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LED照明热设计研究毕业论文
LED照明热设计研究毕业论文
前言II
第一章概述1
1.1LED的发展史1
1.2LED国技术进展和市场前景分析1
第二章LED的基础知识3
2.1LED的结构3
2.2LED的光源基本特征3
2.2.1发光效率高3
2.2.2耗电量少4
2.2.3使用寿命长4
2.2.4安全与环保4
2.3LED光源的特点4
2.4常见LED的分类5
2.4.1按发光管发光颜色分类5
2.4.2按发光管出光面特征分类5
2.4.3按发光二极管的结构分类5
2.4.4按发光强度和工作电流分类5
2.4.5按功率分类6
2.4.5按封装形式分类6
2.5大功率LED封装结构6
2.6常见照明灯具与LED的各性能对比6
第三章热设计的理论基础9
3.1LED照明热的产生9
3.2散热的基础理论9
3.2.1热传导9
3.2.2热对流10
3.2.3热辐射11
第四章LED的指标12
4.1LED的主要性能指标12
4.1.1LED的颜色12
4.1.2LED的电流12
4.1.3LED的电压12
4.1.4LED的反向电压VRm12
4.1.5LED的色温12
4.1.6LED发光强度12
4.1.7LED光通量13
4.1.8LED的使用寿命13
4.2LED的热学指标13
4.2.1热阻Rth13
4.2.2LED的结温14
4.3LED正常工作条件或状态15
第五章大功率LED散热分析16
5.1大功率LED照明热设计流程16
5.2大功率LED照明热设计方案16
5.2.1结温的评估17
5.2.2热阻的评估计算17
5.2.3LED灯具对流热传递计算17
5.2.4LED灯具导热传递计算17
5.2.5LED灯具辐射热传递计算18
5.3计算分析LED实验并得出结论18
第六章LED照明灯具的应用及对未来的展望19
6.1道路交通领域19
6.2交通工具领域19
6.3显示屏19
6.4农业19
6.5渔业19
6.6医疗20
6.7通信20
结束语21
致谢22
参考文献23
第一章概述
1.1LED的发展史
1907年HenryJosephRound第一次在一块碳化硅里观察到电致发光现象。
1936年，GeorgeDestiau发表了一个关于硫化锌粉末发射光的报告。
随着电流的应用和被广泛的认识，最终出现了“电致发光”这个术语。
20世纪50年代，英国科学家在电致发光的实验中使用半导体砷化镓发明了第一个具有现代意义的LED，并于60年代面世。
20世纪60年代末，在砷化镓基础上使用磷化物发明了第一个可见的红光LED。
磷化镓的改变使得LED更高效、发出的红光更亮，甚至产生出橙色的光。
70年代中期，磷化镓被用作发光光源，随后就发出灰白绿光。
80年代早期到中期对砷化镓、磷化铝的使用使得第一代高亮度的LED诞生，先是红色，接着就是黄色，最后为绿色。
90年代中期，出现了超高亮度的氮化镓LED。
LED从最初的约0.05lm/W的光效，经历了0.1lm/W时代，几流明/瓦时代，数十流明/瓦时代，到现在的约120lm/W以上的发光效率，然而，LED的发展不单纯是它的颜色和亮度，而是像计算机一样，遵循摩尔定律的发展。
每隔18个月，它的亮度就会增加一倍。
早期的LED只能应用于指示灯，而现在开始出现在超亮度的照明和显示领域。
1.2LED国技术进展和市场前景分析
近几年，由于LED的光谱全部集中于可见光频率，效率可以达到50%以上。
而光效差不多的白炽灯可见光效率仅为10%-20%，而成本也下降了90%，这些优势无疑把LED推向了照明市场的巅峰。
目前LED已广泛应用在大面积图文全彩显示、状态指示、标志照明、信号显示、液晶显示器的背光、汽车组合尾灯及车照明等方面。
根据固体发光物理学原理，LED的发光效率能接近100%，因此，LED被誉为21世纪新光源，有望成为继白炽灯、荧光灯、高强度气体放电灯之后的第四代光源。
LED应用领域也逐渐壮大：
1、LED显示屏的应用市场。
我国LED显示屏市场起步较早，出现了一批具有很强实力的LED显示屏生产厂商。
凭借着独特优势，LED全彩显示屏广泛应用在银行、证券交易所、医院、体育场馆、市政广场、车站、机场等场所。
在LED需求量上，LED显示屏仅次于LED指示灯名列第二。
2、背光源市场。
LED早已应用在以手机为主的小尺寸液晶面板背光源中，手机产量的持续增长带动了背光源市场的快速发展，特别是彩屏手机的出现更是推动了白光LED市场的快速发展。
