LED道路照明光源的散熱與配光應(yīng)用精

1、LED道路照明光源的散熱與配光應(yīng)用LED的應(yīng)用已、立項的背景和意義LED（ Light Emitting Diode，稱發(fā)光二極管），屬于固態(tài)光源。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、信號燈 和液晶屏幕背光源等領(lǐng)域。近些年來，隨著 GaP、GaN系m -V族化合物半導(dǎo)體的 結(jié)晶成長工藝技術(shù)及納米技術(shù)的進步，LED的光效和大功率集成技術(shù)都有了很大LED路燈、LED礦燈、LED為光源的照明燈具。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應(yīng)急燈、LED車燈、LED景觀燈等多種以大功率LED的光譜幾乎全部集中LED發(fā)光原理為固體發(fā)光，按固體發(fā)光物理學(xué)原理，于

2、可見光頻段，所以發(fā)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(shù)之一，LED光源這種新型照明光源必將會取代傳統(tǒng)照明光源，正帶動 著一場新的產(chǎn)業(yè)革命-照明革命。二、當前國內(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光源及市場開發(fā)中。美、日、歐 及中國臺灣省均推出了半導(dǎo)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(dǎo)體照明工程”從2006年的十一五”開始，國家將把半導(dǎo)體照明工程作

3、為一個重大工程進行推動。 當前，我國經(jīng)濟快速增長，能源緊張的矛盾日益顯現(xiàn)，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(chǎn)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(yīng)緊張的局面。國家將貫徹節(jié)能優(yōu)先政策，并將照明器具”列入節(jié)能重點領(lǐng)域，在 十一五”期間，大力推進綠色節(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到國家道路照明標準，壽命是傳統(tǒng)路燈的1020倍，耗電量卻不到傳統(tǒng)路燈的20%。三

4、、本課題研究的內(nèi)容我國雖有多家企業(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，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，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(tài)和照度的均衡問題；光電轉(zhuǎn)換效率太低，每瓦只 有幾個流明等問題。因此產(chǎn)品性能還不盡如人意；高性能的產(chǎn)品價位又居高不 下，難以推廣普及。四、研究的技術(shù)路線和方法（一）光源的選擇:光源比較：傳統(tǒng)照明光源主要有 3大類：白熾燈、熒光

5、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(shù)高， 而且屬于新型光源，發(fā)展?jié)摿薮?，是未來傳統(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測試項目白熾燈熒光燈高壓汞燈高壓鈉燈LED發(fā)光效率/ (1m-w 16 70 50 100 50壽命/ kh 2 810 6 20 24 50顯色指數(shù)95 75 45 23 85成本/ (8 -(kim 0.4 1. 5 5 5 20驅(qū)動電路簡單中復(fù)雜復(fù)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

6、一般一般咼亮度可調(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30 w的數(shù)據(jù)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(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)出長壽命的優(yōu)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(chǎn)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(xiàn)溫差，管芯的溫度會高于外殼 溫度。由于發(fā)光管生產(chǎn)技術(shù)的進步，大功率發(fā)光管內(nèi)部的熱阻越

7、來越低，目前1瓦的發(fā)光管的熱阻普遍在15度/瓦以下，也就是說，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 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(fā)光管的透明封裝材料也不會快速老化。長期穩(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

8、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，就是燈體熱結(jié)構(gòu)設(shè)計要解決的問題。（二）燈具結(jié)構(gòu)設(shè)計研究: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又是個矛盾，針對這對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研究：利用鋁合金型材組合的路燈，我們將一塊AA606

9、3 ; 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)動電源，完成 LED路燈的設(shè)計制作。該款路燈的熱傳導(dǎo)和散熱效果均佳，能將 LED所產(chǎn)生的熱量迅速的傳導(dǎo)到散 熱器上，再由裸露在空氣中的散熱鰭片散發(fā)到空氣中，由流動的空氣帶走熱量，但 是由于整個燈具是由多個部分連接組合而成，產(chǎn)品一致性差，在防滲水安全上僅靠防水膠是極不可靠的，所以在防護等級上達不到(GB7000.1-2002;GB7000.5-2005)的要求。更主要的是所有的LED均安裝在一個平板上，無

