LED燈具散熱設(shè)計(jì)

1、LED路燈與常規(guī) 高壓鈉燈 路燈不同的是，大功率LED路燈的光源采用低壓直 流供電、由GaN基功率型藍(lán)光LED與黃色熒光粉 合成的高效白光 二極管， 具有高效、安全、節(jié)能、環(huán)保、壽命長、響應(yīng)速度快、顯色指數(shù)高等獨(dú)特 優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于城市道路照明。外罩可用PC管制作，耐高溫達(dá)135度,耐低溫達(dá)-45度。發(fā)光二極管（LightEmittingDiode，簡寫為LED）是基于半導(dǎo)體PN結(jié)形成的用微弱的電能就能發(fā)光的高效固態(tài)光源，在一定的正向偏置電壓和注 入電流下，注入 P區(qū)的空穴和注入 N區(qū)的電子在擴(kuò)散至有源區(qū)后經(jīng)輻射復(fù) 合而發(fā)出光子，將電能直接轉(zhuǎn)化為光能。優(yōu)點(diǎn)1、LED路燈本身的特性一一光的單向

2、性，沒有光的漫射，保證光照效 率。2、 LED路燈有獨(dú)特的二次光學(xué)設(shè)計(jì)，將LED路燈的光照射到所需照明 的區(qū)域，進(jìn)一步提高了光照效率，以達(dá)到節(jié)能目的。3、LED的光源效率目前已達(dá) 110-130lm/W，而且還有很大的發(fā)展空間，理論值達(dá)250lm/W。而高壓鈉燈的發(fā)光效率是隨功率增加才有所增加，因此，總體光效LED路燈比高壓鈉燈強(qiáng)；（這個(gè)總體光效是理論上的，實(shí)際上 250W 以上高壓鈉燈的光效高于LED）。4、 LED路燈的光顯色性比高壓鈉燈高許多，高壓鈉燈顯色指數(shù)只有23左右，而LED路燈顯色指數(shù)達(dá)到 75以上，從視覺心理角度考慮，達(dá)到同等 亮度，LED路燈的光照度平均可以比高壓鈉燈降低20

3、%以上，（參照英國道理照明標(biāo)準(zhǔn)）。5、 LED路燈的光衰小，一年的光衰不到3%使用10年仍達(dá)到道路 使用照度要求，而高壓鈉燈光衰大，一年左右已經(jīng)下降30%以上，因此，LED路燈在使用功率的設(shè)計(jì)上可以比高壓鈉燈低。6、LED路燈有自動(dòng)控制節(jié)能裝置 ，能實(shí)現(xiàn)在滿足不同時(shí)段照明要求情況下最大可能的降低功率，節(jié)省電能。Spark智能LED路燈可實(shí)現(xiàn)電腦調(diào)光,分時(shí)間段控制，光線控制，溫度控制，遠(yuǎn)程控制，自動(dòng)巡檢等人性化功能。7、LED是低壓器件，驅(qū)動(dòng)單顆 LED的電壓為安全電壓，系列產(chǎn)品單顆 LED功率都為1瓦，所以它是一個(gè)比使用高壓電源更安全的電源，特別適用 于公共場所（例如：路燈照明、廠礦照明、汽車

4、照明、民用照明等）。8、每個(gè)單元LED小片只有很小體積， 所以可以制備成各種形狀的器件， 并且適合于易變的環(huán)境。9、壽命長：能使用 5萬小時(shí)以上，提供三年的質(zhì)量保證。不足之處就 是電源的壽命得不到保證。10、光效高：采用100LM以上的芯片，相對于傳統(tǒng)高壓鈉燈能節(jié)能 75%以上。11、 安裝簡便：無需加埋電纜無需整流器等，直接將路燈燈頭安裝于 燈桿接上或者將光源嵌套原有燈殼。12、散熱控制出色：夏天溫度控制在 45度以下，并采用被動(dòng)散熱方式， 夏天的散熱保障不足。13、 質(zhì)量可靠：電路電源全部采用高質(zhì)量元器件，每顆LED都有單獨(dú) 過流保護(hù)，無需擔(dān)心損壞。14、光色均勻：不加透鏡，不以提高亮度而

