 2 2 3 使用寿命长 LED 灯体积小 重量轻 环氧树脂封装 可承受高强度机械冲击和震动 不易破碎 平均寿命达 10 万小时 LED 灯具使用寿命可达 5 10 年 可以大大 降低灯具的维护费用 避免经常换灯之苦 2 2 4 安全与环保 LED 安全可靠性强发热量低 无热辐射性 冷光源 可以安全抵摸 能精 确控制光型及发光角度 光色柔和 无眩光 不含汞 钠元素等可能危害健康 的物质 内置微处理系统可以控制发光强度 调整发光方式 实现光与艺术结 合 有利于环保 LED 为全固体发光体 耐震 耐冲击 不易破碎 废弃物可回 收 没有污染 光源体积小 可以随意组合 易开发成轻便薄短小型照明产品 也便于安装和维护 2 3 LED 光源的特点 1 电压 LED 使用低压电源 供电电压在 6V 24V 之间 根据产品不同而 异 所以它是一个比使用高压电源更安全的电源 特别适用于公共场所 2 效能 消耗能量较同光效的白炽灯减少 80 3 适用性 很小 每个单元 LED 小片是 3 5mm 的正方形 所以可以制备成 各种形状的器件 并且适合于易变的环境 4 稳定性 10 万小时 光衰为初始的 50 5 响应时间 其白炽灯的响应时间为毫秒级 LED 灯的响应时间为纳秒级 6 对环境污染 无有害金属汞 7 颜色 改变电流可以变色 发光二极管方便地通过化学修饰方法 调整 材料的能带结构和带隙 实现红黄绿兰橙多色发光 如小电流时为红色的 LED 随着电流的增加 可以依次变为橙色 黄色 最后为绿色 8 价格 LED 的价格比较昂贵 较之于白炽灯 几只 LED 的价格就可以与 一只白炽灯的价格相当 而通常每组信号灯需由上 300 500 只二极管构成 2 4 常见 LED 的分类 2 4 1 按发光管发光颜色分类 根据发光管颜色的不同 可分成红色 橙色 绿色 又细分黄绿 标准绿 和纯绿 蓝光等 另外 有的发光二极管中包含二种或三种颜色的芯片 根据 发光二极管出光处掺或不掺散射剂 有色还是无色 上述各种颜色的发光二极 管还可分成有色透明 无色透明 有色散射和无色散射四种类型 散射型发光 二极管不适合做指示灯用 2 4 2 按发光管出光面特征分类 根据发光管出光面特征的不同 可分为圆灯 方灯 矩形 面发光管 侧 向管 表面安装用微型管等 圆形灯按直径分为 2mm 4 4mm 5mm 8mm 10mm 及 20mm 等 由半值角大小可以估 计圆形发光强度角分布情况 从发光强度角分布图来分有三类 1 高指向性 一般为尖头环氧封装 或是带金属反射腔封装 且不加散射 剂 半值角为 5 20 或更小 具有很高的指向性 可作局部照明光源用 或与光检出器联用以组成自动检测系统 2 标准型 通常作指示灯用 其半值角为 20 45 3 散射型 这是视角较大的指示灯 半值角为 45 90 或更大 散射 剂的量较大 2 4 3 按发光二极管的结构分类 根据发光二极管的结构 可分为全环氧包封 金属底座环氧封装 陶瓷底 座环氧封装及玻璃封装等结构 2 4 4 按发光强度和工作电流分类 有普通亮度的 LED 发光强度小于 10mcd 超高亮度的 LED 发 光强度大于 100mcd 把发光强度在 10 100mcd 间的叫高亮度发光 二极管 一般 LED 的工作电流在十几 mA 至几十 mA 而低电流 LED 的工作电流 在 2mA 以下 亮度与普通发光管相同 2 4 5 按功率分类 有小功率 LED 0 04 0 08W 中功率 LED 0 1 0 5W 大功率 LED 1 500W 随着技术的发展 LED 的功率越做越大 2 4 5 按封装形式分类 一种是 SMD 贴片 和 DIP 直插 两种 2 5 大功率 LED 封装结构 随着半导体材料和封装工艺的提高 LED 的光通量和出光效率逐渐提高 从 而使固体光源成为可能 