led照明熱設計畢業(yè)論文

1、<p><b>　　LED照明熱設計</b></p><p>　　摘 要：隨著LED制造工藝的進步，新材料的開發(fā)，各種顏色的超高亮度LED取得了突破發(fā)展，LED成為第四代光源指日可待。目前由于其光電轉化率較低，大部分電能實際轉化成了熱量，所以如何提高其散熱能力是LED 實現(xiàn)產業(yè)化急需解決的關鍵技術。本文通過對LED結構、發(fā)光原理及特性、熱設計的基礎理論、散熱方式等一系列的方面進行分

2、析，對LED的設計進行一系列的優(yōu)化，使LED在生產以及應用的過程中能夠更具有方向性和實用性。</p><p>　　[關鍵字] LED；熱量；熱設計；散熱 </p><p><b>　　前言</b></p><p>　　自從愛迪生發(fā)明了燈泡之后，人類就進入了用電進行照明的時代。而在白熾燈發(fā)明近100年后，人類又迎來了照明史上的又一次革命，而引領

3、這次革命的正是LED的發(fā)明。LED具有高效低耗、綠色環(huán)保、響應快、壽命長等優(yōu)點，其對照明產業(yè)帶來的沖擊勝過當年白熾燈的發(fā)明。</p><p>　　LED被稱作“第四代光源”?！暗谝淮庠础笔求艋?，不僅用于照明，還可以用于做飯、制作陶瓷、殺菌、科學分析等方面；同樣“第二代光源”的白熾燈，以及“第三代光源”的熒光燈等光源的許多功能與用途也早已被充分利用。因此，作為“第四代光源”之一的LED，其用途可以說是無限的。&l

4、t;/p><p>　　LED照明技術的發(fā)展引起了國內外光源界的普遍關注，現(xiàn)已成為具有較大發(fā)展前景和影響力的一項高新技術產品。近年來隨著城市建設和電子信息產業(yè)的高速發(fā)展，人們對光源的需求與日俱增，LED產品的開發(fā)研制生產已成為發(fā)展前景十分誘人的朝陽產業(yè)。目前，隨著我國綠色照明工程的組織實施，促進了LED照明技術的創(chuàng)新和發(fā)展，使得LED在照明領域得以廣泛應用，LED潛在的市場使其顯示出了強大的發(fā)展?jié)摿Α?lt;/p>

5、;<p>　　本文通過對LED結構、發(fā)光原理及特性、熱設計的基礎理論、熱學指標、散熱方式、封裝等一系列的方面進行分析，以便讀者能更深入的了解半導體LED在應用和設計中的一些知識。</p><p>　　由于時間倉促及筆者水平有限，文中存在漏洞與不妥之處在所難免，敬請讀者提出批評和指正。</p><p><b>　　目錄</b></p><

6、;p><b>　　前言II</b></p><p><b>　　第一章 概述1</b></p><p>　　1.1 LED的發(fā)展史1</p><p>　　1.2 LED國內技術進展和市場前景分析1</p><p>　　第二章 LED的基礎知識3</p><p&g

7、t;　　2.1 LED的結構3</p><p>　　2.2 LED的光源基本特征3</p><p>　　2.2.1 發(fā)光效率高3</p><p>　　2.2.2 耗電量少4</p><p>　　2.2.3 使用壽命長4</p><p>　　2.2.4 安全與環(huán)保4</p><p>

8、;　　2.3 LED光源的特點4</p><p>　　2.4 常見LED的分類5</p><p>　　2.4.1 按發(fā)光管發(fā)光顏色分類5</p><p>　　2.4.2 按發(fā)光管出光面特征分類5</p><p>　　2.4.3 按發(fā)光二極管的結構分類5</p><p>　　2.4.4按發(fā)光強度和工作電流分

9、類5</p><p>　　2.4.5按功率分類6</p><p>　　2.4.5按封裝形式分類6</p><p>　　2.5 大功率LED封裝結構6</p><p>　　2.6 常見照明燈具與LED的各性能對比6</p><p>　　第三章 熱設計的理論基礎9</p><p>

