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LED在應(yīng)用中的問題及解決方法

作者: 時間:2012-07-20 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/167793.htm

在目前的實際中,大功率存在的主要表現(xiàn)在以下幾個方面:

1.對保證工作條件和對電源技術(shù)性的認(rèn)知程度不足,造成產(chǎn)品在電源上的故障層出不窮。

2.對當(dāng)今路燈實用性道路的概念不清,盲目的與大功率氣體放電燈媲美不計成本的制作超大功率LED路燈,造成不切合實際的價格昂貴的路燈產(chǎn)品難以推廣。

3.對道路照明要求感悟不足,科學(xué)性點光源光學(xué)配光難點及對色溫在道路照明中的重要性忽略,易造成眩光,斑馬效應(yīng)和在空氣污染嚴(yán)重,下雨有霧天氣的環(huán)境中,造成燈亮地面不夠亮的現(xiàn)象。

4.對道路照明要求模糊,實際使用維護的欠考慮,造成直接使用業(yè)主的抵制。

5.由于對LED光源工作條件的要求不甚了解造成光衰減嚴(yán)重甚至于死燈。

LED光源的工作環(huán)境這個的討論,需具備了解LED的基本常識;發(fā)光二極管其核心是PN結(jié)。因此它具有一般P-N結(jié)的I-N特性,即正向?qū)?,反向截止、擊穿特性。此外,在一定條件下,它還具有發(fā)光特性。在正向電壓下,電子由N區(qū)注入P區(qū),空穴由P區(qū)注入N區(qū)。進入對方區(qū)域的少數(shù)載流子(少子)一部分與多數(shù)載流子(多子)復(fù)合而發(fā)光,其現(xiàn)今大功率LED發(fā)光效率約為30%,70%將是熱能,需要將其散熱處理。大功率白光LED的結(jié)溫TJ在亮度衰減70%時與壽命的關(guān)系可看出:TJ=50時,壽命為90000小時,TJ=80時,壽命降到34000小時,TJ=115時,其壽命只有13300小時了。TJ在散熱設(shè)計中要提出最大允許結(jié)溫值TJmax,實際的結(jié)溫值TJ應(yīng)小于或等于要求的TJmax,即TJ≤TJmax

對散熱材料的熱平衡速度要求重視度,造成光源的熱得不到有效的處理引起光衰減嚴(yán)重。現(xiàn)在許多生產(chǎn)廠家大功率LED的熱沉散熱殼體基本采用不同的合金鋁材料,其導(dǎo)熱系數(shù)不一,一些材料的散熱速率難以滿足LED工作條件。不可忽略的鋁基板及導(dǎo)熱硅膠,硅脂材料的導(dǎo)熱環(huán)節(jié),使用材料的實際壽命質(zhì)量,將直接影響LED的工作散熱條件。如何減少中間環(huán)節(jié),直接與熱沉散熱近距離接觸將熱量快速達到平衡的有效散熱,是現(xiàn)今高質(zhì)量的LED燈具產(chǎn)品開發(fā)需考慮的方向。

先從材料分析:

金屬的熱傳導(dǎo)系數(shù)表—— 429 401 317 237 80 67 34.8銀熱傳導(dǎo)系數(shù)比較好,但缺點就是價格太高,純銅散熱效果則次之,但已經(jīng)算是非常優(yōu)秀的了。不過銅也有缺點:造價高、重量重、不耐腐蝕等。所以現(xiàn)在大多數(shù)散熱片都是采用輕盈堅固的鋁材料制作的,其中鋁合金的熱傳導(dǎo)能力最好,好的風(fēng)冷散熱器一般采用鋁合金制作。至于銅,目前市場上也出現(xiàn)了純銅的散熱器,銅的導(dǎo)熱性能比起鋁要快的多,但銅的散熱沒有鋁快,銅可以快速的把熱量帶走,但無法在短時間內(nèi)把本身的熱量散去,另外銅的可氧化性是銅本身最大的弊病。當(dāng)銅一旦出現(xiàn)氧化狀態(tài),從導(dǎo)熱和散熱方面都會大大的下降。