已广泛应用于交通灯 汽车照明 广告牌等特殊照明 领域 并且逐渐向普通照明领域过渡 被公认为有望取代白炽灯 荧光灯的第 四代光源 不同应用领域对 LED 光源提出更高要求 除了对 LED 出光效率 光色有不 同的要求 而且对出光角度 光强分布有不同的要求 这不但需要上游芯片厂 开发新半导体材料 提高芯片制作工艺 设计出满足要求的芯片 而且对下游 封装厂提出更高要求 设计出满足一定光强分布的封装结构 提高 LED 外部的 光利用率 目前封装多种多样 封装将随着今后的发展 不断改进和迎合实际需要 为 LED 今后在各个领域应用奠定基础 2 3 大功率 LED 封装结构图 2 6 常见照明灯具与 LED 的各性能对比 光通量 由于人眼对不同波长的电磁波具有不同的灵敏度 我们不能直 接用光源的辐射功率或辐射通量来衡量光能量 必须采用以人眼对光的感觉 量为基准的单位 光通量来衡量 光通量用符号 表示 单位为流 lm 目前白炽灯 卤钨灯 的光通量为 12 24 流明 瓦 荧光灯 50 70 流明 瓦钠灯 90 140 流明 瓦 目前 LED 的光通量可达到 到 50 200 流明 瓦 对 于现阶段常见的白光 LED 的光通量 0 06W 为 3 5 lm 0 2W 为 13 15 lm 1W 为 60 80 lm 下表列出 LED 分别在 1W 3W 5W 7W 9W 12W 的光通量分别对照卤 素灯 白炽灯 节能灯在相同光通量下的功率比较 表 2 1 光通量应用效率比较 LED卤素灯白炽灯节能灯 1W35W25W5W 3W50W40W7W 5W60W12W 7W100W24W 9W150W30W 12W200W40W LED 亮度 一般用发光强度表示 单位是坎德拉 cd 1000ucd 微坎德拉 1 mcd 毫坎德 拉 1000mcd 1 cd 室内用单只 LED 的光强一般为 500ucd 50 mcd 而户外用单只 LED 的光强一般应为 100 mcd 1000 mcd 甚至 1000 mcd 以上 在相同亮度为 800ucd 下进行节能比较 结果如下表所示 表 2 2 节能比较 按每天 8 小时 一年时间的用电量 LED卤素灯白炽灯节能灯 实际用电实际用电耗电 比实际用电耗电 比实际用电耗电 比 1W 8 365 2 92 度 35W 8 365 102 2 度 比 LED 耗能 99 28 度 3400 25W 8 365 73 度 比 LED 耗能 70 度 2400 5W 8 365 14 6 度 比 LED 耗能 11 68 度 400 3W 8 365 8 76 度 50W 8 365 146 度 比 LED 耗能 137 2 度 1566 40W 8 365 116 8 度 比 LED 耗能 108 度 1100 7W 8 365 20 44 度 比 LED 耗能 15 68 度 133 5W 8 365 14 6 度 60W 8 365 175 2 度 比 LED 耗能 160 6 度 1233 12W 8 365 35 度 比 LED 耗能 20 4 度 140 7W 8 365 20 2 度 100W 8 365 292 度 比 LED 耗能 271 6 度 1345 24W 8 365 70 度 比 LED 耗能 162 表 2 3 使用寿命的比较 表 2 4 一颗寿命 50000 小时 的成本合计与卤素灯 白炽灯 节能灯对比 49 6 度 9W 8 365 26 2 度 150W 8 365 438 度 比 LED 耗能 411 8 度 1571 30W 8 365 87 6 度 比 LED 耗能 61 4 度 183 12W 8 36 5 35 度 200W 8 365 584 度 比 LED 耗能 549 度 1567 40W 