10、　　3.1 LED照明熱的產生9</p><p>　　3.2 散熱的基礎理論9</p><p>　　3.2.1 熱傳導9</p><p>　　3.2.2 熱對流10</p><p>　　3.2.3 熱輻射11</p><p>　　第四章 LED的指標12</p><p>　　4

11、.1 LED的主要性能指標12</p><p>　　4.1.1 LED的顏色12</p><p>　　4.1.2 LED的電流12</p><p>　　4.1.3 LED的電壓12</p><p>　　4.1.4 LED的反向電壓VRm12</p><p>　　4.1.5 LED的色溫12<

12、;/p><p>　　4.1.6 LED發(fā)光強度12</p><p>　　4.1.7 LED光通量13</p><p>　　4.1.8 LED的使用壽命13</p><p>　　4.2 LED的熱學指標13</p><p>　　4.2.1 熱阻Rth13</p><p>　　4.2

13、.2 LED的結溫14</p><p>　　4.3 LED正常工作條件或狀態(tài)15</p><p>　　第五章 大功率LED散熱分析16</p><p>　　5.1 大功率LED照明熱設計流程16</p><p>　　5.2 大功率LED照明熱設計方案16</p><p>　　5.2.1 結溫的評

14、估17</p><p>　　5.2.2 熱阻的評估計算17</p><p>　　5.2.3 LED燈具對流熱傳遞計算17</p><p>　　5.2.4 LED燈具導熱傳遞計算17</p><p>　　5.2.5LED燈具輻射熱傳遞計算18</p><p>　　5.3 計算分析LED實驗并得出結論

15、18</p><p>　　第六章 LED照明燈具的應用及對未來的展望19</p><p>　　6.1 道路交通領域19</p><p>　　6.2 交通工具領域19</p><p><b>　　6.3顯示屏19</b></p><p><b>　　6.4 農業(yè)19</b&

16、gt;</p><p><b>　　6.5 漁業(yè)19</b></p><p><b>　　6.6 醫(yī)療20</b></p><p><b>　　6.7 通信20</b></p><p><b>　　結 束 語21</b></p>&l

17、t;p><b>　　致 謝22</b></p><p><b>　　參考文獻23</b></p><p><b>　　第一章 概述</b></p><p>　　1.1 LED的發(fā)展史</p><p>　　1907年Henry Joseph Round第一次在一塊碳化

18、硅里觀察到電致發(fā)光現(xiàn)象。1936年，George Destiau發(fā)表了一個關于硫化鋅粉末發(fā)射光的報告。隨著電流的應用和被廣泛的認識，最終出現(xiàn)了“電致發(fā)光”這個術語。20世紀50年代，英國科學家在電致發(fā)光的實驗中使用半導體砷化鎵發(fā)明了第一個具有現(xiàn)代意義的LED，并于60年代面世。20世紀60年代末，在砷化鎵基礎上使用磷化物發(fā)明了第一個可見的紅光LED。磷化鎵的改變使得LED更高效、發(fā)出的紅光更亮，甚至產生出橙色的光。70年代中期，磷化鎵被

19、用作發(fā)光光源，隨后就發(fā)出灰白綠光。80年代早期到中期對砷化鎵、磷化鋁的使用使得第一代高亮度的LED誕生，先是紅色，接著就是黃色，最后為綠色。90年代中期，出現(xiàn)了超高亮度的氮化鎵LED。</p><p>　　LED從最初的約0.05lm/W的光效，經歷了0.1lm/W時代，幾流明/瓦時代，數(shù)十流明/瓦時代，到現(xiàn)在的約120lm/W以上的發(fā)光效率，然而，LED的發(fā)展不單純是它的顏色和亮度，而是像計算機一樣，遵循摩爾定

