LED道路照明光源的散熱(精)

1、產(chǎn)品與應(yīng)用 LED 道路照明光源的散熱與配光應(yīng)用李志航高鐵成（天津工業(yè) 大學(xué)信息與通信學(xué)院，天津 300160）摘要作為照明光源的小功率 LED 陣列，雖 然解決了散熱問題，但 LED 數(shù)量多、光衰強(qiáng)、安裝成本高，采用大功率 LED 已 經(jīng)是城市照明 LED 路燈發(fā)展的趨勢(shì)。如何解決大功率 LED 路燈產(chǎn)品的 散熱、 LED 的散光，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 問題和光電轉(zhuǎn)換效率太低，每瓦只有幾個(gè)流明等問題是本文研究的關(guān)鍵。關(guān)鍵詞： 大功率 LED ;散熱；道路照明； 性能對(duì)比 LED Road Lighting Source with the Heat and

2、Light Applicati on Li Zhiha ng Gao Tieche ng （In formati on and Communi cati onEngineering Institute of Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300160 Abstract Modernlighting in the area as a source of low-power LED array, Thermal issue is resolve， LEDused to be a lot of volume, low-power LED light

3、failure strong, and the installation of highcost； Urba n Lighti ng LED lights use high-power LED is the trend of developme nt, witha small nu mber of high-power LED to LED lights in the products because no goodsolution to achieve a certain amount of power, LED the heat; LED astigmatism and theconden

4、ser control Street lamps in the road surface of the illumination of the exposure,type and intensity of the balanee Photoelectric conversion efficiency is too low, only a fewlumens per watt, and other issues. Key words high- power LED ；thermal; road Lighting ；comparative performanee 1 弓丨言 LED （ Light

5、 Emitting Diode，稱發(fā)光二極管），屬于固態(tài)光源。LED 的應(yīng)用已有較悠久的歷 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(hào)燈和液晶屏幕背光源等領(lǐng)域。近些年來，隨著 GaP、GaN 系川-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(jìn)步，LED 的光效和大功率 集成技術(shù)都有了很大的提高， LED 已經(jīng)開始在照明領(lǐng)域得到初步應(yīng)用，出現(xiàn)了 LED 路燈、LED 礦燈、LED 應(yīng) 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。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

6、廠家都先后加入 LED 光源及市場(chǎng)開發(fā)中。美、日、歐及中國臺(tái)灣省均推出了半導(dǎo)體照明計(jì)劃。我國 2001 年 863 計(jì)劃立項(xiàng)，2003 年緊急啟動(dòng)了國家半導(dǎo)體照明工程”從 2006 年的 十一五”開始，國家將半導(dǎo)體照明工程作為一個(gè)重大工程進(jìn)行 推動(dòng)。當(dāng)前，我國經(jīng)濟(jì)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(diǎn)領(lǐng)域，在 十一五”期間，大力推 進(jìn)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。2 2.

7、1 設(shè)計(jì)思路和方法 光源的選擇 傳統(tǒng)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 2008 年第 7 期 95產(chǎn)品與應(yīng)用 效比較高，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 測(cè)試項(xiàng)目發(fā)光效率/幾種照明光源的性能指標(biāo) LED 50 50 85 20 燈具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究 （1）燈具結(jié)構(gòu) 組成結(jié)構(gòu)：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(dòng)器，電器 室 蓋板五部分組成，如圖 1 所示。鋼化玻璃 驅(qū)

8、動(dòng)器蓋板 2.2 白熾燈 熒光燈高壓汞燈 高壓鈉燈（1m-w 壽命/ kh 顯色指數(shù) 成本/ 16 2 95 0.4 簡單一般差好差一般 70 810 75 1.5 中一般差差差汞污染 50 620 45 5 復(fù)雜價(jià)格高差一般好差汞 污染 100 24 23 5 復(fù)雜價(jià)格高差一般好差汞污染燈體（8 -（klm 驅(qū)動(dòng)電路價(jià)格安 全性可靠性 亮度可調(diào)性方向性 環(huán)保性模組中價(jià)格低高高好好好驅(qū)動(dòng)器燈桿 價(jià)格低價(jià)格低圖 1 LED 燈具結(jié)構(gòu)功能結(jié)構(gòu)：散熱燈體，光源室，電器室三部分 組成，如圖 2 所示。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(diǎn) 解決的問題。LED 是冷光源，不象白