8 365 116 8 度 比 LED 耗能 81 8 度 203 LED卤素灯白炽灯节能灯 约 50000 小时 1 个 约 2000 小时 1 个约 1500 小时 1 个约 8000 小时 1 个 1 PCS LED25 PCS 卤素灯33 PCS 白炽灯6 PCS 节能灯 7W LED50W 卤素灯100W 白炽灯24W 节能灯 电费50000 小时 7W 1000 0 8 元 280 元 50000 小时 50W 1000 0 8 元 2000 元 50000 小时 100W 1000 0 8 元 4000 元 50000 小时 24W 1000 0 8 元 960 元 灯具成本 300 1PCS 300 元 2 元 25PCS 50 元 1 元 33PCS 33 元30 元 6PCS 180 元 合计580 元2050 元4033 元1140 元 差额 与 LED 相比 1470 元3453 元560 元 第三章 热设计的理论基础 3 1 LED 照明热的产生 与传统光源一样 LED 在工作期间也会产生热量 其多少取决于整体 的发光效率 在外加电能量作用下 电子和空穴的辐射复合发生电致发光 在 PN 结附近辐射出来的光需经过芯片本身的半导体介质和封装介质才能抵达外界 空气 综合电流注入效率 辐射发光量子效率 芯片外部取出效率等 最终 大概有 50 60 输入电能转化为光能 其余 40 50 的能量主要以非辐射复合发 生的点阵振动的形式转化热能 3 2 散热的基础理论 凡是有温差的地方就有热量的传递 热量传递的两个基本规律是 热量从 高温区流向低温区 高温区发出的热量必定等于低温区吸收的热量 达到一 种热平衡状态 3 2 1 热传导 气体导热是由气体分子不规则运动时相互碰撞的结果 金属导体主要靠自 由电子的运动来完成 非导电固体中的导热通过晶体结构的振动实现的 液体 中的导热机理主要靠弹性波的作用 热传导基本定理是傅里叶定理 在纯导热中 单位时间内通过给定面积的 热流量 正比于该地垂直于导热方向的截面积及其温度变化率 热传导的计算公式 c A t x 式中 c 热流量 W 导热系数 W m2 oC A 导热方向上的 截面面积 m2 t x X 方向的温度变化率 oC m 负号表示热量传递的方 向与温度梯度的方向相反 导热系数是表示物质导热能力的物理量 对于不同的物质 其导热系数各 不相同 影响其数值大小的主要因素是物质的种类和温度等 一些常用材料的 导热系数如表下表所示 表 2 5 材料名称导热系数 k材料名称导热系数 k 铝 51 硅 146 铍 177 氧化铝 11 8 铍铜 106 3 氧化铍 118 黄铜 122 碳化硼 39 4 铜 394 金刚石 630 金 291 环氧树脂 0 197 铁 66 9 导热环氧树脂 0 787 柯伐合金 16 5 云母 0 709 铅 34 3 聚酯树脂薄膜 0 197 镁 157 酚醛塑料 0 197 钼 130 硅润滑油 0 197 蒙乃尔耐蚀合金 19 7 硅橡胶 0 197 银 417 聚四氟乙烯 0 197 锌 102 硅脂 0 197 锡 63 321 不锈钢 14 6 钛 15 7 410 不锈钢 24 钨 197 低碳钢 66 9 热传导的改善 减小热传路径长度 芯片封装外壳在保证电机性能前提下尽量薄 导热膏或者导热垫尽量薄 散热片的导热底尽量薄 选用导热系数高的材料 增加导热面积 a 散热片吸收底面积增加 芯片有效散热面积增大 纵向热阻减小 b 散热底板厚度增加 芯片有效散热面积增大 横向热阻减小 3 2 2 热对流 对流是指流体各部分之间发生相对位移时所引起的热量传递过程 对流仅 发生在流体中 且必然伴随着有导热现象 流体通过某物体表面时所发生的热 交换过程 称为对流换热 