3、车灯市场。
从整个LED应用市场看，汽车应用市场还处于未发展阶段，市场规模也在不断扩大。
LED作为车灯主要得益于低功耗、长寿命和响应速度快的特点。
凭借着汽车产业的巨大产能，LED车灯市场有着巨大的发展潜力。
4、室装饰灯市场。
室装饰灯市场是LED的另一新兴市场。
5、景观照明市场。
目前LED已越来越多的应用到景观照明市场中，北京、上海等地已建成一批LED景观照明工程，这些工程在装饰街道的同时还将起到示作用，将会使LED景观照明从一级城市快速向二级、三级城市扩展。
6、通用照明市场。
对于LED进入通用照明市场，功率型的白光LED除面临着发展效益低、散热不好、成本过高等问题外，还面临光学、结构与电控等技术的整合以及LED照明产品通用标准的制定问题，解决这些问题还需要一定的时间。
第二章LED的基础知识
2.1LED的结构
LED的结构主要由PN结芯片、电极和光学系统组成。
LED核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶片，在p型半导体和n型半导体之间有一个过渡层，称为p-n结。
当在电极上加上正向偏压之后，电子和空穴分别注入P区和N区，当非平衡少数载流子与多数载流子复合时，就会以辐射光电子的形式将多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。
LED的基本结构是一块电致发光的半导体材料，它被置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护部芯线的作用。
如图1-1所示。
LED的两根引线中较长的一根为正极，应接电源正极。
有的LED的两根引线一样长，但管壳上有一凸起的小舌，靠近小舌的引线是正极。
与白炽灯和氖灯相比，当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。
2-1发光二极管的构造图
2.2LED的光源基本特征
2.2.1发光效率高
LED经过几十年的技术改良，其发光效率有了较大的提升。
白炽灯、卤钨灯光效为12-24流明/瓦，荧光灯50-70流明/瓦，钠灯90-140流明/瓦，大部分的耗电变成热量损耗。
而LED光效经改良后将达到50-200流明/瓦，而其光的单色性好、光谱窄，无需过滤可直接发出有色可见光。
目前，世界各国均加紧提高LED光效方面的研究，在不远的将来其发光效率将有更大的提高。
2-2市面上的LED灯具图
2.2.2耗电量少
LED单管功率0.03-0.06瓦，采用直流驱动，单管驱动电压1.5-3.5伏，电流15-18毫安，反应速度快，可在高频操作。
同样照明效果的情况下，耗电量是白炽灯的万分之一，荧光灯管的二分之一、日本估计，如果采用光效比荧光灯还要高两倍的LED代替日本一半的白炽灯和荧光灯。
每年可节约相当于60亿升原油。
就桥梁护栏灯例，同样效果的一支日光灯40多瓦，而采用LED每支的功率只有8瓦，而且可以七彩变化。
2.2.3使用寿命长
LED灯体积小、重量轻，环氧树脂封装，可承受高强度机械冲击和震动，不易破碎。
平均寿命达10万小时。
LED灯具使用寿命可达5-10年，可以大大降低灯具的维护费用，避免经常换灯之苦。
2.2.4安全与环保
LED安全可靠性强发热量低，无热辐射性，冷光源，可以安全抵摸：
能精确控制光型及发光角度，光色柔和，无眩光；不含汞、钠元素等可能危害健康的物质。
置微处理系统可以控制发光强度，调整发光方式，实现光与艺术结合。
有利于环保LED为全固体发光体，耐震、耐冲击，不易破碎，废弃物可回收，没有污染。
光源体积小，可以随意组合，易开发成轻便薄短小型照明产品，也便于安装和维护。
2.3LED光源的特点
1、电压：
LED使用低压电源，供电电压在6V-24V之间，根据产品不同而异，所以它是一个比使用高压电源更安全的电源，特别适用于公共场所。
2、效能：
消耗能量较同光效的白炽灯减少80%。
3、适用性：
很小，每个单元LED小片是3-5mm的正方形，所以可以制备成各种形状的器件，并且适合于易变的环境。
4、稳定性：
10万小时，光衰为初始的50%。
5、响应时间：
其白炽灯的响应时间为毫秒级，LED灯的响应时间为纳秒级。
6、对环境污染：
无有害金属汞。
7、颜色：
改变电流可以变色，发光二极管方便地通过化学修饰方法，调整材料的能带结构和带隙，实现红黄绿兰橙多色发光。
如小电流时为红色的LED，随着电流的增加，可以依次变为橙色，黄色，最后为绿色。