9、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(shí)產(chǎn)生的熱量有效地散發(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(shì)。由于發(fā)光管生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步，大功率發(fā)光管內(nèi)部的熱阻越來越低，目前1W 的發(fā)光管的熱阻普遍 在 15C/W 以下，也就是說，給 1W 的發(fā)光管加 1W 的電 功率，管芯比管殼的溫度只高 15C。按照目前 發(fā)光管管芯材料的耐溫水平，管芯 溫度不超過150C就能長期安全的工作。這樣推算，外殼溫度135C時(shí)可以安全使用。但是，由于外殼封裝材料的 限制，實(shí)際使用中的管殼溫度最好不超過70C,這樣管芯溫度只有 85

10、T，發(fā)光管的透明封裝材料也不 會(huì)快速老化。因此，沒有必要將半導(dǎo)體燈工作時(shí)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。要有效地散熱，減小燈的體積和生產(chǎn)成本，燈 體必須有合理的散熱結(jié)構(gòu)。如何合理 地把發(fā)光管產(chǎn) 生的熱量傳導(dǎo)到外殼，有效地增大外殼與空氣的接觸面，并利于空氣在外殼表面上的流動(dòng)，就是本燈 體熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要解決的問題。圖 2 LED 燈具功能結(jié)構(gòu)（2）散熱材料的選擇為了做好 LED 路燈，首先要對(duì)散熱材料進(jìn)行選 擇。 目前散熱器所采用的基本材料為金屬，這主要出于三方面的考慮：導(dǎo)熱性能好，相對(duì)其他固體材料， 金屬具有更

11、好的熱傳導(dǎo)能力； 易于加工，延展性好， 高溫相對(duì)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(jià)格也相對(duì)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(biāo)準(zhǔn)。表 2 為散熱片慣用材料與常見金屬材料 的熱傳導(dǎo)系數(shù)。表 2金屬材料 金銀銅鋁鐵散熱片慣用材料及熱傳導(dǎo)系數(shù) 熱傳導(dǎo) 系數(shù) （W/mK） 317 429 401 23748 155 201 96 226 209 AA606 俚鋁合金 AA6063 型鋁合金 ADC12 型鋁合金 AA1070 型鋁合金 AA1050 型鋁合金熱傳導(dǎo)系數(shù)越高越 好， 但同時(shí)還需要兼顧到材料的機(jī)械性能與價(jià)格

12、。熱傳導(dǎo)系數(shù)很高的金、銀，962008 年第 7 期產(chǎn)品與應(yīng)用由于質(zhì)地柔軟、密度過大及價(jià)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(chǎng)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、力卩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(jià)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(huì)摻加各種配方材料制成鋁合金，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

13、，適合于不同的成形、加工方式，應(yīng)用于不同的領(lǐng)域。表 1 中列出的 5 種不同鋁合金中：AA6061 與 AA6063 具有良好的熱傳導(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(jī)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(xì)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(shí)現(xiàn)燈體的制作。 采用一體化鋁 合金壓鑄LED 路燈設(shè)計(jì)思路：根據(jù)道路照明燈具的功能需要及燈具的防護(hù)安全等 級(jí)的規(guī)定，將整個(gè)燈具分

14、成三部分來設(shè)計(jì)，整體散熱外殼、光源室和電器室。1 ）散熱外殼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(jì)。性能優(yōu)秀的 散熱器，其性能應(yīng)滿足三個(gè)要求：吸熱快、熱阻小、 散熱快。為了達(dá)到吸熱快的效果，就要求吸熱底與 LED 模塊結(jié)合盡量緊密， 讓金 屬材料與 LED 模塊直接接 觸，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(jì)而來，吸熱底內(nèi)部的熱傳導(dǎo)阻抗是其中不可忽視的一部分。為將吸收的熱量有效地傳 導(dǎo)到盡量多的鰭片上，還需要吸熱底有較好的橫 向熱傳導(dǎo)能力。在設(shè)計(jì)時(shí)首先滿足吸熱底有足夠的厚度，同時(shí)考慮 LED 模塊的安裝孔位進(jìn)行加筋，