若流体运动是借由温度差所造成的密度变化 产生 浮力带动运动 此种热传送为自然对流 若是借由外在动力驱动流体运动将热 带走 则称为强制对流 如风机等引起的 对流换热的计算公式为 D hcA tw ts 式中 hc 对流换热系数 W m2 oC A 对流换热面积 m2 tw 热表面温度 oC ts 冷却流体温度 oC 表 2 6 给出了几种最常见的对流换热方式的换热系数的大致范围 表 2 6 对流换热系数大致范围 对流换热方式换热系数 W m2 空气自然对流3 10 气体强迫对流20 100 水自然对流200 1000 水强迫对流1000 15000 水沸腾2500 25000 高压水蒸气强迫对流500 3500 水蒸气凝结5000 15000 热对流改善 1 增加流体换热系数 单位 W m2 oC 2 增加换热面积 3 2 3 热辐射 物体以电磁波方式传递能量的过程称为热辐射 辐射能在真空中传递能量 且有能量方式的转换 即热能转换为辐射能及从辐射能转换成热能 任意物体 的热辐射能力表示为 F A o TW4 TS4 式中 物体的黑度 o 斯蒂芬 波尔兹常数 5 67 10 8 m k4 A 辐 射表面积 m2 T 物体表面的热力学温度 K 第四章 LED 的指标 4 1 LED 的主要性能指标 4 1 1 LED 的颜色 LED 的颜色是一个重要的指标 是每一个 LED 相关灯具产品必须标明 目 前 LED 的颜色主要有红色 绿色 蓝色 青色 黄色 白色 暖白 琥珀色等 其他的颜色 而颜色的不同也会引起相关参数有很大的变化 4 1 2 LED 的电流 LED 的正向极限电流 IF 多在 20MA 而且 LED 的光衰电流不能大于 IF 3 大约 15MA 和 18MA LED 的发光强度仅在一定范围内与 IF 成正比 当 IF 20MA 时 亮度增强已经无法用内眼分出来 因此 LED 的工作电流一般选在 17 19MA 左右比较合理 这些都是针对普通小功率 LED 而言 而大功率 LED 一 般 0 5WLED IF 150MA 1WLED IF 350MA 3WLED IF 750MA 等等 4 1 3 LED 的电压 我们通常所说的是 LED 正向电压 就是说 LED 的正极接电源正极 负极接 电源负极 电压与颜色有关系 红 黄 黄绿的电压是 1 8 2 4V 之间 白 蓝 翠绿的电压是 3 0 3 6V 之间 可能同样一批 LED 的电压略微会有一些差异 4 1 4 LED 的反向电压 VRm 所允许加的最大反向电压 超过此值 发光二极管可能被击穿损坏 4 1 5 LED 的色温 以绝对温度 K 来表示 即将一标准黑体加热 温度升高到一定程度时颜色 开始由深红 浅红 橙黄 白 蓝 逐渐改变 某光源与黑体的颜色相同时 我们 将黑体当时的绝对温度称为该光源之色温 4 1 6 LED 发光强度 单位坎德拉 即 cd 光源在给定方向的单位立体角中发射的光通量定义为 光源在该方向的发光强度 它即是描述了光源到底有多亮 发光强度越大 光 源越亮 一般 LED 用单位是 mcd 1000ucd 微坎德拉 1 mcd 毫坎德 拉 1000mcd 1 cd 室内用单只 LED 的光强一般为 500ucd 50 mcd 而户外用单只 LED 的光强一般应为 100 mcd 1000 mcd 甚至 1000 mcd 以上 4 1 7 LED 光通量 单位流明 即 lm 光源在单位时间内发射出的光量称为光源的发光通量 光源的光通量越大 则发出的光线越多 现在对常用白光 LED 流明例举出来如 下 0 06W 3 5lm 0 2W 13 15lm 1W 60 80lm 4 1 8 LED 的使用寿命 LED 一般都是可以使用 50 000 小时以上 LED 之所以持久 是因为它不会 