5、犧牲均勻光色，從而保證 無光圈光色均勻。15、 LED不含有害金屬汞，不像高壓鈉燈或金屬鹵化物燈 在報(bào)廢時(shí)對環(huán) 境造成危害。綜合上述原理，大功率 LED路燈的節(jié)能效果顯著，代替高壓鈉燈可節(jié) 電60%以上。（有待考究）維護(hù)成本低：相對于傳統(tǒng)路燈，LED路燈維護(hù)成本極低，經(jīng)過比較，不到6年即可收回全部投入成本。缺點(diǎn)1. 單個(gè)LED功率低。為了獲得大功率，需要多個(gè)并聯(lián)使用。2. 顯色指數(shù)低。在LED照射下顯示的顏色沒有白熾燈真實(shí)，這要從光譜分布上來分析， 屬于技術(shù)問題。3. 光斑。由于白光LED本身制造工藝上缺陷加上與反射杯或透鏡的配合誤差， 容易造成“黃圈”問題。4. LED照射均勻度問題如果不進(jìn)

6、行二次光學(xué)設(shè)計(jì)，LED的照射是比較集中，所以一定要進(jìn)行二次光學(xué)設(shè)計(jì)，使其光強(qiáng)分布圖呈蝙蝠形。5. LED的光衰問題相比小功率LED,大功率LED路燈的光衰就會要好很多。但是小功率 LED熱量散發(fā)很小。而大功率的LED是存在散熱沒有辦法解決的問題，而且發(fā)熱后亮度會明顯降低，所以功率不能做大?，F(xiàn)在市場 銷售的Spark LED路燈最大的是 360W技術(shù)指標(biāo)目前，LED照明 技術(shù)日趨成熟, 大功率LED光源功效已經(jīng)達(dá)到 100lm/W 以上， 這使得城市路燈照明節(jié)能改造成為可能。LED路燈，特別是大功率 LED路燈，正以迅猛的速度沖擊傳統(tǒng)的路燈市場。大功率LED路燈顧名思義是功率大于 30瓦以上，采

7、用新型LED半導(dǎo)體光源的路燈。目前LED 路燈的標(biāo)準(zhǔn)一般是路面照度均勻度(uniformityof roadsurfaceilluminance)的平均照度0.48。光斑比值 1 : 2，符合道路照度。(實(shí)際1/2中心光斑達(dá)到 25LUX,1/4 中心光強(qiáng)達(dá)到15LUX，16米遠(yuǎn)的最低光強(qiáng)4LUX，重疊光強(qiáng)約6LUX。目前市場路燈透鏡材料為改良光學(xué)材料，透過率> 93%耐溫-38 +90度，抗UV紫外線潢化率30000小時(shí)無變化等特點(diǎn)。它在新型城市照明中有非常好的應(yīng)用前景。對深度的調(diào)光，且顏色和其他特性不會因調(diào)光而變化。太陽能LED路燈就是指采用太陽能硅板為供應(yīng)電源的LED路燈。標(biāo)準(zhǔn)：1

8、. 光的轉(zhuǎn)化率 17% ,(每平方太陽能量為1000W，實(shí)際利用效率為170W )2. 目前市場路燈透鏡材料為改良光學(xué)材料，透過率>93%,耐溫-38 +90度。3. LED路燈透鏡，主要用于 LED路燈的透鏡，光斑為矩形，材料是PMMA 光學(xué)材料，透過率 >93%,耐溫-38 +90度，抗UV紫外線 '黃化率30000小時(shí)無變化等，4. 路面照度均勻度( uniformity of road surfaceilluminance)的平均照度 0.48。光斑比值1 : 25. 符合道路照度。(實(shí)際1/2中心光斑達(dá)到 25LUX,1/4 中心光強(qiáng)達(dá)到15LUX , 16米遠(yuǎn)的