8、价格：
LED的价格比较昂贵，较之于白炽灯，几只LED的价格就可以与一只白炽灯的价格相当，而通常每组信号灯需由上300-500只二极管构成。
2.4常见LED的分类
2.4.1按发光管发光颜色分类
根据发光管颜色的不同，可分成红色、橙色、绿色（又细分黄绿、标准绿和纯绿）、蓝光等。
另外，有的发光二极管中包含二种或三种颜色的芯片。
根据发光二极管出光处掺或不掺散射剂、有色还是无色，上述各种颜色的发光二极管还可分成有色透明、无色透明、有色散射和无色散射四种类型。
散射型发光二极管不适合做指示灯用。
2.4.2按发光管出光面特征分类
根据发光管出光面特征的不同，可分为圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管、表面安装用微型管等。
圆形灯按直径分为φ2mm、φ4.4mm、φ5mm、φ8mm、φ10mm及φ20mm等。
由半值角大小可以估计圆形发光强度角分布情况。
从发光强度角分布图来分有三类：
1）高指向性。
一般为尖头环氧封装，或是带金属反射腔封装，且不加散射剂。
半值角为5°～20°或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用，或与光检出器联用以组成自动检测系统。
2）标准型。
通常作指示灯用，其半值角为20°～45°。
3）散射型。
这是视角较大的指示灯，半值角为45°～90°或更大，散射剂的量较大。
2.4.3按发光二极管的结构分类
根据发光二极管的结构，可分为全环氧包封、金属底座环氧封装、陶瓷底座环氧封装及玻璃封装等结构。
2.4.4按发光强度和工作电流分类
有普通亮度的LED（发光强度小于10mcd<毫坎德拉>）；超高亮度的LED（发光强度大于100mcd<毫坎德拉>）；把发光强度在10～100mcd间的叫高亮度发光二极管。
一般LED的工作电流在十几mA至几十mA，而低电流LED的工作电流在2mA以下（亮度与普通发光管相同）。
2.4.5按功率分类
有小功率LED（0.04-0.08W），中功率LED（0.1-0.5W），大功率LED（1-500W），随着技术的发展，LED的功率越做越大。
2.4.5按封装形式分类
一种是SMD（贴片）和DIP（直插）两种
2.5大功率LED封装结构
随着半导体材料和封装工艺的提高,LED的光通量和出光效率逐渐提高,从而使固体光源成为可能,已广泛应用于交通灯、汽车照明、广告牌等特殊照明领域,并且逐渐向普通照明领域过渡,被公认为有望取代白炽灯、荧光灯的第四代光源。
不同应用领域对LED光源提出更高要求,除了对LED出光效率、光色有不同的要求,而且对出光角度、光强分布有不同的要求。
这不但需要上游芯片厂开发新半导体材料,提高芯片制作工艺,设计出满足要求的芯片,而且对下游封装厂提出更高要求,设计出满足一定光强分布的封装结构,提高LED外部的光利用率。
目前封装多种多样，封装将随着今后的发展，不断改进和迎合实际需要，为LED今后在各个领域应用奠定基础。
2-3大功率LED封装结构图
2.6常见照明灯具与LED的各性能对比
光通量，由于人眼对不同波长的电磁波具有不同的灵敏度，我们不能直接用光源的辐射功率或辐射通量来衡量光能量，必须采用以人眼对光的感觉量为基准的单位----光通量来衡量。
光通量用符号Φ表示，单位为流（lm）。
目前白炽灯、卤钨灯的光通量为12-24流明/瓦、荧光灯50-70流明/瓦钠灯90-140流明/瓦，目前LED的光通量可达到到50-200流明/瓦。
对于现阶段常见的白光LED的光通量，0.06W为3-5lm，0.2W为13-15lm，1W为60-80lm。
下表列出LED分别在1W、3W、5W、7W、9W、12W的光通量分别对照卤素灯、白炽灯、节能灯在相同光通量下的功率比较。
表2-1光通量应用效率比较
LED
卤素灯
白炽灯
节能灯
1W
35W
25W
5W
3W
50W
40W
7W
5W
60W
12W
7W
100W
24W
9W
150W
30W
12W
200W
40W
LED亮度，一般用发光强度表示,单位是坎德拉cd；1000ucd（微坎德拉）=1mcd（毫坎德拉）,1000mcd=1cd。
室用单只LED的光强一般为500ucd-50mcd，而户外用单只LED的光强一般应为100mcd-1000mcd，甚至1000mcd以上。
在相同亮度为800ucd下进行节能比较，结果如下表所示：
表2-2节能比较（按每天8小时，一年时间的用电量）
