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    LED燈十萬個為什么

    LED燈具散熱分析

    發布者:topday  發布時間: 2013-07-23 15:55 瀏覽次數: :

    燈具散熱分析
      對于由1W 級大功率LED 芯片組成的光源,其發熱問題是不容忽視的,未及時散熱不僅導致LED芯片的發光效率急劇下降,同時有可能使芯片燒毀,造成嚴重損失,因此必須考慮合適的散熱方案。
      熱量的傳遞主要有3 種方式:熱傳導、熱對流和熱輻射。由LED 芯片制作的照明燈具主要是利用熱傳導和熱對流方式進行散熱的。熱傳導過程為LED芯片的鋁基板→燈具外殼→金屬散熱片,芯片與鋁基板、基板通過硅膠與燈具外殼、燈具外殼與散熱片之間存在空氣泡( 制作工藝造成) 能夠傳熱;而熱對流主要是依靠散熱片與空氣間的對流使熱量散出。
      散熱主要有兩種方式:被動式散熱和主動式散熱。其中主動式散熱主要是通過風扇等類似裝置增加散熱片表面的空氣流動速度,以便快速帶走散熱片上的熱量,進而提高散熱效率。被動式散熱是指依靠燈具( 高導熱鋁材料) 自身的外表面與空氣的自然對流將LED 產生的熱量散出。這種散熱方式設計、組裝簡單,并且易與燈具的機械結構設計結合起來,比較容易達到燈具的防護等級要求,并且成本較低,是目前廣泛采用的一種散熱方式,本文重點討論被動式散熱的有效性。
      在被動式散熱中,選擇合適的散熱片至關重要,其主要參數有:材料、高度、散熱片面積、散熱片溝槽間距等。就材料而言,導熱性能由高到低排列依次是:銀、銅、鋁、鋼,銀價格昂貴;銅的價格仍稍貴,并且加工難度大、容易氧化;而鋁雖然價格便宜,但其導熱性能卻不及銅的50%。所以一般而言,常采用的散熱片材質是銅鋁合金,既能保持成本低廉,同時還具有較高的導熱性能。對于散熱片的表面積而言,有效表面積越大,其散熱效果越好。散熱片高度H 以及溝槽間距D 主要影響空氣流通,若是其比值D /H 非常小,即形成一個很窄的溝槽,則結果是溝槽中的空氣很難與外界中的氣體流通,這樣對于整個燈具系統而言,其散熱效果會相對差很多。所以對于一個散熱片而言,需要綜合材料性能、燈具封裝尺寸、整體散熱效果來選擇或是設計專門的散熱片。
      為了進一步改善LED 燈具的散熱效果,一般采用在LED 基板上涂抹導熱硅脂或是導熱硅膠的方法。這種方式雖然成本比較低,但是存在涂抹不均勻又不容易固定、導熱性能差( 導熱系數較低,往往低于5W/m•K) 等問題。導熱墊片是一種性能更優的導熱材料,它的導熱系數可以達到10W/m•K,且其導熱效果與其整體面積成正比。另外,減小LED 與散熱片的間距,將LED 固定在散熱片上,使散熱墊片作為中間載體也是一種不錯的選擇。
      4 光線分布
      單片1W 級大功率LED 芯片可近似視為點光源。大部分LED 的配光曲線都是呈朗伯( Lanmbertian distribution) 形分布,即中心光強比較強,而且是對稱的圓形光斑分布,不可直接用于照明。
      在實際生活中,需要的是一種有效發光面積大,光強度和照度均勻的面光源,同時又避免產生眩光。
      為了更好地利用LED 進行照明,需要對其光線進行重分布和改善。商品化的照明白光LED 采用內置的反射器和封裝樹脂等已經形成了一次光學系統,使得其光輸出具有固定的形式。盡管如此,其光出射角度還是很小,難以滿足正常照明的需求,因此有必要對其進行二次光學設計。
      首先,對于LED 而言,增大其光出射角度可以組合使用反射罩和透鏡,常用的反射罩形狀有拋物面、橢球面、雙曲面、半球面等,其反射原理如圖5 所示。
     

     

    常用曲面反射罩

     

     

     

    有時經過反射罩后,輸出光線角度擴大,光線經過足夠的混合后,出射的光強度和照度也達到均勻性要求。但是,對于大多數情形,這是遠遠不夠的,沒有充分利用光輸出量,同時在出光面的邊緣也會產生眩光等令人不舒服的光線?;谏鲜鲈?,需要進一步使用控光元件,如光透鏡、均光片以及遮光器等。常用的光透鏡有凸透鏡或菲涅爾透鏡、凹透鏡或楔形透鏡等,其光線方向轉變如圖6 所示。

    基本投射光線的轉變

     為了進一步保證光照度的均勻性,也常常通過添加均光片的方法,通過其漫反射的作用,將單片或多片組合發光不均勻的LED 的光輸出進行均勻處理,獲得均勻的照度。另外配合使用遮光器,可以防止不必要的眩光刺眼以及進行光輸出的二次分配,提高被照明環境的舒適度。
      目前單片1W 級LED 高端芯片產品的發光效率約為100 lm /W 左右,作為照明光源,其光亮度是不夠的,此時需要多片組合。白熾燈的發光效率是10lm /W,家庭用60W 的白熾燈照明即已足夠,對比可知用6 片1W LED 串聯組合( 亮度要求高時可以串聯更多) 形成的LED 陣列更利于光照度的均勻,同時還能保證較高的亮度。
      針對LED 陣列的實際情況,可以配合著使用反光罩和光透鏡。對于出現的刺眼眩光,可以相應使用遮光器來消除。其中需要注意的是,在經過多次反射使光線混合均勻的過程中,為防止過多的光損失,提高發光效率,需要在散熱片上噴上反光漆,同時在反光罩的內側面鍍上反射率高的膜。
      結合LED 發光特性設計出合適的燈具,既能有效提高光源的利用率,又能減少光污染,保護人眼健康,使LED 作為下一代綠色照明光源成為可能。
      5 結語
    LED 照明光源具有獨特的電、光、熱等特性,在其應用設計中需要綜合考慮驅動方式、合適電流的選擇、散熱、改善光線分布等等因素,本文較為詳盡地介紹了目前解決上述問題的種種方案。在具體使用中,需要結合相應的使用環境加以應用??梢韵嘈?,隨著LED 技術的不斷發展、進步以及LED 照明燈具設計的日臻完善,更多更新更好的照明產品將層出不窮,真正迎來LED 光源在照明領域的革命浪潮。
     

     

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