LED道路照明光源的散熱與配光應(yīng)用(1)

1、LED道路照明光源的散熱與配光應(yīng)用一 文章出處: 網(wǎng)絡(luò) 更新于2009-07-29 16:14:21 LED路燈 照明 光源 散熱 配光 應(yīng)用 大功率led 一、立項的背景和意義LED（Light Emitting Diode，稱發(fā)光二極管），屬于固態(tài)光源。LED的應(yīng)用已有較悠久的歷史，以前主要應(yīng)用在各種電子設(shè)備的指示燈、大屏幕顯示器、信號燈和液晶屏幕背光源等領(lǐng)域。近些年來，隨著GaP、GaN系-V族化合物半導(dǎo)體的結(jié)晶成長工藝技術(shù)及納米技術(shù)的進(jìn)步，LED的光效和大功率集成技術(shù)都有了很大的提高，LED已經(jīng)開始在照明領(lǐng)域里初步應(yīng)用，出現(xiàn)了LED路燈、LED礦燈、LED應(yīng)急燈、LED車燈、LED景觀

2、燈等多種以大功率LED為光源的照明燈具。LED發(fā)光原理為固體發(fā)光,按固體發(fā)光物理學(xué)原理，LED的光譜幾乎全部集中于可見光頻段，所以發(fā)光效率高達(dá)90以上，因此，LED被譽(yù)為21世紀(jì)新光源，即將成為繼白熾燈、熒光燈、高強(qiáng)度氣體放電燈之后的第四代光源，被公認(rèn)為當(dāng)前十大前沿技術(shù)之一, LED光源這種新型照明光源必將會取代傳統(tǒng)照明光源，正帶動著一場新的產(chǎn)業(yè)革命-照明革命。二、當(dāng)前國內(nèi)外同類研究（技術(shù)）概況近幾年，隨著LED的發(fā)光效率增長100倍，成本下降10倍，其在照明領(lǐng)域的發(fā)展前景，吸引全球照明大廠家都先后加入LED光源及市場開發(fā)中。美、日、歐及中國臺灣省均推出了半導(dǎo)體照明計劃。我國2001年863計

3、劃立項，2003年緊急啟動了“國家半導(dǎo)體照明工程”。從2006年的“十一五”開始，國家將把半導(dǎo)體照明工程作為一個重大工程進(jìn)行推動。當(dāng)前，我國經(jīng)濟(jì)快速增長，能源緊張的矛盾日益顯現(xiàn)，我國照明所消耗的電能約占電力總消耗量的1/6，因此提高照明產(chǎn)品的能效水平，無疑將較大幅度降低能源消耗，有效緩解目前我國電力供應(yīng)緊張的局面。國家將貫徹節(jié)能優(yōu)先政策，并將“照明器具”列入節(jié)能重點領(lǐng)域，在“十一五”期間，大力推進(jìn)綠色節(jié)能照明工程，LED路燈就是LED技術(shù)的重要節(jié)能應(yīng)用。日前，由多名留美歸國博士創(chuàng)建的中微光電子（濰坊）有限公司研制成功100瓦大功率半導(dǎo)體發(fā)光二極管路燈照明系統(tǒng)，現(xiàn)已應(yīng)用于濰坊高新技術(shù)創(chuàng)業(yè)園，其照

4、明范圍和亮度完全達(dá)到國家道路照明標(biāo)準(zhǔn)，壽命是傳統(tǒng)路燈的1020倍，耗電量卻不到傳統(tǒng)路燈的20%。三、本課題研究的內(nèi)容我國雖有多家企業(yè)開發(fā)生產(chǎn)LED城市照明路燈，但很多是用小功率LED陣列作發(fā)光體，散熱問題解決了，所用LED數(shù)量要很多，小功率LED光衰強(qiáng)，安裝成本高；城市照明LED路燈采用大功率LED是發(fā)展的趨勢，少數(shù)用大功率LED作發(fā)光體的路燈產(chǎn)品由于沒有很好地解決功率達(dá)到一定量時，LED的散熱問題；LED的散光和聚光控制問題；路燈在路面照射面的照度范圍、型態(tài)和照度的均衡問題；光電轉(zhuǎn)換效率太低，每瓦只有幾個流明等問題。因此產(chǎn)品性能還不盡如人意；高性能的產(chǎn)品價位又居高不下，難以推廣普及。四、研究

