LED道路照明光源的散熱與配光應用

admin 2011-08-23

LED道路照明光源的散熱與配光應用

一、立項的背景和意義

　　LED（Light Emitting Diode，稱發光二極管），屬于固態光源。LED的應用已有較悠久的歷史，以前主要應用在各種電子設備的指示燈、大屏幕顯示器、信號燈和液晶屏幕背光源等領域。近些年來，隨著GaP、GaN系Ⅲ-V族化合物半導體的結晶成長工藝技術及納米技術的進步，LED的光效和大功率集成技術都有了很大的提高，LED已經開始在照明領域里初步應用，出現了LED路燈、LED礦燈、LED應急燈、LED車燈、LED景觀燈等多種以大功率LED為光源的照明燈具。

　　LED發光原理為固體發光,按固體發光物理學原理，LED的光譜幾乎全部集中于可見光頻段，所以發光效率高達90％以上，因此，LED被譽為21世紀新光源，即將成為繼白熾燈、熒光燈、高強度氣體放電燈之后的第四代光源，被公認為當前十大前沿技術之一, LED光源這種新型照明光源必將會取代傳統照明光源，正帶動著一場新的產業革命---照明革命。

二、當前國內外同類研究（技術）概況

　　近幾年，隨著LED的發光效率增長100倍，成本下降10倍，其在照明領域的發展前景，吸引全球照明大廠家都先后加入LED光源及市場開發中。美、日、歐及中國臺灣省均推出了半導體照明計劃。

　　我國2001年863計劃立項，2003年緊急啟動了“國家半導體照明工程”。從2006年的“十一五”開始，國家將把半導體照明工程作為一個重大工程進行推動。當前，我國經濟快速增長，能源緊張的矛盾日益顯現，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緊張的局面。國家將貫徹節能優先政策，并將“照明器具”列入節能重點領域，在“十一五”期間，大力推進綠色節能照明工程，LED路燈就是LED技術的重要節能應用。

　　日前，由多名留美歸國博士創建的中微光電子（濰坊）有限公司研制成功100瓦大功率半導體發光二極管路燈照明系統，現已應用于濰坊高新技術創業園，其照明范圍和亮度完全達到國家道路照明標準，壽命是傳統路燈的10~20倍，耗電量卻不到傳統路燈的20%。

三、本課題研究的內容

　　我國雖有多家企業開發生產LED城市照明路燈，但很多是用小功率LED陣列作發光體，散熱問題解決了，所用LED數量要很多，小功率LED光衰強，安裝成本高；城市照明LED路燈采用大功率LED是發展的趨勢，少數用大功率LED作發光體的路燈產品由于沒有很好地解決功率達到一定量時，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、型態和照度的均衡問題；光電轉換效率太低，每瓦只有幾個流明等問題。

因此產品性能還不盡如人意；高性能的產品價位又居高不下，難以推廣普及。

四、研究的技術路線和方法

　（一）光源的選擇：

　　光源比較：傳統照明光源主要有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，顯色指數高，而且屬于新型光源，發展潛力巨大，是未來傳統光源理想的替代品。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

測試項目	白熾燈	熒光燈	高壓汞燈	高壓鈉燈	LED
發光效率／(1m-w )	16	70	50	100	50
壽命／kh	2	8～10	6 ～2O	24	5O
顯色指數	95	75	45	23	85
成本／(8 -(klm) )	0.4	1．5	5	5	2O
驅動電路	簡單	中	復雜	復雜	中
	價格低	價格低	價格高	價格高	價格低
安全性	一般	一般	差	差	高
可靠性	差	差	一般	一般	高
亮度可調性	好	差	好	好	好
方向性	差	差	差	差	好
環保性	一般	汞污染	汞污染	汞污染	好

注：白熾燈發光效率為3O w的數據

　　散熱是LED路燈要重點解決的問題。LED是冷光源，不象白熾燈那樣產生灼熱的高溫，但是，LED本身耐溫能力比較差，所以必須將發光管工作時產生的熱量有效的散發到空氣中去，保證芯片工作在安全的溫度環境下，這樣LED燈才能真正的體現出長壽命的優勢。

　　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溫差，管芯的溫度會高于外殼溫度。

　　由于發光管生產技術的進步，大功率發光管內部的熱阻越來越低，目前1瓦的發光管的熱阻普遍在15度/瓦以下，也就是說，給1瓦的發光管加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，發光管的透明封裝材料也不會快速老化。長期穩定工作沒有問題。因此，沒有必要將半導體燈工作時的溫度降得很低，但必須減小發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穩定工作的半導體燈。

　　要有效的散熱，減小燈的體積和生產成本，燈體必須有合理的散熱結構。問題是怎樣合理的把發光管產生的熱量傳導到外殼上，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，就是燈體熱結構設計要解決的問題。

　（二）燈具結構設計研究：

　　1．燈具結構：

　　　a.組成結構：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恒流驅動器，電器室蓋板五部分組成。見下圖：

LED散熱,LED組成