從對比上看,最好的散熱材料也并不是鋁材。銅和鋁的對比中形成了一種新型的工藝——銅鋁結(jié)合。所謂的銅鋁結(jié)合就是把銅和鋁用一定的工藝完美的結(jié)合到一塊, 讓銅快速的把熱量傳給鋁,再由大面積的鋁把熱量散去,這不但增充了鋁的導(dǎo)熱不及銅,還彌補了銅的散熱不如鋁,有機的結(jié)合從而達到急速傳熱快速散熱的效果。

多篇文章中都闡述了散熱是靠面積而不是看體積的大小,許多企業(yè)都了解了個中道理,殼體采用多層翅片散熱,但對熱沉散熱殼體的翅片忽略了防塵和積塵,日積 月累將會影響殼體的散熱效果。應(yīng)從在自然條件下規(guī)避積塵的最小化,不同方向的風(fēng)和雨的自然沖刷可易性和清除灰塵的粘敷性。保證熱沉殼體的散熱效果不受惡劣 環(huán)境的影響,散熱通道的暢通,做到真正的長壽命。

在增加散熱面保證散熱效果的基礎(chǔ)上,了不同方向的風(fēng)和雨的自然沖刷可易性和清除灰塵的粘敷性的,保證了熱沉殼體的散熱效果不受惡劣環(huán)境的影響。

以現(xiàn)在的金屬加工技術(shù)來看,機械加工是不可能做出理想化的絕對的平整表面,即便是鏡面,也有很多細小的坑凹,只是肉眼不太容易發(fā)現(xiàn),除了表面上存在坑凹外,還會有很多細小雜質(zhì),如灰塵什么的。當(dāng)散熱器表面和芯片表面接觸時,存在的很多溝壑或空隙中都是空氣??諝獾膶?dǎo)熱能力很差,因此必須用其它物質(zhì)來降低熱阻,否則散熱器的性能會大打折扣,甚至無法發(fā)揮作用。

作為辦法,導(dǎo)熱介質(zhì)就應(yīng)運而生了,它的作用就是填充兩個接觸表面之間大大小小的空隙,增大發(fā)熱源與散熱片的接觸面積。導(dǎo)熱硅脂是我們最常見的導(dǎo)熱介質(zhì)。

導(dǎo)熱硅脂是用來填充鋁基板與散熱片之間的空隙的材料的一種,這種材料又稱之為熱界面材料。其作用是用來向散熱片傳導(dǎo)鋁基板散發(fā)出來的熱量,使鋁基板溫度保持在一個可以穩(wěn)定工作的水平,防止鋁基板因為散熱不良而損毀,并延長使用壽命。

作為一種化學(xué)物質(zhì),導(dǎo)熱硅脂有著一些反映自身特性的相關(guān)性能參數(shù)。了解這些參數(shù)的含義,大致上可以判斷一款導(dǎo)熱硅脂產(chǎn)品的性能高低。

導(dǎo)熱系數(shù)(Thermal CONductivity),導(dǎo)熱系數(shù)的單位為W/m?K(W/m?),表示截面積為1平方米的柱體沿軸向1距離的溫差為1開爾文(K=+273.15)時的熱傳導(dǎo)功率。數(shù)值越大,表明該材料的熱傳遞速度越快,導(dǎo)熱性能越好。

目前主流導(dǎo)熱硅脂的導(dǎo)熱系數(shù)均大于1W/m?K,優(yōu)秀的可達到6W/m?K以上,是空氣的200倍以上。但是和銅鋁這些金屬材料相比,導(dǎo)熱硅脂的導(dǎo)熱系數(shù) 只有它們的1/100左右,換而言之,在整個散熱系統(tǒng)中,硅脂層其實是散熱瓶頸之所在。對于一個散熱系統(tǒng)而言,不僅是散熱器的事,導(dǎo)熱介質(zhì)也是很重要的組 成部分:

散熱系統(tǒng)的總熱阻 = 散熱器熱阻 + 導(dǎo)熱介質(zhì)熱阻導(dǎo)熱硅脂作為我們最常用的導(dǎo)熱介質(zhì),其重要性不言而喻了,要降低其熱阻,一方面取決于產(chǎn)品本身的性能, 另一方面取決于對產(chǎn)品的使用。因此我們要盡量選用那些導(dǎo)熱性能好熱阻低的導(dǎo)熱硅脂,并在使用上多加注意,在保證硅脂完全填充熱源和散熱器表面空隙前提下, 涂抹方式硅脂層盡可能地薄。