产生灯丝熔断问题 有预测表明 高质量 LED 在经过 50 000 小时的持续运作后 还能维持初始灯光亮度的 60 以上 4 2 LED 的热学指标 4 2 1 热阻 Rth 在 LED 点亮后达到热量传导稳态时 芯片表面每耗散 1W 的功率 芯片 pn 结点的温度与连接的支架或铝基板的温度之间的温差就称为热阻 Rth 单位为 W 数值越低 表示芯片中的热量传导到支架或铝基板上就越快 这有利于降 低芯片中的 pn 结的温度 从而延长 LED 的寿命 热阻是沿热流通道上的温度差与通道上耗散的功率之比 对于 LED 来说 热阻一般是指从 LED 芯片 pn 结到翅片上的热阻 对于单个 LED 设定 PN 结点生成的热沿着 结点 翅片 铝基散热电路板 空气 这个热路径传导 采用等效电路的热阻计算 PN 结点到环境的总热阻 Rja Rjs Rsb Rba 其中 Rjs Rsb Rba 分别是从结点到翅片 翅片到散热电路板 散热电 路板到空气的热阻 影响热阻的大小与以下因素有关 1 与 LED 芯片本身的结构与材料有关 2 与 LED 芯片粘结所用的材料的导热性能及粘结时的质量有关 是用导 热性能很好的胶 还是用绝缘导热的胶 还是用金属直接连接 3 翅片是用导热很好的铜 或者铝 而且与铜 铝的散热面积大小也有 直接的关系 总之选用一定的材料与控制相关的技术细节 就可以降低 LED 的热阻 从 而提高 LED 的寿命与工作效能 4 2 2 LED 的结温 LED 的基本结构是一个半导体的 P N 结 实验指出 当电流流过 LED 元件 时 P N 结的温度将上升 严格意义上说 就把 P N 结区的温度定义为 LED 的结温 通常由于元件芯片均具有很小的尺寸 因此我们也可把 LED 芯片的温 度视之为结温 结温 Tj 是衡量 LED 封装散热性能的一个重要指标 结温的表达式为 Tj Rja Pd Ta 其中 Pd 为耗散的功率 Rja 为 LED 器件 PN 结与环境温度的总热阻 Tj Ta 分别为 LED 器件 PN 结的结点温度和器件周围的环境温度 式中表明 同样大小的功率下 芯片结温升温越小 LED 器件的性能越好 在 LED 工作时 可存在以下情况促使结温不同程度的上升 A 元件不良的电极结构 视窗层衬底或结区的材料以及导电银胶等均存在 一定的电阻值 这些电阻相互垒加 构成 LED 元件的串联电阻 当电流流过 P N 结时 同时也会流过这些电阻 从而产生焦耳热 引致芯片温度或结温的 升高 B 由于 P N 结不可能极端完美 元件的注入效率不会达到 100 也即 是说 在 LED 工作时除 P 区向 N 区注入电荷 空穴 外 N 区也会向 P 区注人电 荷 电子 一般情况下 后一类的电荷注人不会产生光电效应 而以发热的形 式消耗掉了 即使有用的那部分注入电荷 也不会全部变成光 有一部分与结 区的杂质或缺陷相结合 最终也会变成热 C 实践证明 出光效率的限制是导致 LED 结温升高的主要原因 目前 先 进的材料生长与元件制造工艺已能使 LED 极大多数输入电能转换成光辐射能 然而由于 LED 芯片材料与周围介质相比 具有大得多的折射系数 致使芯片内 部产生的极大部分光子 90 无法顺利地溢出介面 而在芯片与介质介面产生 全反射 返回芯片内部并通过多次内部反射最终被芯片材料或衬底吸收 并以 晶格振动的形式变成热 促使结温升高 D LED 元件的热散失能力是决定结温高低的又一个关键条件 散热能力强 时 结温下降 反之 散热能力差时结温将上升 由于环氧胶是低热导材料 因此 P N 结处产生的热量很难通过透明环氧向上散发到环境中去 大部分热量 通过衬底 银浆 管壳 环氧粘接层 PCB 与热沉向下发散 相关材料的导热 能力将直接影响元件的热散失效率 一个普通型的 LED 从 P