10、法對燈具進行合 理的配光，在實際使用中該款路燈的照明半徑無法滿足路燈的照明范圍，而且外觀 呆板，故本方案不成熟不宜采用。見下圖：b.傳統(tǒng)燈殼改制的LED路燈存在的問題：利用傳統(tǒng)路燈燈頭改制的 LED路 燈，雖然采用了鋁型材做散熱器，將整個光源和驅(qū)動電路裝入鋁合金燈殼中，雖然 解決了燈具的防護等級問題，但是整個光源是在密閉的燈殼中，燈具工作中所產(chǎn)生 的熱量無法散發(fā)到空氣中帶走，導(dǎo)致 LED模塊和驅(qū)動電路在極惡劣的環(huán)境中工 作，工作溫度急劇升高，LED隨著溫度的升高而出現(xiàn)死燈和光衰，驅(qū)動器也因溫 度超過而燒毀，大大降低了燈具的可靠性和使用壽命。故此方案是不成熟的。要做 好LED路燈簡單的用傳統(tǒng)燈頭

11、裝入 LED光源是行不通的。見下圖：以上兩個方案都是無法同時滿足散熱與防護問題而失敗，為此我們進行下列的 進一步研究。散熱問題與產(chǎn)品的防護等級是一個矛盾，這是一個行業(yè)性的難題，項 目產(chǎn)品在不降低產(chǎn)品的密封性和防護等級的前提下，又要保證良好的熱傳導(dǎo)，對 流，發(fā)散，我們進行了如下的研究：C.散熱材料的選擇：為了做好LED路燈，首先我們對散熱材料進行選擇，目 前散熱器所采用的基本為金屬材料，這主要出于三方面的考慮： 導(dǎo)熱性能好一一相對其它固體材料，金屬具有更好的熱傳導(dǎo)能力; 易于加工一一延展性好，高溫相對穩(wěn)定，可采用各種加工工藝; 易獲取雖然金屬也屬不可再生資源，但供貨量大，不需特殊工序，價格 也相

12、對低廉；依此確定了散熱片所用材料類型，具體種類的確定同樣需以此為標 準。下表為散熱片慣用材料與常見金屬材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)。熱傳導(dǎo)系數(shù)自然是越高越好，但同時還需要兼顧到材料的機械性能與價格。熱 傳導(dǎo)系數(shù)很高的金、銀，由于質(zhì)地柔軟、密度過大、及價格過于昂貴而無法廣泛采 用；鐵則由于熱傳導(dǎo)率過低，無法滿足高熱密度場合的性能需要，不適合用于制作 高性能散熱片。銅的熱傳導(dǎo)系數(shù)同樣很高，可礙于硬度不足、密度較大、成本稍 高、加工難度大等不利條件，在散熱片中使用較少。鋁作為地殼中含量最高的金 屬，因熱傳導(dǎo)系數(shù)較高、密度小、價格低而受到青睞；但由于純鋁硬度較小，在各 種應(yīng)用領(lǐng)域中通常會摻加各種配方材料制成鋁合金

13、，為此獲得許多純鋁所不具備的 特性，而成為了散熱片加工材料的理想選擇。各種鋁合金材料根據(jù)不同的需要，通過調(diào)整配方材料的成分與比例，可以獲得 各種不同的特性，適合于不同的成形、加工方式，應(yīng)用于不同的領(lǐng)域。上表中列出 的5種不同鋁合金中：AA6061與AA6063具有不錯的熱傳導(dǎo)能力與加工性，適合 于擠壓成形工藝，在散熱片加工中被廣為采用。ADC12適合于壓鑄成形，但熱傳導(dǎo)系數(shù)較低，因此散熱片加工中通常采用AA1070鋁合金代替，可惜加工機械性能方面不及 ADC12。AA1050則具有較 好的延展性，適合于沖壓工藝，多用于制造細薄的鰭片。通過以上分析我們確定了采用AA1070選擇一次性壓鑄成型來實

14、現(xiàn)燈體的制 作。d采用一體化鋁合金壓鑄LED路燈設(shè)計思路:、散熱燈殼研究:根據(jù)道路照明燈具的功能需要及燈具的防護安全等級的規(guī)定，我們將整個燈具分成三部分來設(shè)計，整體散熱外殼。光源室，電器室，選擇AA1070鋁合金壓鑄次性成型。散熱片的散熱效果主要取決于散熱片與發(fā)熱物體接觸部分的吸熱底和散熱片的 設(shè)計。性能優(yōu)秀的散熱器，其性能應(yīng)滿足三個要求：吸熱快、熱阻小、去熱快。吸熱快：即吸熱底與LED模塊間熱阻小，可以迅速的吸收其產(chǎn)生的熱量。為了達到這種效果，就要求吸熱底與 LED模塊結(jié)合盡量緊密，令金屬材料與LED模塊直接接觸，最好能夠不留任何空隙。散熱器的整體熱阻就是由與LED模塊的接觸面開始逐層累計而