20、律的發(fā)展。每隔18個月，它的亮度就會增加一倍。早期的LED只能應用于指示燈，而現(xiàn)在開始出現(xiàn)在超亮度的照明和顯示領域。</p><p>　　1.2 LED國內技術進展和市場前景分析</p><p>　　近幾年，由于LED的光譜全部集中于可見光頻率，效率可以達到50%以上。而光效差不多的白熾燈可見光效率僅為10%-20%，而成本也下降了90%，這些優(yōu)勢無疑把LED推向了照明市場的巔峰。目前LE

21、D已廣泛應用在大面積圖文全彩顯示、狀態(tài)指示、標志照明、信號顯示、液晶顯示器的背光、汽車組合尾燈及車內照明等方面。根據(jù)固體發(fā)光物理學原理，LED的發(fā)光效率能接近100%，因此，LED被譽為21世紀新光源，有望成為繼白熾燈、熒光燈、高強度氣體放電燈之后的第四代光源。LED應用領域也逐漸壯大：</p><p>　　1、LED顯示屏的應用市場。我國LED顯示屏市場起步較早，出現(xiàn)了一批具有很強實力的LED顯示屏生產廠商。憑

22、借著獨特優(yōu)勢，LED全彩顯示屏廣泛應用在銀行、證券交易所、醫(yī)院、體育場館、市政廣場、車站、機場等場所。在LED需求量上，LED顯示屏僅次于LED指示燈名列第二。</p><p>　　2、背光源市場。LED早已應用在以手機為主的小尺寸液晶面板背光源中，手機產量的持續(xù)增長帶動了背光源市場的快速發(fā)展，特別是彩屏手機的出現(xiàn)更是推動了白光LED市場的快速發(fā)展。</p><p>　　3、車燈市場。從整

23、個LED應用市場看，汽車應用市場還處于未發(fā)展階段，市場規(guī)模也在不斷擴大。LED作為車燈主要得益于低功耗、長壽命和響應速度快的特點。憑借著汽車產業(yè)的巨大產能，LED車燈市場有著巨大的發(fā)展?jié)摿Α?lt;/p><p>　　4、室內裝飾燈市場。室內裝飾燈市場是LED的另一新興市場。</p><p>　　5、景觀照明市場。目前LED已越來越多的應用到景觀照明市場中，北京、上海等地已建成一批LED景觀照明

24、工程，這些工程在裝飾街道的同時還將起到示范作用，將會使LED景觀照明從一級城市快速向二級、三級城市擴展。</p><p>　　6、通用照明市場。對于LED進入通用照明市場，功率型的白光LED除面臨著發(fā)展效益低、散熱不好、成本過高等問題外，還面臨光學、結構與電控等技術的整合以及LED照明產品通用標準的制定問題，解決這些問題還需要一定的時間。</p><p>　　第二章 LED的基礎知識&l

25、t;/p><p>　　2.1 LED的結構</p><p>　　LED的結構主要由PN結芯片、電極和光學系統(tǒng)組成。LED核心部分是由p型半導體和n型半導體組成的晶片，在p型半導體和n型半導體之間有一個過渡層，稱為p-n結。當在電極上加上正向偏壓之后，電子和空穴分別注入P區(qū)和N區(qū)，當非平衡少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復合時，就會以輻射光電子的形式將多余的能量以光的形式釋放出來，從而把電能直接轉換為光

26、能。</p><p>　　LED的基本結構是一塊電致發(fā)光的半導體材料，它被置于一個有引線的架子上，然后四周用環(huán)氧樹脂密封，起到保護內部芯線的作用。如圖1-1所示。LED的兩根引線中較長的一根為正極，應接電源正極。有的LED的兩根引線一樣長，但管殼上有一凸起的小舌，靠近小舌的引線是正極。與白熾燈和氖燈相比，當它處于正向工作狀態(tài)時（即兩端加上正向電壓），電流從 LED 陽極流向陰極時，半導體晶體就發(fā)出從紫外到紅外不同