N 结区到环境温 度的总热阻在 300 到 600 W 之间 对于一个具有良好结构的功率型 LED 元件 其总热阻约为 15 到 30 W 巨大的热阻差异表明普通型 LED 元件只能在很 小的输入功率条件下 才能正常地工作 而功率型元件的耗散功率可大到瓦级 甚至更高 降低 LED 结温的途径 A 减少 LED 本身的热阻 B 良好的二次散热机构 C 减少 LED 与二次散热机构安装介面之间的热阻 D 控制额定输入功率 E 降低环境温度 4 3 LED 正常工作条件或状态 LED 是一种电流驱动的低电压单向导电器件 为保证 LED 正常工作 必须 满足以下几个方面的基本要求 1 输入直流电压必须不低于 LED 的正向电压降 否则 LED 不会导通而 发光 LED 的正向电压降与光色有关 一般红光 绿光 黄光的正向电压降通 常为 4 2 6V 白光 LED 的正向电压降通常为 3 4 2V 2 采用直流电流或单向脉冲电流驱动 当驱动并联的 LED 或 LED 串时 要求恒流而不是恒压供电 3 为防止 LED 损坏 应对流过 LED 的电流加以限制 目前实现 LED 电 流限制的方法主要有 3 种 分别为电阻器 有源线性控制 开关稳压器控制 每种方法都有优点和缺点 4 由于 LED 电流与其光能量之间的非线性关系 LED 应在光效比较高的 电流值下工作 5 大功率 LED 最好加设散热器 以防止器件过热而损坏 6 LED 的电流不能超过 LED 的 IF 电流 过流的工作会使 LED 寿命很快下 降 如果超出了就会把 LED 烧坏 7 环境温度 20 40 要求灯具的散热设计做得比较好 LED 灯引脚 的温度不能超过 60 度 通常情况下 LED 的储存环境温度应在 40 到 100 LED 的工作温度是 30 到 80 但工作温度与热阻有关系 总而言之 LED 在工作时 最好将它 的 pn 结温度保持在 100 以下 第五章 大功率 LED 散热分析 5 1 大功率 LED 照明热设计流程 LED 热设计 芯片内部 热设计 封装热 设计 使用热设计 生产工艺 阶段确定 计算热阻 和结温 设计散热方案 输出结果 是 否 是 是否满足 散热要求 否 是否满足 散热要求 表 5 1 大功率 LED 照明设计流程 5 2 大功率 LED 照明热设计方案 LED 是绿色光源 没有热辐射 所以 散热方式主要是传导和对流和辐射 本文设计的是由 50 个 LED 组成的大功率 LED 照明器 总功率为 50W 的 LED 灯具的散热设计 设环境温度为 30 根据 3 1 所述的理论 LED 最终大概有 50 60 输入电能转化为光能 其余 40 50 的能量主要以非辐射复合发生的点 阵振动的形式转化热能 优化方案 是 否 是否需要 优化设计 输出结果 所以 50W 的大功率 转化为光能为 50W 60 30W LED 真正转化为热量 为 50 40 20W 从而要散出的热量为 20W 5 2 1 结温的评估 按照目前发光管管芯的耐温水平 通常结温不能大于 125 结温 Tj 是衡 量 LED 封装散热性能的一个重要指标 根据 4 4 结温的表达式为 Tj Rja Pd Ta 1 其中 Pd 为耗散的功率 Rja 为 LED 器件 PN 结与环境温度的总热阻 Tj Ta 分别为 LED 器件 PN 结的结点温度和器件周围的环境温度 式中表明 同样大小的功率下 芯片结温升温越小 LED 器件的性能越好 由上述 1 式可得 Rja Tj Ta Pd 80 30 20 2 5 oC W 5 2 2 热阻的评估计算 根据 4 2 对热阻的描述 对于单个 LED 设定 PN 结点生成的热沿着 结点 热沉 铝基散热电路板 空气 这个热路径传导 采用等效电路的热阻计算 PN 结点到环境的总热阻 