LED道路照明光源的散熱與配光應(yīng)用
一、立項(xiàng)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(hào)燈和液晶屏幕背光源等領(lǐng)域。近些年來(lái)，隨著GaP、GaN系Ⅲ-V族化合物半導(dǎo)體的結(jié)晶成長(zhǎng)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(huì)取代傳統(tǒng)照明光源，正帶動(dòng)著一場(chǎng)新的產(chǎn)業(yè)革命---照明革命。
二、當(dāng)前國(guó)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(zhǎng)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(chǎng)開發(fā)中。美、日、歐及中國(guó)臺(tái)灣省均推出了半導(dǎo)體照明計(jì)劃。
我國(guó)2001年863計(jì)劃立項(xiàng)，2003年緊急啟動(dòng)了“國(guó)家半導(dǎo)體照明工程”。從2006年的“十一五”開始，國(guó)家將把半導(dǎo)體照明工程作為一個(gè)重大工程進(jìn)行推動(dòng)。當(dāng)前，我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)，能源緊張的矛盾日益顯現(xiàn)，我國(guó)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(wú)疑將較大幅度降低能源消耗，有效緩解目前我國(guó)電力供應(yīng)緊張的局面。國(guó)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(diǎn)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(guó)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，其照明范圍和亮度完全達(dá)到國(guó)家道路照明標(biāo)準(zhǔn)，壽命是傳統(tǒng)路燈的10~20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(guó)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(shì)，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(shí)，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(gè)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(jià)位又居高不下，難以推廣普及。
四、研究的技術(shù)路線和方法
?。ㄒ唬┕庠吹倪x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(zhǎng)，采用安全電壓供電，不含有毒重金屬，，使用壽命長(zhǎng)，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?lái)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(cè)試項(xiàng)目 |
白熾燈 |
熒光燈 |
高壓汞燈 |
高壓鈉燈 |
LED |
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發(fā)光效率／(1m-w ) |
16 |
70 |
50 |
100 |
50 |
|
壽命／kh |
2 |
8～10 |
6 ～2O |
24 |
5O |
|
顯色指數(shù) |
95 |
75 |
45 |
23 |
85 |
|
成本／(8 -(klm) ) |
0.4 |
1．5 |
5 |
5 |
2O |
|
驅(qū)動(dòng)電路 |
簡(jiǎn)單 |
中 |
復(fù)雜 |
復(fù)雜 |
中 |
|
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價(jià)格低 |
價(jià)格低 |
價(jià)格高 |
價(jià)格高 |
價(jià)格低 |
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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(diǎn)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(shí)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(zhǎng)壽命的優(yōu)勢(shì)。
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(lái)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(gè)熱阻使LED在使用時(shí)外殼和管芯之間出現(xiàn)溫差，管芯的溫度會(huì)高于外殼溫度。
由于發(fā)光管生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步，大功率發(fā)光管內(nèi)部的熱阻越來(lái)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(shuō)，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(guò)150度就能長(zhǎng)期安全的工作。這樣推算，外殼溫度135度時(shí)可以安全使用。但是，由于外殼封裝材料的限制，實(shí)際使用中的管殼溫度最好不超過(guò)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(huì)快速老化。長(zhǎng)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(shí)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(dòng)，就是燈體熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要解決的問題。
?。ǘ艟呓Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(dòng)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(gè)矛盾，針對(duì)這對(duì)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AA6063；305mm×500mm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(dòng)電源，完成LED路燈的設(shè)計(jì)制作。
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