值得大家注意的是普通導(dǎo)熱硅脂在高溫環(huán)境中使用一段時間后會出現(xiàn)干化硬化現(xiàn)象,將會大大影響散熱效果。因此在鋁基板與熱沉之間的導(dǎo)熱環(huán)節(jié)需重視。

有關(guān)人士正研究在熱沉材料上進行特殊的陶瓷化處理直接安裝線路,經(jīng)過這樣的優(yōu)化后將會根本散熱的導(dǎo)熱環(huán)節(jié)。

從國內(nèi)現(xiàn)有參與制作LED路燈的企業(yè)廠家來看,大部分是沒有制作過路燈,對路燈制作的技術(shù)具體要求較模糊,互相參照模仿,以常規(guī)傳統(tǒng)蛇頭形狀制作具 多。當(dāng)今LED路燈矩形狀的重量與風(fēng)阻影響著路燈的改造安裝,在光學(xué)配光和維護要求上與其常規(guī)氣體放電燈燈具相比難度較大,特別是直接的使用方業(yè)主反應(yīng)強 烈,給應(yīng)用推廣帶來了困難。

我從國家電光源檢 測中心得到的相關(guān)信息,在諸多廠家送檢產(chǎn)品中就在IP防護這一項目上,絕大多數(shù)存在問題,而且意識不到問題的所在,認(rèn)為我們的產(chǎn)品在水里都浸泡過也沒有問 題,怎么到檢測中心就出問題?相信也有些產(chǎn)品在使用一段時間暴露出光源腔體存有水氣。我看到許多廠家在檢測中心排隊送檢的產(chǎn)品,感到心痛,很多彎路是可以 避免的。在燈體密封結(jié)構(gòu)上,在密封圈的材料選用上,飛利浦的燈具在這方面就做了專門的研究。

在路燈造型結(jié)構(gòu)設(shè)計上,不要跟著傳統(tǒng)路燈的模樣走。路燈的功能是要達到道路照明的要求,可以發(fā)揮LED光源的任意組合強項,可制作成變形金剛的特 點,能真正做到白天觀景,夜晚觀燈的城市景觀效果。道路照明要求的是;一定的照度和路面均勻度與平均照度,常規(guī)照明燈具反 射器的缺憾在路面平均照度上難以達到標(biāo)準(zhǔn)要求。在燈具出光效率的有效利用上,傳統(tǒng)路燈的效率標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)≥70%為合格,但實際上有一部分溢散光不能準(zhǔn)確地控制 在照射面上并且無法利用,造成光污染,有效利用率約50%,而LED路燈的光學(xué)配光可以準(zhǔn)確控制光線方向,有效利用率達60%以上。

從當(dāng)今大功率LED路燈點光源及光效的特點來看,要滿足道路照明的要求,必須要把有效的光強利用到有效的照明范圍,道路照明的燈桿間距基本在30—40m,要保證道路的平均照度要求,其點光源LED燈具配光要使得路面沒有斑馬效應(yīng),需進行相應(yīng)的二次光學(xué)系統(tǒng)配套設(shè)計。

高質(zhì)量的大功率LED路燈用模塊化配套的二次光學(xué)系統(tǒng)可以有效控制路燈照明的平均照度,10高時為34×12近似矩形光斑,光斑形狀與均勻度均能滿足道路照明要求。

從以上兩點可以看出,只要LED路燈二次光學(xué)設(shè)計合理,投向目標(biāo)照射面的有效光通量和傳統(tǒng)路燈基本接近。

目前LED路燈的配光技術(shù)已經(jīng)有了很大的發(fā)展,有些廠家已經(jīng)開發(fā)出良好的二次配光系統(tǒng),而不再是單純依靠光源排列來配光,但綜合看,配光還不能做到完全合 理,有些在道路內(nèi)側(cè)的配光較亮,均勻度也能滿足要求,但人行道側(cè)環(huán)境光的亮度明顯不足,SR值明顯不符合要求,還是廠家設(shè)計人員對道路照明標(biāo)準(zhǔn)的要求理解 不夠。

LED路燈的色溫問題:

目前大功率LED路燈基本上是采用5000K 左右所在色溫的白光。作為道路照明光源,視覺感過分陰冷,同時遠視時觀察能力會下降,在這方面路燈使用單位最有發(fā)言權(quán),3000K左右的黃光或暖白光是比較適合道路照明的,因此日光色的LED路燈不適合做路燈使用。



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