LED道路照明光源的散熱與配光應(yīng)用

1、LED道路照明光源的散熱與配光應(yīng)用一、立項(xiàng)的背景和意義 LED（Light 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-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)域里初步應(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。LED發(fā)光原理為固體發(fā)光,按固體發(fā)光物理學(xué)原理，LED的光譜幾乎全部集中于可見光頻

2、段，所以發(fā)光效率高達(dá)90以上，因此，LED被譽(yù)為21世紀(jì)新光源，即將成為繼白熾燈、熒光燈、高強(qiáng)度氣體放電燈之后的第四代光源，被公認(rèn)為當(dāng)前十大前沿技術(shù)之一, LED光源這種新型照明光源必將會(huì)取代傳統(tǒng)照明光源，正帶動(dòng)著一場新的產(chǎn)業(yè)革命-照明革命。 二、當(dāng)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(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，國家將把半導(dǎo)體照明工程作為一個(gè)重大

3、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。 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(dá)到國家道路照明標(biāo)準(zhǔn)，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、本課題研究的

4、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(qiáng)，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(dá)到一定量時(shí)，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(gè)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(jià)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、熒光燈和稀有氣體放電燈。與

5、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薮螅俏磥韨鹘y(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(biāo) 測試項(xiàng)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 2O  24  5O顯色指數(shù)  95  75  45

6、60;23  85成本(8 -(klm) ) 0.4  15  5  5  2O 驅(qū)動(dòng)電路  簡單  中  復(fù)雜  復(fù)雜  中  價(jià)格低 價(jià)格低  價(jià)格高  價(jià)格高  價(jià)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(diào)性 好  差  好 好 好 方向性 差  差  差  差  好 環(huán)保性 一般 汞

7、污染 汞污染  汞污染 好 注：白熾燈發(fā)光效率為3O 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(gè)熱阻使LED在使用時(shí)外殼和管芯之間出現(xiàn)溫差，管芯的溫度會(huì)高于外殼溫度。 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1瓦的發(fā)光管的熱阻普遍在

8、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(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(huì)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(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。要有效的散熱，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)。問題是怎樣合理的把發(fā)光管產(chǎn)生的熱量

9、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(dòng)，就是燈體熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要解決的問題。 （二）燈具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(dòng)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(hù)又是一個(gè)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(hù)研究：利用鋁合金型材組合的路燈，我們將一塊AA6063；305mm×500mm的平板散熱器

10、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(dòng)電源，完成LED路燈的設(shè)計(jì)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(dòng)的空氣帶走熱量，但是由于整個(gè)燈具是由多個(gè)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(hù)等級上達(dá)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(gè)平板上，無法對燈具進(jìn)行合理的配光，在實(shí)際使用中該款路燈的照明半徑無法滿足

11、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(gè)光源和驅(qū)動(dòng)電路裝入鋁合金燈殼中，雖然解決了燈具的防護(hù)等級問題，但是整個(gè)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(dòng)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(dòng)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)燈頭裝入LED光源是行不通的。見下圖：以上兩個(gè)方案都是無法同時(shí)滿足散熱與防護(hù)問題而失敗

12、，為此我們進(jìn)行下列的進(jìn)一步研究。散熱問題與產(chǎn)品的防護(hù)等級是一個(gè)矛盾，這是一個(gè)行業(yè)性的難題，項(xiàng)目產(chǎn)品在不降低產(chǎn)品的密封性和防護(hù)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(jìn)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(jìn)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(jià)格也相對低廉；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(biāo)準(zhǔn)。下表為散熱片慣用材料與常見金屬

13、材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)。 上表中熱傳導(dǎo)系數(shù)的單位為W/mK，即截面積為1平方米的柱體沿軸向1米距離的溫差為1開爾文（1K1）時(shí)的熱傳導(dǎo)功率。 熱傳導(dǎo)系數(shù)自然是越高越好，但同時(shí)還需要兼顧到材料的機(jī)械性能與價(jià)格。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(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(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

14、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，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(cuò)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AA1O7O選擇一次性壓鑄成型來實(shí)現(xiàn)燈

15、體的制作。d、采用一體化鋁合金壓鑄LED路燈設(shè)計(jì)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(hù)安全等級的規(guī)定，我們將整個(gè)燈具分成三部分來設(shè)計(jì)，整體散熱外殼。光源室，電器室，選擇AA1070鋁合金壓鑄一次性成型。 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(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、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(dá)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

16、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(jì)燈具時(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，也加強(qiáng)了燈具的整體性和機(jī)械強(qiáng)度。 熱阻?。簽榱颂嵘鼰崮芰?，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(shí)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)宜之計(jì)，

17、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(dá)到0.1mm以下，采用銑床或多道拉絲處理可以達(dá)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(dá)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)腖ED組吸收的熱量迅速的傳導(dǎo)到鰭片部分，整個(gè)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(huì)因氣流而形成渦流而造成熱氣的滯

18、留，進(jìn)而由流動(dòng)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(jì)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(jì)上對整個(gè)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(jìn)行防護(hù)即可，這樣防護(hù)問題就簡單了，只需采用硅橡膠條進(jìn)行防水防塵，就能達(dá)到IP65的防護(hù)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(hù)等級高，機(jī)械強(qiáng)度好的優(yōu)點(diǎn)。能將LED模塊結(jié)溫控制在攝氏60度以下，這在LED應(yīng)用照明上具有突破性意義，將LED照明從可能變?yōu)榭梢浴?

19、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(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(gè)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(gè)問題，我們的產(chǎn)品獨(dú)辟蹊徑，光源室采用內(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

20、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。 由于采用了以上光的導(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、密封膠條組成；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

21、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  “ ”或“   ”形式安裝。 上述的呈“ ”或“ ”形式安裝可以是兩側(cè)照明單元所采用的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)向性可以有效的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。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)出的光形成一條光帶鋪在路面上，而不要在無效方向上散射

22、。要做到這一點(diǎn)，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(yuǎn)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(jì)這幾組LED模塊的安裝角，解決光的導(dǎo)向。 實(shí)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(dá)到300瓦的照明效果，節(jié)能效果顯著。 技術(shù)參數(shù)：表1JN -96W-CB3096-01LED路燈技術(shù)參數(shù)（等效150W金鹵燈） 序號(hào) JN -72W-C

23、B30108-01LED路燈（等效150W金鹵燈） 性能指標(biāo) 1光    源 超高亮白光LED 2功    率 96W 3色    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?zé)簦?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 -4085 10適應(yīng)濕度 95

24、% 11使用壽命 >30000小時(shí) 12防護(hù)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(hào) JN-128W-CB50108-02LED路燈（等效250W金鹵燈） 性能指標(biāo) 1光    源 超高亮白光LED 2功    率 128W 3色    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?zé)簦?

25、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 -4085 10適應(yīng)濕度 95% 11使用壽命 >30000小時(shí) 12防護(hù)等級 IP65 4.電器室驅(qū)動(dòng)研究：a電器室結(jié)構(gòu)： 在燈具的另一端設(shè)有一個(gè)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(jìn)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