27、顏色的光線，光的強弱與電流有關。</p><p>　　2-1 發(fā)光二極管的構造圖</p><p>　　2.2 LED的光源基本特征</p><p>　　2.2.1 發(fā)光效率高</p><p>　　LED經過幾十年的技術改良，其發(fā)光效率有了較大的提升。白熾燈、鹵鎢燈光效為12-24流明/瓦，熒光燈50-70流明/瓦，鈉燈90-140流明/瓦

28、，大部分的耗電變成熱量損耗。而LED光效經改良后將達到50-200流明/瓦，而其光的單色性好、光譜窄，無需過濾可直接發(fā)出有色可見光。目前，世界各國均加緊提高LED光效方面的研究，在不遠的將來其發(fā)光效率將有更大的提高。</p><p>　　2-2 市面上的LED燈具圖</p><p>　　2.2.2 耗電量少</p><p>　　LED單管功率0.03-0.06瓦，

29、采用直流驅動，單管驅動電壓1.5-3.5伏，電流15-18毫安，反應速度快，可在高頻操作。同樣照明效果的情況下，耗電量是白熾燈的萬分之一，熒光燈管的二分之一、日本估計，如果采用光效比熒光燈還要高兩倍的LED代替日本一半的白熾燈和熒光燈。每年可節(jié)約相當于60億升原油。就橋梁護欄燈例，同樣效果的一支日光燈40多瓦，而采用LED每支的功率只有8瓦，而且可以七彩變化。</p><p>　　2.2.3 使用壽命長</

30、p><p>　　LED燈體積小、重量輕，環(huán)氧樹脂封裝，可承受高強度機械沖擊和震動，不易破碎。平均壽命達10萬小時。LED燈具使用壽命可達5-10年，可以大大降低燈具的維護費用，避免經常換燈之苦。</p><p>　　2.2.4 安全與環(huán)保</p><p>　　LED安全可靠性強發(fā)熱量低，無熱輻射性，冷光源，可以安全抵摸：能精確控制光型及發(fā)光角度，光色柔和，無眩光；不含汞

31、、鈉元素等可能危害健康的物質。內置微處理系統(tǒng)可以控制發(fā)光強度，調整發(fā)光方式，實現(xiàn)光與藝術結合。</p><p>　　有利于環(huán)保LED為全固體發(fā)光體，耐震、耐沖擊，不易破碎，廢棄物可回收，沒有污染。光源體積小，可以隨意組合，易開發(fā)成輕便薄短小型照明產品，也便于安裝和維護。</p><p>　　2.3 LED光源的特點</p><p>　　電壓：LED使用低壓電源，供

32、電電壓在6V-24V之間，根據(jù)產品不同而異，所以它是一個比使用高壓電源更安全的電源，特別適用于公共場所。</p><p>　　效能：消耗能量較同光效的白熾燈減少80%。</p><p>　　適用性：很小，每個單元LED小片是3-5mm的正方形，所以可以制備成各種形狀的器件，并且適合于易變的環(huán)境。</p><p>　　穩(wěn)定性：10萬小時，光衰為初始的50%。</

33、p><p>　　響應時間：其白熾燈的響應時間為毫秒級，LED燈的響應時間為納秒級。</p><p>　　對環(huán)境污染：無有害金屬汞。</p><p>　　顏色：改變電流可以變色，發(fā)光二極管方便地通過化學修飾方法，調整材料的能帶結構和帶隙，實現(xiàn)紅黃綠蘭橙多色發(fā)光。如小電流時為紅色的LED，隨著電流的增加，可以依次變?yōu)槌壬?，黃色，最后為綠色。</p><p

34、>　　價格：LED的價格比較昂貴，較之于白熾燈，幾只LED的價格就可以與一只白熾燈的價格相當，而通常每組信號燈需由上300-500只二極管構成。</p><p>　　2.4 常見LED的分類</p><p>　　2.4.1 按發(fā)光管發(fā)光顏色分類</p><p>　　根據(jù)發(fā)光管顏色的不同，可分成紅色、橙色、綠色（又細分黃綠、標準綠和純綠）、藍光等。另外，有的發(fā)