9、最低光強(qiáng)4LUX，重疊光強(qiáng)約 6LUX。6. 它在新型城市照明中有非常好的應(yīng)用前景。對深度的調(diào)光，且顏色和其他特性 不會因調(diào)光而變化。7. 適應(yīng)濕度：< 95盡管LED路燈的發(fā)展速度迅猛，但led路燈的標(biāo)準(zhǔn)卻相對滯后。在全球范圍內(nèi)，LED的路燈標(biāo)準(zhǔn)也不是都沒有，像LED路燈的歐洲標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)在就有。事實(shí)上，各地區(qū)對LED路燈的標(biāo)準(zhǔn)，在指標(biāo)上不盡相同，LED路燈要在標(biāo)準(zhǔn)上符合銷售區(qū)的要求，因此投標(biāo) LED路燈工程要深入研究當(dāng)?shù)氐腖ED路燈標(biāo)準(zhǔn)，只有這樣才會在激裂的市場競爭中占有一席之地。散熱設(shè)計(jì)傳統(tǒng)LED路燈設(shè)計(jì)主要設(shè)計(jì)重點(diǎn)在LED的流明數(shù)上，而對LED燈具的散熱則的關(guān)注較少。實(shí)際上，LED的流

10、明數(shù)正在迅速的增加。2009年量產(chǎn)LED的單瓦流明數(shù)已經(jīng)達(dá)到100流明，而且這一數(shù)值還在快速地增長。與之對應(yīng)的傳熱學(xué)理論體系已經(jīng) 成熟，我們可以使用的傳熱手段也基本明確：傳導(dǎo)、對流、輻射和相變傳熱。因此， 在傳熱或者說散熱問題上，我們可以采取的措施是可見的、有限的。散熱技術(shù)LED路燈散熱技術(shù)，一般使用多為導(dǎo)熱板方式，是一片5mm厚的銅板，實(shí)際上算是均溫板，把熱源均溫掉；也有加裝散熱片來散熱，但是重量太大。重量在路燈系 統(tǒng)上十分重要，因?yàn)槁窡舾哂?米，若太重危險(xiǎn)性就增加，尤其遇到臺風(fēng)、地震都可能產(chǎn)生意外國內(nèi)有廠家采用全球首創(chuàng)的針狀散熱技術(shù)，針狀散熱器的散熱效率要比 傳統(tǒng)片狀散熱器有很大幅度提高，

11、能使LED結(jié)溫比普通散熱器低15C以上，并且防水性能比普通鋁型材散熱器要好，同時(shí)在重量和體積上也有所改進(jìn)。散熱方式LED路燈的散熱方式主要有：自然對流散熱、加裝風(fēng)扇強(qiáng)制散熱、熱管和回路熱 管散熱等。加裝風(fēng)扇強(qiáng)制散熱方式系統(tǒng)復(fù)雜、可靠性低，熱管和回路熱管散熱方式成 本高。而路燈具有戶外夜間使用、散熱面位于側(cè)上面以及體型受限制較小等有利于空 氣自然對流散熱的優(yōu)點(diǎn)，所以LED路燈建議盡可能選擇自然對流散熱方式。散熱設(shè)計(jì)LED路燈散熱設(shè)計(jì)中存在的問題有：散熱翅片面積隨意設(shè)定，散熱翅片布置方式不合理，燈具散熱翅片的布置沒有考慮到燈具的使用方式，影響到翅片效果的發(fā)揮， 強(qiáng)調(diào)熱傳導(dǎo)環(huán)節(jié)、忽視對流散熱環(huán)節(jié)，盡

12、管眾多的廠家考慮了各種各樣的措施：熱管、回路熱管、加導(dǎo)熱硅脂等等，卻沒有認(rèn)識到熱量最終還是要依靠燈具的外表面積散走， 忽視傳熱的均衡性，如果翅片的溫度分布嚴(yán)重不均勻，將會導(dǎo)致其中一部分的翅片沒 有發(fā)揮作用或作用很有限。目前，很多人把主要的目光都放在了LED的流明數(shù)上，而對 LED燈具的散熱的關(guān)注較少。實(shí)際上，LED的流明數(shù)正在迅速的增加。2006年量產(chǎn)LED的單瓦流明數(shù)已經(jīng)達(dá)到50流明，而且這一數(shù)值還在快速地增長。與它對應(yīng)的傳熱學(xué)理論體系已經(jīng)成熟，我們可以 使用的傳熱手段也基本明確：傳導(dǎo)、對流、輻射和相變傳熱（例如熱管）。因此，在傳熱或者說散熱問題上，我們可以采取的措施是可見的、有限的。根據(jù)光