Rja Rjs Rsb Rba 2 其中 Rjs Rsb Rba 分别是从结点到翅片 翅片到散热电路板 散热电 路板到空气的热阻 设 LED 热阻为 8oC W 根据式 2 可知 Rba Rja Rjb n 2 5 8 50 2 34oC W 当设置好了散热通道后 就考虑散热器方面 对铝散热器面积的估算 LED 的热传递分别从对流和导热两方面进行讨论 对散热器散热性能的要求是相对 于环境温度 30 oC 时散热器温度为 70 oC 5 2 3 LED 灯具对流热传递计算 在铝散热器与空气对流时 散热器的形状和位置不同 散热效果不同 使流 体沿着肋片的表面流过 此时的散热效果最好 此时热传递系数 hc 为 由热对流计算公式 D hcA tw ts 5 23 0 01 70 30 2 09W 式中 D 对流换热的热流量 W hc 对流换热系数 W oC m2 设 hc 5 23W oC m2 A 对流换热面积 设备热传导截面积 0 1m 0 1m 0 01m2 tw 热表面温度 oC ts 冷却流体温度 oC 5 2 4 LED 灯具导热传递计算 由热传导的计算公式 c A t x 51 0 01 90 45 9W 式中 c 热流量 W 是铝的热导率 查表得为 216W oC m2 导热系数 A 导热方向上的截面面积 设备热传导截面积 0 1m 0 1m 0 01m2 t x X 方向的温度变化率 oC m 设温度变化为 10 oC 厚度是 0 11m 负号表示热量传递的方向与温度梯度的方向相反 则 温度变化率为 90 5 2 5LED 灯具辐射热传递计算 由热辐射计算公式 F A o TW4 TS4 0 9 0 01 5 67 10 8 273 70 4 273 30 4 1 13W 物体的黑度 黑化铝 0 9 o 斯蒂芬 波尔兹常熟 5 67 10 8 m k4 A 辐射表面积 A 0 01m2 5 3 计算分析 LED 实验并得出结论 由以上分析和计算发现通过截面积为 0 01m2散热器传导出的热量为 c D F 45 9 2 09 1 13 49 12W 要满足传导出 20W 的热量需散热器具有表面积为 A 20 49 12 0 40m2 散热器要将该 LED 灯具所产生的热传递出去 散热器的表面积应该大于 0 40m2 即选用表面积大于 0 40m2的铝型材散热器作为该 LED 照明灯具的散热 装置 第六章 LED 照明灯具的应用及对未来的展望 目前 作为 第四代光源 的 LED 凭借它高光效率 高光线质量 小能耗 长寿命 安全 绿色环保等优势备受关注 已成为照明市场上的宠儿 现今的 LED 已充分应用于停车场 商场 学校 医院 博物馆 酒店 隧道 地铁 广场 公园 住宅等各种领域 6 1 道路交通领域 该领域的应用主要是 LED 交通信号灯 与以前的白炽灯相比 LED 灯的能 效提高 车辆用信号灯功率由 75W 降至 15W 节能约 80 行人用信号灯由 60W 降至 15W 以下 节能 75 以上 6 2 交通工具领域 伴随高亮度红色 LED 的研制成功 LED 应用于汽车刹车灯 其优点为响应 时间短 识别性强 能耗低 寿命长 LED 刹车灯的响应时间约比白炽灯短 0 2s 其对安全方面贡献是显而易见的 LED 小巧轻薄的特点 也正适合轻轨车厢内的照明要求 6 3 显示屏 室内外大型显示屏和招牌是 LED 的重要应用领域 因使用高亮度 LED 即使 在白天也能显示饱和色图像 而 LED 的高响应速度也使其在该领域表现出色 LED 其他领域应用对未来的展望 6 4 农业 太阳光中有紫外到红外对种波长的光辐射 植物不需要所有波长的光能量 用 LED 产生利于植物生长发育的特定波长的光并在恰当时间照射植物 可提高 植物培育效率 并且 LED 与白炽灯不同