LED
卤素灯
白炽灯
节能灯
实际用电
实际用电
耗电%比
实际用电
耗电%比
实际用电
耗电%比
1W×8×365
=2.92度
35W×8×365
=102.2度
比LED耗能：
99.28度
3400%
25W×8×365
=73度
比LED耗能：
70度
2400%
5W×8×365
=14.6度
比LED耗能：
11.68度
400%
3W×8×365
=8.76度
50W×8×365
=146度
比LED耗能：
137.2度
1566%
40W×8×365
=116.8度
比LED耗能：
108度
1100%
7W×8×365
=20.44度
比LED耗能：
15.68度
133%
5W×8×365
=14.6度
60W×8×365
=175.2度
比LED耗能：
160.6度
1233%
12W×8×365
=35度
比LED耗能：
20.4度
140%
7W×8×365
=20.2度
100W×8×365
=292度
比LED耗能：
271.6度
1345%
24W×8×365
=70度
比LED耗能：
49.6度
162%
9W×8×365
=26.2度
150W×8×365
=438度
比LED耗能：
411.8度
1571%
30W×8×365
=87.6度
比LED耗能：
61.4度
183%
12W×8×365
=35度
200W×8×365
=584度
比LED耗能：
549度
1567%
40W×8×365
=116.8度
比LED耗能：
81.8度
203%
LED
卤素灯
白炽灯
节能灯
约50000小时/1个
约2000/小时/1个
约1500小时/1个
约8000小时/1个
1PCSLED
25PCS卤素灯
33PCS白炽灯
6PCS节能灯
表2-3使用寿命的比较
表2-4一颗寿命（50000小时）的成本合计与卤素灯、白炽灯、节能灯对比
7WLED
50W卤素灯
100W白炽灯
24W节能灯
电费
50000小时×7W×1000×0.8元
=280元
50000小时×50W×1000×0.8元=2000元
50000小时×100W×1000×0.8元=4000元
50000小时×24W×1000×0.8元
=960元
灯具成本
300×1PCS=300元
2元×25PCS=50元
1元×33PCS=33元
30元×6PCS=180元
合计
580元
2050元
4033元
1140元
差额
（与LED相比）
1470元
3453元
560元
第三章热设计的理论基础
3.1LED照明热的产生
与传统光源一样，LED在工作期间也会产生热量，其多少取决于整体的发光效率。
在外加电能量作用下，电子和空穴的辐射复合发生电致发光，在PN结附近辐射出来的光需经过芯片本身的半导体介质和封装介质才能抵达外界（空气）。
综合电流注入效率、辐射发光量子效率、芯片外部取出效率等，最终大概有50%-60%输入电能转化为光能，其余40%-50%的能量主要以非辐射复合发生的点阵振动的形式转化热能。
3.2散热的基础理论
凡是有温差的地方就有热量的传递。
热量传递的两个基本规律是：
热量从高温区流向低温区；高温区发出的热量必定等于低温区吸收的热量——达到一种热平衡状态。
3.2.1热传导
气体导热是由气体分子不规则运动时相互碰撞的结果。
金属导体主要靠自由电子的运动来完成。
非导电固体中的导热通过晶体结构的振动实现的。
液体中的导热机理主要靠弹性波的作用。
热传导基本定理是傅里叶定理：
在纯导热中，单位时间通过给定面积的热流量，正比于该地垂直于导热方向的截面积及其温度变化率。
热传导的计算公式：
Φc=-λA（ɑt/ɑx）
式中：
Φc——热流量，W；λ——导热系数，W/（m2oC）；A——导热方向上的截面面积，m2；ɑt/ɑx——X方向的温度变化率，oC/m；负号表示热量传递的方向与温度梯度的方向相反。
导热系数是表示物质导热能力的物理量。
对于不同的物质，其导热系数各不相同，影响其数值大小的主要因素是物质的种类和温度等。
一些常用材料的导热系数如表下表所示：
表2-5
材料名称
导热系数k
材料名称
导热系数k
铝
51
硅
146
铍
177
氧化铝
11.8
铍铜
106.3
氧化铍
118
黄铜
122
碳化硼
39.4
铜
394
金刚石
630
金
291
环氧树脂
0.197
铁
66.9
导热环氧树脂
0.787
柯伐合金
16.5
云母
0.709
铅
34.3
聚酯树脂薄膜
0.197
镁
157
酚醛塑料
0.197
钼