15、來，吸熱底內(nèi)部的熱傳導(dǎo)阻抗是其中不可忽視的一部分。為了將吸收的熱量有效地傳導(dǎo)到盡量多 的鰭片上，因此還需要吸熱底有較好的橫向熱傳導(dǎo)能力，我們在設(shè)計燈具時首先滿 足吸熱底有足夠的厚度，同時考慮 LED模塊的安裝孔位進行加筋，也加強了燈具 的整體性和機械強度。熱阻小：為了提升吸熱能力，希望散熱片與 LED模塊緊密結(jié)合，不留任何空隙，壓鑄出來的表面這是無法實現(xiàn)的。吸熱底與 LED模塊之間必然存在一定的空 隙，如果空隙中是高熱阻的空氣，就無法得到良好的導(dǎo)熱效果，因此，應(yīng)采用具 有較低熱阻及較佳適應(yīng)性的材料填充其中的空隙，這便是導(dǎo)熱膏的用武之地。但導(dǎo)熱膏的熱阻始終要高于加工散熱片的金屬材料，使用它只是權(quán)

16、宜之計，并非真正的 解決之道，要想根本上提高散熱片吸熱底的吸熱能力，就必須提高其底面平整度。 平整度是通過表面最大落差高度來衡量的，通常散熱片的底部稍經(jīng)處理即可達到 0.1mm以下，采用銑床或多道拉絲處理可以達到 0.03mm,散熱片的吸熱底越平整 熱阻越小，越有利于熱量吸收，但由于無法做到完美，涂抹導(dǎo)熱膏成為了LED模塊安裝到散熱器的必須步驟，從而達到吸熱的最佳效果。去熱快，由于我們將LED模塊的吸熱底和散熱鰭片壓鑄成一體，即能夠?qū)?LED組吸收的熱量迅速的傳導(dǎo)到鰭片部分，整個燈體和散熱鰭片上部是裸露于空 中的，而且我們的鰭片的方向是平行于道路，需要散發(fā)的熱氣與氣流方向一致，不 會因氣流而

17、形成渦流而造成熱氣的滯留，進而由流動的氣流順利帶走而散發(fā)，以最 快是速度將熱量散發(fā)。下圖為燈體的上部和側(cè)面的設(shè)計結(jié)構(gòu):燈體上部散熱片分布圖燈體側(cè)面散熱分布圖由于我們在燈體的設(shè)計上對整個 燈體的上部無任何開口， 整體的加工為鋁合金一次性壓 鑄成型，在整體的上部不 存在滲水和防塵的煩惱， 僅對燈體向下方向的光源室和電器室進行 防護即可，這 樣防護問題就簡單了，只需采用硅橡膠條進行防水防塵，就能達到 IP65的防護等 級。通過以上的研究我們開發(fā)的一體化 LED路燈散熱燈頭，具有吸熱快，熱阻 小，散熱順暢，防護等級高，機械強度好的優(yōu)點。能將 LED模塊結(jié)溫控制在攝氏60度以下，這在LED應(yīng)用照明上具有

18、突破性意義，將 LED照明從可能變?yōu)榭?以。.光源室配光研究：LED光源之所以適合用于局部照明，是由于LED模塊在生產(chǎn)時就可以制作成各種發(fā)光角 度和各種功率的產(chǎn)品， 利用特定發(fā)光角的光 源做局部照明可以使光源發(fā)出的光得到更有效的 利用，和傳統(tǒng)的不便控制發(fā)光角 度的光源相比，可以用比較小的功率達到同等要求的照明效 果，因而實現(xiàn)節(jié)能的 目的。路燈主要是為了照亮路面，因而屬于局部照明。對路燈產(chǎn)品來講，與車 燈、電筒等產(chǎn)品 的光照要求不同，光束要求有一定的范圍，市場現(xiàn)有的產(chǎn)品一般 采用透鏡來解決這個問題， 不同特性的LED管配用不同曲光度的透鏡，互換性不 好。為解決這個問題，我們的產(chǎn)品獨辟 蹊徑，光源

19、室采用內(nèi)置導(dǎo)光多角度平面合 理組合的方法解決，成本低，可適用于不同 LED管（不同LED管，發(fā)射角不同， 只要選擇不同的導(dǎo)光面的安裝 LED模塊即可以改變出光的角 度）。另外，其出光是一規(guī)則的長方形照射面。其照射面更寬，而且亮度增大，路面照射均勻。路燈在路面照射面的照度范圍、 型態(tài)和照度的均衡問題采用在不同的內(nèi)置導(dǎo)光面安放由于采用了以上不同功率的LED模塊，使整個照度范圍內(nèi)地面的光強大至均衡。光的導(dǎo)向思路，使得該產(chǎn)品具有更好的照明效果。 我們的LED路燈配光和結(jié)構(gòu)所 采用的具體技術(shù)方案是： 大功率LED路燈由帶散熱片的燈 體、LED模塊、透光罩、蓋板、密圭寸膠條組成；散熱殼體一面上的一端設(shè)有一