13、通量（流明）與輻射通量（瓦）的運(yùn)算關(guān)系：其中，Km = 683 lm/w，是光通量的比例尺，是輻通量的比例尺。也就是說1W的輻通量在最理想的情況下（黑體輻射）可能產(chǎn)生6831m光通量。所以，即使 LED的光效達(dá)到200lm/w，也不能將全部能量轉(zhuǎn)化為 光能輸出，而其余的都轉(zhuǎn)化為熱能。從長遠(yuǎn)看LED燈具的散熱問題將是一個(gè)長期存在的問題。目前LED路燈的散熱方式主要有：自然對流散熱、加裝風(fēng)扇強(qiáng)制散熱、熱管和回路熱管散熱等。加裝風(fēng)扇強(qiáng)制散熱方式系統(tǒng)復(fù)雜、可靠性低，熱管和回路熱管散熱方式成本高。而路燈具有戶外夜間使用、散熱面位于側(cè)上面以及體型受限制較小等有利于空氣自然對流散熱的優(yōu)點(diǎn)，所以 LED路燈建

14、議盡可能選擇自然對流散熱方式。散熱設(shè)計(jì)中可能存在的問題有：1散熱翅片面積隨意設(shè)定。2散熱翅片布置方式不合理，燈具散熱翅片的布置沒有考慮到燈具的使用方式，影響到翅片效果的發(fā)揮。3強(qiáng)調(diào)熱傳導(dǎo)環(huán)節(jié)、忽視對流散熱環(huán)節(jié)，盡管眾多的廠家考慮了各種各樣的措施： 熱管、回路熱管、加導(dǎo)熱矽脂等等，卻沒有認(rèn)識到熱量最終還是要依靠燈具的外表面積散走。4忽視傳熱的均衡性，如果翅片的溫度分布嚴(yán)重不均勻，將會導(dǎo)致其中一部分的翅 片(溫度較低的部分)沒有發(fā)揮作用或作用很有限?，F(xiàn)在LED路燈散熱技術(shù)，一般使用導(dǎo)熱板方式， 就是一片5mm厚的銅板，實(shí)際上 算是均溫板，把熱源均溫掉；也有加裝散熱片來散熱，但是重量太大。重量在路燈

15、系統(tǒng)上十分重要，因?yàn)槁窡舾哂?9米，若太重危險(xiǎn)性就增加，尤其遇到臺風(fēng)、地震都可能產(chǎn)生意外。也許，未來LED廣泛進(jìn)入路燈領(lǐng)域后， 可能形成模組化散熱會更好地解決LED路燈散熱難的狀況?？諝鈱α魃崾酱蠊β蔐ED路燈燈具空氣對流 散熱式大功率 LED路燈燈具(200820000106.1 )。其目的是解決大 功率LED燈具散熱問題，提出一種空氣對流散熱式大功率LED路燈燈具，它包括有燈頭組件、燈具散熱體組件和燈尾組件，燈具散熱體組件為弧弦柱形殼體，兩端開口，其弧柱面兩側(cè)面為立面，立面也開有陣列通孔，在弧弦柱形殼體內(nèi)腔設(shè)有410條軸向排列的并與弧柱面和弦柱面固接立筋導(dǎo)熱板，立筋導(dǎo)熱板和弧弦柱形殼體兩

16、側(cè)的兩個(gè)立面也都開有陣列通孔，立筋導(dǎo)熱板和弧弦柱形殼體兩側(cè)的兩個(gè)立面在燈具散熱體組件內(nèi)形成 511條熱空氣流動(dòng)的散熱通道。本實(shí)用新型優(yōu)點(diǎn)是散熱體內(nèi)腔有多條熱空氣流動(dòng)的散熱通道，立筋導(dǎo)熱板也都充當(dāng)散熱面，熱交換面增加，熱排放效率高。發(fā)光二極管(LightEmittinDiode,LED)作為新一代固態(tài)光源，具有壽命長、高效節(jié)能、綠色環(huán)保等眾多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用到顯示！照明領(lǐng)域中隨著科技發(fā)展，先進(jìn)技術(shù)不斷地應(yīng)用于半導(dǎo)體生產(chǎn)中，以使 LED的發(fā)光效率不斷提升，成本持續(xù)下降。LED的核心部分是PN結(jié)，注人的電子與空穴在PN結(jié)復(fù)合時(shí)把電能直接轉(zhuǎn)換為光能，但是并不是所有轉(zhuǎn)換的光能都夠發(fā)射到LED夕卜，它會