130
硅润滑油
0.197
蒙乃尔耐蚀合金
19.7
硅橡胶
0.197
银
417
聚四氟乙烯
0.197
锌
102
硅脂
0.197
锡
63
321不锈钢
14.6
钛
15.7
410不锈钢
24
钨
197
低碳钢
66.9
热传导的改善：
1减小热传路径长度；
芯片封装外壳在保证电机性能前提下尽量薄；
导热膏或者导热垫尽量薄；
散热片的导热底尽量薄；
2选用导热系数高的材料；
3增加导热面积
a）散热片吸收底面积增加，芯片有效散热面积增大，纵向热阻减小；
b）散热底板厚度增加，芯片有效散热面积增大，横向热阻减小。
3.2.2热对流
对流是指流体各部分之间发生相对位移时所引起的热量传递过程。
对流仅发生在流体中，且必然伴随着有导热现象。
流体通过某物体表面时所发生的热交换过程，称为对流换热。
若流体运动是借由温度差所造成的密度变化，产生浮力带动运动，此种热传送为自然对流；若是借由外在动力驱动流体运动将热带走，则称为强制对流，如风机等引起的。
对流换热的计算公式为：
ΦD=hcA（tw-ts）
式中：
hc——对流换热系数，W/（m2·oC）；A——对流换热面积，m2；
tw——热表面温度，oC；ts——冷却流体温度，oC。
表2-6给出了几种最常见的对流换热方式的换热系数的大致围。
表2-6对流换热系数大致围
对流换热方式
换热系数（W/（m2·℃））
空气自然对流
3～10
气体强迫对流
20～100
水自然对流
200～1000
水强迫对流
1000～15000
水沸腾
2500～25000
高压水蒸气强迫对流
500～3500
水蒸气凝结
5000～15000
热对流改善:
1、增加流体换热系数（单位：
W/m2.oC）；
2、增加换热面积。
3.2.3热辐射
物体以电磁波方式传递能量的过程称为热辐射。
辐射能在真空中传递能量，且有能量方式的转换，即热能转换为辐射能及从辐射能转换成热能。
任意物体的热辐射能力表示为：
ΦF=εAσo（TW4-TS4）
式中：
ε—物体的黑度；σo—斯蒂芬.波尔兹常数（5.67×10-8/m•k4）;A—辐射表面积，m2;T—物体表面的热力学温度，K。
第四章LED的指标
4.1LED的主要性能指标
4.1.1LED的颜色
LED的颜色是一个重要的指标，是每一个LED相关灯具产品必须标明，目前LED的颜色主要有红色、绿色、蓝色、青色、黄色、白色、暖白、琥珀色等其他的颜色，而颜色的不同也会引起相关参数有很大的变化。
4.1.2LED的电流
LED的正向极限电流（IF）多在20MA，而且LED的光衰电流不能大于IF/3，大约15MA和18MA。
LED的发光强度仅在一定围与IF成正比，当IF>20MA时，亮度增强已经无法用眼分出来。
因此LED的工作电流一般选在17-19MA左右比较合理，这些都是针对普通小功率LED而言。
而大功率LED一般，0.5WLED（IF=150MA）,1WLED（IF=350MA）,3WLED（IF=750MA）等等。
4.1.3LED的电压
我们通常所说的是LED正向电压，就是说LED的正极接电源正极，负极接电源负极。
电压与颜色有关系，红、黄、黄绿的电压是1.8-2.4V之间。
白、蓝、翠绿的电压是3.0-3.6V之间，可能同样一批LED的电压略微会有一些差异。
4.1.4LED的反向电压VRm
所允许加的最大反向电压。
超过此值，发光二极管可能被击穿损坏。
4.1.5LED的色温
以绝对温度K来表示，即将一标准黑体加热，温度升高到一定程度时颜色开始由深红-浅红-橙黄-白-蓝，逐渐改变，某光源与黑体的颜色相同时，我们将黑体当时的绝对温度称为该光源之色温。
4.1.6LED发光强度
单位坎德拉，即cd。
光源在给定方向的单位立体角中发射的光通量定义为光源在该方向的发光强度。
它即是描述了光源到底有多亮，发光强度越大，光源越亮.一般LED用单位是mcd。
1000ucd（微坎德拉）=1mcd（毫坎德拉）,1000mcd=1cd。
室用单只LED的光强一般为500ucd-50mcd，而户外用单只LED的光强一般应为100mcd-1000mcd，甚至1000mcd以上。
4.1.7LED光通量
单位流明，即lm。
光源在单位时间发射出的光量称为光源的发光通量。
光源的光通量越大，则发出的光线越多。
现在对常用白光LED流明例举出来如下：
0.06W，3-5lm；0.2W，13-15lm；1W，
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