20、個光源室，在其光源室的凹口周邊配裝有鋼化玻璃透光罩， 在散熱燈體的光源室內(nèi)設(shè)有五個不同角度的 模塊安裝面，在光源室的導(dǎo)光安裝面上按不同的配置需要安裝安裝35個不同的LED模塊單元并按“或“或“形式安裝?！毙问桨惭b可以是兩側(cè)照明單元所采用的 LED模塊功率上述的呈比中間照明的LED模塊功率大。用多種功率組合的LED模 塊組成的LED路燈，利用其光的導(dǎo) 向性可以有效的控制光線的分布范圍，LED模塊發(fā)出的光成為一個長條形光帶沿路面方向 使鋪展。燈頭配光結(jié)構(gòu)圖 路燈安裝 光源照射分布示意圖 光的導(dǎo)向是做好LED路燈的重要環(huán)節(jié)。為了有效的利用光 線，應(yīng)該發(fā)揮發(fā)光管照射方向 便于調(diào)控的優(yōu)勢，使發(fā)光管發(fā)出的

21、光形成一條光帶 鋪在路面上，而不要在無效方向上散射。 要做到這一點，結(jié)構(gòu)上的辦法是用多種 功率的LED模塊組合，按“或“形式安裝。分別兼顧不同的照射距離。分別用于照射附近路面，中距離路面，遠距離路面，使LED輸出的光均勻的覆蓋兩盞燈之間的半距離路面， 覆蓋寬度基本上和路面寬度吻合，這樣就可 以用比較小的功率有效的照亮道路。 這就需要很好的設(shè)計這幾組LED模塊的安裝角，解決光的 導(dǎo)向。實踐證明，這樣制作的LED路燈96瓦左右的功率就能超過150瓦納燈對 路面的照明效 果，以128瓦左右就能達到300瓦的照明效果，節(jié)能效果顯著。技 術(shù)參數(shù)：表1. JN -96W-CB3096-01LED路燈技術(shù)參

22、數(shù)（等效150W金鹵燈）序 號JN -72W-CB30108-01LED路燈（等效150W金鹵燈）性能指標1光2功3色源超高亮白光LED率96W溫4000K-6000K （色溫可根據(jù)需要調(diào)配4顯色指數(shù)80 5照度范圍40m X 10m （可根據(jù)燈桿間距調(diào)整）6平均照度15勒克斯（照明效果 等同于150瓦高壓鈉燈或鹵素燈）7燈桿高度6-8m（可根據(jù)客戶需求定制8電源輸入電壓交流 AC/190V250V 50HZ 9適應(yīng)溫度-40E- 85C10適應(yīng)濕度 95% 1使用壽命30000小時12防護等級IP65表2. JN-128W-CB50128-02LED路燈技術(shù)參數(shù)（等效250W金鹵燈）序號JN

23、-128W-CB50108- 02LED路燈（等效250W金鹵燈）性能指標1光2功3色源超高亮白光LED率128W溫4000K-6000K （色溫可根據(jù)需要調(diào)配4顯色指數(shù)80 5照度范圍40m X 10m（可根據(jù)燈桿間距調(diào)整）6平均照度20勒克斯（照明效果等同于250瓦高壓鈉 燈或鹵素燈）7燈桿高度6-9m（可根據(jù)客戶需求定制8電源輸入電壓交流AC/190V250V 50HZ 9適應(yīng)溫度-40 E- 85 E 10適應(yīng)濕度 95% 1使用壽命30000小時12防護等級IP65 4.電器室驅(qū)動研究：a.電器室結(jié)構(gòu)：在燈具的另一端設(shè)有一個電器室、并通過線槽與光源、安裝孔相連通，蓋板的大小與電器室相適配、密封膠條與光源室、電器室相適配，通過蓋板、密封膠條將電器室進行 密封，AC/DC恒流控制裝置、連接線、電源連接線，恒流控制裝置的輸入端連接 電源連接線、輸出端通過連接線連接LED模塊的輸入端，恒流控制裝置涂抹導(dǎo)熱 膏加螺絲貼裝于散熱殼體的電 器室內(nèi)的安裝面上，連接線敷設(shè)于散熱殼體的光源 室和電器室之間的線槽內(nèi)，電源連接線設(shè)于散熱殼體的電源室與安裝孔之間的線槽內(nèi)、穿出安裝孔外、連接至電源。b 驅(qū)動方案的選擇LED是一種半導(dǎo)體產(chǎn)品，