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时间:2018-07-15
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1、灯具结构及散热设计探讨与实用解决方案 针对世界金融风暴的应对,中央发改委拿出4万亿连同地方财政的支持,预计将有十多万亿的资金投入到国家交通、扶持企业、完善基础建设上。最近国家科技部在全国启动“十城万盏”LED路灯半导体照明应用工程,在这股强劲东风下,一贯得到政府支持的半导体照明产业,将是一个大发展的契机。许多企业都看好这个朝阳产业的发展空间,特别是半导体户外照明的明显节能优势。于是乎近2年一哄而上的诸多企业,在还不甚了解半导体道路照明制作的特点下,模拟、仿造、沿着现今的常规照明路灯多种“蛇头”形状制作,一时间“百家争鸣,百花齐放”的产品纷纷推
2、向市场。经过这两年上路实验情况的检验,大部分的产品均存在不同程度的问题。问题出现在:1. 由于对LED光源工作条件的要求不甚了解,造成光衰减严重甚至死灯;2. 对道路照明要求感悟不足,科学性点光源光学配光难点及对色温在道路照明中的重要性的忽略,易造成眩光、斑马效益和在空气污染严重、下雨有雾天气的环境中,造成灯亮地不够亮的现象;3. 对保证LED工作条件和对电源技术性的认知程度不足,造成产品在电源上的故障层出不穷;4. 对当今LED路灯实用性道路的应用概念不清,盲目的与大功率气体放电灯“媲美”,不计成本的制作超大功率LED路灯,造成不切实际的价格
3、昂贵的路灯产品,难以推广;5. 对道路照明要求模糊,实际使用维护的欠考虑,造成直接使用业主的抵制。本人针对以上问题与大家一起讨论解决方案对LED光源的工作环境这个问题的讨论,需了解LED的基本常识:发光二极管其核心是PN结,一次它具有一般P—N结的I—N特性,即正向导通,反向截止,击穿特性。此外,在一定条件下,它还具有发光特性。在正向电压下,电子由N区注入P区,空穴由P去注入N区,进入对方区域的少数载流子(少子)一部分与多数载流子(多子)复合而发光,其现今大功率LED发光效率约为30%,70%将转换为热能,需要为其做散热处理。如图1所示。图1经
4、测试,发光二极管可正常工作的环境温度应使其结温<85℃,高于此温度范围图2效率将大大降低,甚至于烧毁。如图2所示从测试数据图示表可以清晰的看出LED的工作环境温度对其寿命的直接影响的重要性。特别值得一提的是:对散热材料的热平衡速度要求重视度不够,造成光源的热得不到有效的处理引起光衰减严重。一般功率器件(如电源IC)的散热计算中,只要结温小于最大允许值(一般是125℃)就可以了。但在大功率LED散热设计中,其结温TJ要求比125℃低得多。其原因是TJ对LED的出光率及寿命有较大影响:TJ越高会使LED的出光率越低,寿命越短。TJ=50℃时,寿命为
5、90000小时;TJ=80℃时,寿命降到34000小时;TJ=115℃时,其寿命只有13000小时了;TJ在散热设计中要提出最大允许结温值TJmax,实际的结温值TJ应小于或等于要求的TJmax,即TJ≤TJmax。大功率LED路灯的散热路径如图3所示:在热的传导过程中,各种材料的导热性能不同,即有不同的热阻。若管芯传导到散热垫底面的热阻为RJC(LED的热阻)、散热垫传导到PCB面层敷铜层的热阻为RCB、PCB传导到环境空气的热阻为RBA,则从管芯的PN结TJ传导到空气TA的总热阻RJA与各热阻关系为:RJA=RJC+RCB+RBA热阻越小,
6、其导热性能越好,即散热性能越好。可以通过试验、计算得出TJ方法是基于用某种PCB及一定散热面积。如果计算出来的TJ小于要求(或等于)TJmax,则可认为选择的PCB及面积合适;若计算来的TJ大于要求的TJmax,则要更换散热性能更好的PCB,或者增加散热器的散热面积。在室温条件下测得的(室温一般15~30℃):若LED灯使用的环境温度TA大于室温时,则实际的TJ要比在室温测量后计算的TJ要高,若测试时在恒温箱中进行,其温度调到使用时最高环境温度,为最佳。 PCB是水平安装还是垂直安装,其散热条件也不同,灯具的外壳材料、尺寸及有无散热孔对散热也有
7、影响。因此,在设计时要留有余地。图4A.目前散热器的状况是怎样的?什么样材质的散热器散热效果最好?什么样的设计最适合空气对流?这是目前LED灯具散热方面比较突出的三个问题。多篇文章中都阐述了散热是靠面积而不是靠体积的大小,许多企业都了解个中道理,于是诸多壳体采用了多层翅片散热(如图4),但往往忽略了翅片积尘和自洁性差的问题,灯具使用一段时间后灯壳上积累的灰尘容易结成污垢,影响了灯具的散热,从而影响了灯具的寿命。材料分析先从金属的热传递系数表来分析(如表1)基本单位为W/m•K,即截面积为1平方米的柱体沿轴向1米距离的温差为1开尔文时的热传导功率
8、。热传导系数越大,表示材料散热特性越好。影响物质导热系数的因素很多,主要为物质的种类和温度、湿度、密度有关。表1,金属热传递系数表从上表看,各种材料都
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