17、在PN結(jié)和環(huán)氧樹脂/硅膠內(nèi)部被吸收片轉(zhuǎn)化熱能這種熱能是對燈具產(chǎn)生巨大副作用，如果不能有效散熱，會使LED內(nèi)部溫度升高，溫度越高，LED的發(fā)光效率越低，且 LED的壽命越短，嚴(yán)重情況下，會導(dǎo)致LED晶片立刻失效，所以散熱仍是大功率LED應(yīng)用的巨大障礙?，F(xiàn)有散熱技術(shù)：101為散熱鋁型材；102為導(dǎo)熱硅膠墊片/硅脂;103 一 106組成鋁基板， 其中103為鋁板，104為絕緣層，105為敷銅層，106為阻焊層201 一 204組成LED 燈，其中201為電極，202為LED底座，203為LED的PN結(jié)，204為硅膠，然后使用 錫膏將LED焊接與鋁基板的敷銅層：LED的PN結(jié)發(fā)出的熱量經(jīng)過 LED底

18、座一錫膏焊接層 一敷銅層一絕緣層一鋁板一導(dǎo)熱硅膠墊片/硅脂一散熱鋁型材一散發(fā)于空氣中，這樣完成散熱過程。LED燈具散熱結(jié)構(gòu)及原理解析LED 底座導(dǎo)熱系數(shù)約為 80W/mk; 錫膏焊接層導(dǎo)熱系數(shù)大于 60W/mk; 敷銅層的導(dǎo) 熱系數(shù)約為 40OW/mk, 鋁板和鋁型材的導(dǎo)熱系數(shù)約為 200W/mk, 絕緣層的導(dǎo)熱系數(shù)約為 Iw/mk,導(dǎo)熱硅膠墊片/硅脂約為SW/mk,但是越靠近LED的PN結(jié)，熱流密度越高，且導(dǎo) 熱硅膠片 /硅脂已經(jīng)有鋁板橫向?qū)峋鶞亓耍?這樣絕緣層的熱流密度要比導(dǎo)熱硅膠墊片 /硅脂 的熱流密度高很多，所以綜上所述，可以明顯看出散熱瓶頸在于鋁基板的絕緣層。LED 燈具散熱新技術(shù)

19、既然散熱瓶頸是鋁基板上的絕緣層，那么，對于熱電分離的LED來說，就可以使用如下新的加工工藝處理鋁基板，大大增強(qiáng)LED 燈具散熱能力：在鋁基板的原 LED 底座下的位置，鉆孔去掉敷銅層和絕緣層，裸露出鋁板，但是鋁是無法直接焊錫 的，還需要在裸露的鋁板上鍍上能夠焊錫金屬層經(jīng)過反復(fù)的研究探討和加工驗(yàn)證，采用如下的加工工藝：首先在裸露的鋁板上沉鋅， 再在鋅面上鍍鎳，然后在鎳上鍍銅，最后在銅上噴 錫或沉金采用以上加工順序加工的鍍層附著力強(qiáng)， 導(dǎo)熱性能好， 經(jīng)過以上鍍層工藝后就可以 把 LED 焊接在鋁板上了。新的鋁基板加工工藝焊接完成后， LED 的 PN 結(jié)發(fā)出的熱量經(jīng)過 LED 底座一錫膏焊接 塊一鋁板一導(dǎo)熱硅膠墊片 /硅脂一散熱鋁型材一散發(fā)于空氣中，去除了導(dǎo)熱系數(shù)非常小的絕 緣層后，大大增強(qiáng)了。新舊工藝的 LED 燈具溫度對比散熱能力為了比較新工藝增強(qiáng)散熱的真實(shí)效果，我們分 別使用新舊加工工藝制作兩款相同的型號的 LED 燈具，并在相同的條件測試 LED 燈具各點(diǎn) 的溫度， 在新的加工工藝下， LED 燈具中的 LED 底座的溫度明顯下降了 4.6, 起到了很好的 散熱效果，能夠大大增加 LED 燈具的穩(wěn)定和壽命