15、也加 強(qiáng)了燈具的整體性和機(jī)械強(qiáng)度。圖 3、圖 4 為燈體的上部和側(cè)面的散熱結(jié)構(gòu)。圖 3 燈體上部散熱片分布圖 圖 4 燈體側(cè)面散熱分布圖 該設(shè)計(jì) 除具有吸熱快，熱阻小，散熱順暢，防 護(hù)等級(jí)高，機(jī)械強(qiáng)度好的優(yōu)點(diǎn)外，還能將 LED 模塊結(jié)溫控制在 60C以下，這在 LED 應(yīng)用照明上具有 突破性意義。2）光 源室配光 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(shí)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(dá)到同等要求的照明效果，因而實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。 路

16、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)光面安放不同功率 的 LED模塊，使整個(gè)照度范圍內(nèi)地面的光強(qiáng)大至均衡。本 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)有一個(gè)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(gè)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(gè)不同 的 LED模塊單元并按 圖 5 或圖 6 形式安裝。圖 5 圖 6 按圖 5 或圖 6 安裝，可以是 兩側(cè)照明單元所采用的

17、LED 模塊功率比中間照明的 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)向性可以有效地控制光線的分布范圍，使 LED 模塊發(fā)出的光成為一個(gè)長條形光帶沿路面方向鋪展，如圖 7 所示。2008 年第 7 期 97產(chǎn)品與應(yīng)用（a）燈頭配光結(jié)構(gòu) 路燈燈桿 9 米 50 米（b）路燈安裝光源照射 分布示意圖圖 7 產(chǎn)生的熱直接傳導(dǎo)到燈具殼體的外部，由自然對(duì)流的空氣將熱量直接帶走，無需其他手段的輔助散熱。保證了整體溫升在 25C以下，對(duì) LED 模塊和恒流 驅(qū)動(dòng)器在良好的工作溫度中，保證了燈具的性能和壽命。由于采用了一體化壓鑄成型的工藝，使燈具的整體性和一致性

18、得到保證，同時(shí)提高了燈具的防護(hù)等級(jí)，確保燈具的防護(hù)等級(jí)達(dá)到 GB7000.1 -2002 和 GB7000.5-2005 標(biāo)準(zhǔn)。通過 對(duì)配光的研究，針對(duì)道路照明的要求設(shè)計(jì)出獨(dú)特的配光方案，配置不同的模塊對(duì)遠(yuǎn)距離的路 面增加光強(qiáng)，使整個(gè)路面的照度基本相等來實(shí)現(xiàn)道路照明的均勻度。這是傳統(tǒng)路燈所無法做到的。參考文獻(xiàn)1 2 3陳榮治照明史上最具革命性的突破進(jìn)展J.光訊,2003,（104:15.許榮宗,韓偉國,陳秋伶.白光 LED 燈板 圭寸裝設(shè)計(jì) 及制作J.電機(jī),2005, 12（5. Tori Teshima, Takeshi Kouchi, Kaoru Takahashi, HoichiroKa

19、shiwabara and Osamu Waki. Developme nt of LED High Moun ted Stop Lamp. Ata nleyElectro nic Co., Ltd., Toshihide Kawamura, I.I. Stanley Co.,1 nc., SAE 870061:1.2401.247. 4 Gerhard Li ndae.lmproveme nt of Low-Beam Pattern by use of PolyellipsoidHeadlamps （ PES . SAE850228: 2.212.227. 5 Charlies W. Spe ncer and GiorgioManun ta.High Performa nee Low Profile Headlamps. SAE Tech. Paper #870060.光的導(dǎo)向是做好 LED 路燈的重要環(huán)節(jié)。 為了有 效地利用光線，應(yīng)該發(fā)揮 發(fā)光管照射方向便于調(diào)控 的優(yōu)勢(shì)，使發(fā)光管發(fā)出的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(diǎn)，應(yīng)在結(jié)構(gòu)上采用多種功率的 LED 模塊組合，按