5、的技術(shù)路線和方法（一）光源的選擇：光源比較：傳統(tǒng)照明光源主要有3大類：白熾燈、熒光燈和稀有氣體放電燈。與這些光源相比，LED光源光效比較高，使用壽命長，采用安全電壓供電，不含有毒重金屬，使用壽命長，采用安全電壓供電，不含有毒重金屬，顯色指數(shù)高，而且屬于新型光源，發(fā)展?jié)摿薮?，是未來傳統(tǒng)光源理想的替代品。表1為幾種照明光源的性能比較。表1 幾種照明光源的性能指標(biāo)測試項目白熾燈熒光燈高壓汞燈高壓鈉燈LED發(fā)光效率(1m-w )16705010050壽命kh28106202450顯色指數(shù)9575452385成本(8 -(klm) )0.41.55520驅(qū)動電路簡單中復(fù)雜復(fù)雜中價格低價格低價格高價格高

6、價格低安全性一般一般差差高可靠性差差一般一般高亮度可調(diào)性好差好好好方向性差差差差好環(huán)保性一般汞污染汞污染汞污染好注：白熾燈發(fā)光效率為3O w的數(shù)據(jù)散熱是LED路燈要重點解決的問題。LED是冷光源，不象白熾燈那樣產(chǎn)生灼熱的高溫，但是，LED本身耐溫能力比較差，所以必須將發(fā)光管工作時產(chǎn)生的熱量有效的散發(fā)到空氣中去，保證芯片工作在安全的溫度環(huán)境下，這樣LED燈才能真正的體現(xiàn)出長壽命的優(yōu)勢。LED的管芯和涂覆的熒光粉都是在幾百度的高溫條件下生產(chǎn)出來的，本身有一定的耐溫能力。但是，LED的外殼和管芯之間存在熱阻，這個熱阻使LED在使用時外殼和管芯之間出現(xiàn)溫差，管芯的溫度會高于外殼溫度。由于發(fā)光管生產(chǎn)技術(shù)

7、的進(jìn)步，大功率發(fā)光管內(nèi)部的熱阻越來越低，目前1瓦的發(fā)光管的熱阻普遍在15度/瓦以下，也就是說，給1瓦的發(fā)光管加1瓦的電功率，管芯比管殼的溫度只高15度。按照目前發(fā)光管管芯材料的耐溫水平，管芯溫度不超過150度就能長期安全的工作。這樣推算，外殼溫度135度時可以安全使用。但是，由于外殼封裝材料的限制，實際使用中的管殼溫度最好不超過70度，這樣管芯溫度只有85度，發(fā)光管的透明封裝材料也不會快速老化。長期穩(wěn)定工作沒有問題。因此，沒有必要將半導(dǎo)體燈工作時的溫度降得很低，但必須減小發(fā)光管外殼和燈體外殼之間的熱阻，這樣就可以以比較小的體積和比較低的成本生產(chǎn)穩(wěn)定工作的半導(dǎo)體燈。要有效的散熱，減小燈的體積和生

8、產(chǎn)成本，燈體必須有合理的散熱結(jié)構(gòu)。問題是怎樣合理的把發(fā)光管產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)到外殼上，怎樣有效的增大外殼和空氣的接觸面，并且有利于空氣在外殼表面上的流動，就是燈體熱結(jié)構(gòu)設(shè)計要解決的問題。（二）燈具結(jié)構(gòu)設(shè)計研究：1燈具結(jié)構(gòu)：a.組成結(jié)構(gòu)：我們的LED路燈由鋁合金壓鑄燈體，LED模塊，鋼化玻璃透光罩，AC/DC恒流驅(qū)動器，電器室蓋板五部分組成。見下圖：b.功能結(jié)構(gòu)：散熱燈體，光源室，電器室三部分組成。見下圖：2散熱研究：要做好LED路燈首先要做好燈具的散熱，然而散熱和燈具的安全防護(hù)又是一個矛盾，針對這對需要共生的矛盾我們做如下研究：a.LED加散熱板與燈具防護(hù)研究：利用鋁合金型材組合的路燈，我們將一塊

9、AA6063；305mm500mm的平板散熱器型材和不銹鋼外框組合，將LED焊接在鋁基板上制作成模塊，在模塊的底部涂抹導(dǎo)熱膏用螺絲固定于鋁合金型材散熱器平板上，罩上PC光源外罩，連接驅(qū)動電源，完成LED路燈的設(shè)計制作。該款路燈的熱傳導(dǎo)和散熱效果均佳，能將LED所產(chǎn)生的熱量迅速的傳導(dǎo)到散熱器上，再由裸露在空氣中的散熱鰭片散發(fā)到空氣中，由流動的空氣帶走熱量，但是由于整個燈具是由多個部分連接組合而成，產(chǎn)品一致性差，在防滲水安全上僅靠防水膠是極不可靠的，所以在防護(hù)等級上達(dá)不到（GB7000.1-2002;GB7000.5-2005）的要求。更主要的是所有的LED均安裝在一個平板上，無法對燈具進(jìn)行合理的

10、配光，在實際使用中該款路燈的照明半徑無法滿足路燈的照明范圍，而且外觀呆板，故本方案不成熟不宜采用。見下圖：b.傳統(tǒng)燈殼改制的LED路燈存在的問題：利用傳統(tǒng)路燈燈頭改制的LED路燈，雖然采用了鋁型材做散熱器，將整個光源和驅(qū)動電路裝入鋁合金燈殼中，雖然解決了燈具的防護(hù)等級問題，但是整個光源是在密閉的燈殼中，燈具工作中所產(chǎn)生的熱量無法散發(fā)到空氣中帶走，導(dǎo)致LED模塊和驅(qū)動電路在極惡劣的環(huán)境中工作，工作溫度急劇升高，LED隨著溫度的升高而出現(xiàn)死燈和光衰，驅(qū)動器也因溫度超過而燒毀，大大降低了燈具的可靠性和使用壽命。故此方案是不成熟的。要做好LED路燈簡單的用傳統(tǒng)燈頭裝入LED光源是行不通的。見下圖：以上

11、兩個方案都是無法同時滿足散熱與防護(hù)問題而失敗，為此我們進(jìn)行下列的進(jìn)一步研究。散熱問題與產(chǎn)品的防護(hù)等級是一個矛盾，這是一個行業(yè)性的難題，項目產(chǎn)品在不降低產(chǎn)品的密封性和防護(hù)等級的前提下，又要保證良好的熱傳導(dǎo)，對流，發(fā)散，我們進(jìn)行了如下的研究：c.散熱材料的選擇：為了做好LED路燈，首先我們對散熱材料進(jìn)行選擇，目前散熱器所采用的基本為金屬材料，這主要出于三方面的考慮：導(dǎo)熱性能好相對其它固體材料，金屬具有更好的熱傳導(dǎo)能力；易于加工延展性好，高溫相對穩(wěn)定，可采用各種加工工藝；易獲取雖然金屬也屬不可再生資源，但供貨量大，不需特殊工序，價格也相對低廉；依此確定了散熱片所用材料類型，具體種類的確定同樣需以此為

12、標(biāo)準(zhǔn)。下表為散熱片慣用材料與常見金屬材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)。上表中熱傳導(dǎo)系數(shù)的單位為W/mK，即截面積為1平方米的柱體沿軸向1米距離的溫差為1開爾文（1K1）時的熱傳導(dǎo)功率。熱傳導(dǎo)系數(shù)自然是越高越好，但同時還需要兼顧到材料的機(jī)械性能與價格。熱傳導(dǎo)系數(shù)很高的金、銀，由于質(zhì)地柔軟、密度過大、及價格過于昂貴而無法廣泛采用；鐵則由于熱傳導(dǎo)率過低，無法滿足高熱密度場合的性能需要，不適合用于制作高性能散熱片。銅的熱傳導(dǎo)系數(shù)同樣很高，可礙于硬度不足、密度較大、成本稍高、加工難度大等不利條件，在散熱片中使用較少。鋁作為地殼中含量最高的金屬，因熱傳導(dǎo)系數(shù)較高、密度小、價格低而受到青睞；但由于純鋁硬度較小，在各種應(yīng)用領(lǐng)

13、域中通常會摻加各種配方材料制成鋁合金，為此獲得許多純鋁所不具備的特性，而成為了散熱片加工材料的理想選擇。各種鋁合金材料根據(jù)不同的需要，通過調(diào)整配方材料的成分與比例，可以獲得各種不同的特性，適合于不同的成形、加工方式，應(yīng)用于不同的領(lǐng)域。上表中列出的5種不同鋁合金中：AA6061與AA6063具有不錯的熱傳導(dǎo)能力與加工性，適合于擠壓成形工藝，在散熱片加工中被廣為采用。ADC12適合于壓鑄成形，但熱傳導(dǎo)系數(shù)較低，因此散熱片加工中通常采用AA1070鋁合金代替，可惜加工機(jī)械性能方面不及ADC12。AA1050則具有較好的延展性，適合于沖壓工藝，多用于制造細(xì)薄的鰭片。通過以上分析我們確定了采用AA1O7

14、O選擇一次性壓鑄成型來實現(xiàn)燈體的制作。d、采用一體化鋁合金壓鑄LED路燈設(shè)計思路：、散熱燈殼研究：根據(jù)道路照明燈具的功能需要及燈具的防護(hù)安全等級的規(guī)定，我們將整個燈具分成三部分來設(shè)計，整體散熱外殼。光源室，電器室，選擇AA1070鋁合金壓鑄一次性成型。散熱片的散熱效果主要取決于散熱片與發(fā)熱物體接觸部分的吸熱底和散熱片的設(shè)計。性能優(yōu)秀的散熱器，其性能應(yīng)滿足三個要求：吸熱快、熱阻小、去熱快。吸熱快：即吸熱底與LED模塊間熱阻小，可以迅速的吸收其產(chǎn)生的熱量。為了達(dá)到這種效果，就要求吸熱底與LED模塊結(jié)合盡量緊密，令金屬材料與LED模塊直接接觸，最好能夠不留任何空隙。散熱器的整體熱阻就是由與LED模塊

15、的接觸面開始逐層累計而來，吸熱底內(nèi)部的熱傳導(dǎo)阻抗是其中不可忽視的一部分。為了將吸收的熱量有效地傳導(dǎo)到盡量多的鰭片上，因此還需要吸熱底有較好的橫向熱傳導(dǎo)能力，我們在設(shè)計燈具時首先滿足吸熱底有足夠的厚度，同時考慮LED模塊的安裝孔位進(jìn)行加筋，也加強(qiáng)了燈具的整體性和機(jī)械強(qiáng)度。熱阻?。簽榱颂嵘鼰崮芰ΓＭ崞cLED模塊緊密結(jié)合，不留任何空隙，壓鑄出來的表面這是無法實現(xiàn)的。吸熱底與LED模塊之間必然存在一定的空隙，如果空隙中是高熱阻的空氣，就無法得到良好的導(dǎo)熱效果，因此，應(yīng)采用具有較低熱阻及較佳適應(yīng)性的材料填充其中的空隙，這便是導(dǎo)熱膏的用武之地。但導(dǎo)熱膏的熱阻始終要高于加工散熱片的金屬材料，使用它

16、只是權(quán)宜之計，并非真正的解決之道，要想根本上提高散熱片吸熱底的吸熱能力，就必須提高其底面平整度。平整度是通過表面最大落差高度來衡量的，通常散熱片的底部稍經(jīng)處理即可達(dá)到0.1mm以下，采用銑床或多道拉絲處理可以達(dá)到0.03mm，散熱片的吸熱底越平整熱阻越小，越有利于熱量吸收，但由于無法做到完美，涂抹導(dǎo)熱膏成為了LED模塊安裝到散熱器的必須步驟，從而達(dá)到吸熱的最佳效果。去熱快，由于我們將LED模塊的吸熱底和散熱鰭片壓鑄成一體，即能夠?qū)腖ED組吸收的熱量迅速的傳導(dǎo)到鰭片部分，整個燈體和散熱鰭片上部是裸露于空中的，而且我們的鰭片的方向是平行于道路，需要散發(fā)的熱氣與氣流方向一致，不會因氣流而形成渦流而

17、造成熱氣的滯留，進(jìn)而由流動的氣流順利帶走而散發(fā)，以最快是速度將熱量散發(fā)。目前LED路燈的二次配光 文章出處: 中國照明網(wǎng) 更新于2009-07-29 09:36:42 目前狀況 LED路燈 二次配光 對于目前LED產(chǎn)品，已經(jīng)過了投石問路的現(xiàn)狀，從08年的廣交會的總況來看，各個大企業(yè)已經(jīng)多少涉足其中，特別是中小企業(yè)數(shù)量之多達(dá)到30多家，他們都搶在了大企業(yè)的前面，就是想先一步搶占市場，看來業(yè)內(nèi)人士已經(jīng)是認(rèn)定了LED這一市場。那到底LED路燈目前的狀況又是如何呢？ 目前各式各樣的傳統(tǒng)照明，LED幾乎全有，種類繁多，那就針對性的來說下LED路燈。 由于對LED路燈方面的國家標(biāo)準(zhǔn)還沒出，現(xiàn)在所能參照的只是一些局部的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以及一些大企業(yè)與國家機(jī)構(gòu)制定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的初步稿件作為參考，多數(shù)還是憑借經(jīng)驗來做。在做LED路燈的過程中面臨的幾個問題，現(xiàn)在就針對LED的二次配光說明下。 LED的配光問題可以說簡單也復(fù)雜，為什么這么說呢。因為： （1）在一部分人看來，利用LED的顆粒本身的特性，來改變它的方向來滿足光均勻性、滿足路燈的配光，這樣是否合理呢？從“軟件”方面來說即使能夠滿足光的均勻分布性，是否能夠滿足現(xiàn)有國家標(biāo)準(zhǔn)路燈的配光曲線呢？很明顯不能。哪么從“硬件”方面來看，它將造成的后果是對燈具的特性要求就比較高，對于燈體的制作唯一性比較強(qiáng)，這樣的最