35、光二極管中包含二種或三種顏色的芯片。根據(jù)發(fā)光二極管出光處摻或不摻散射劑、有色還是無色，上述各種顏色的發(fā)光二極管還可分成有色透明、無色透明、有色散射和無色散射四種類型。散射型發(fā)光二極管不適合做指示燈用。 </p><p>　　2.4.2 按發(fā)光管出光面特征分類</p><p>　　根據(jù)發(fā)光管出光面特征的不同，可分為圓燈、方燈、矩形、面發(fā)光管、側向管、表面安裝用微型管等。圓形燈按直徑分為φ2m

36、m、φ4.4mm、φ5mm、φ8mm、φ10mm及φ20mm等。由半值角大小可以估計圓形發(fā)光強度角分布情況。</p><p>　　從發(fā)光強度角分布圖來分有三類： </p><p>　　1)高指向性。一般為尖頭環(huán)氧封裝，或是帶金屬反射腔封裝，且不加散射劑。半值角為5°～20°或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用，或與光檢出器聯(lián)用以組成自動檢測系統(tǒng)。 </p&

37、gt;<p>　　2)標準型。通常作指示燈用，其半值角為20°～45°。 </p><p>　　3)散射型。這是視角較大的指示燈，半值角為45°～90°或更大，散射劑的量較大。 </p><p>　　2.4.3 按發(fā)光二極管的結構分類</p><p>　　根據(jù)發(fā)光二極管的結構，可分為全環(huán)氧包封、金屬底座環(huán)氧封裝、

38、陶瓷底座環(huán)氧封裝及玻璃封裝等結構。 </p><p>　　2.4.4按發(fā)光強度和工作電流分類</p><p>　　有普通亮度的LED（發(fā)光強度小于10mcd<毫坎德拉>）；超高亮度的LED（發(fā)光強度大于100mcd<毫坎德拉>）；把發(fā)光強度在10～100mcd間的叫高亮度發(fā)光二極管。一般LED的工作電流在十幾mA至幾十mA，而低電流LED的工作電流在2mA以下（亮度

39、與普通發(fā)光管相同）。</p><p>　　2.4.5按功率分類</p><p>　　有小功率LED（0.04-0.08W），中功率LED（0.1-0.5W），大功率LED（1-500W），隨著技術的發(fā)展，LED的功率越做越大。</p><p>　　2.4.5按封裝形式分類</p><p>　　一種是SMD（貼片）和DIP（直插）兩種</

40、p><p>　　2.5 大功率LED封裝結構</p><p>　　隨著半導體材料和封裝工藝的提高,LED的光通量和出光效率逐漸提高, 從而使固體光源成為可能, 已廣泛應用于交通燈、汽車照明、廣告牌等特殊照明領域, 并且逐漸向普通照明領域過渡, 被公認為有望取代白熾燈、熒光燈的第四代光源。 </p><p>　　不同應用領域對LED光源提出更高要求, 除了對LED出光效

41、率、光色有不同的要求, 而且對出光角度、光強分布有不同的要求。這不但需要上游芯片廠開發(fā)新半導體材料, 提高芯片制作工藝, 設計出滿足要求的芯片, 而且對下游封裝廠提出更高要求, 設計出滿足一定光強分布的封裝結構, 提高LED外部的光利用率。 </p><p>　　目前封裝多種多樣，封裝將隨著今后的發(fā)展，不斷改進和迎合實際需要，為LED今后在各個領域應用奠定基礎。</p><p>　　2-3

42、 大功率LED封裝結構圖</p><p>　　2.6 常見照明燈具與LED的各性能對比</p><p>　　光通量，由于人眼對不同波長的電磁波具有不同的靈敏度，我們不能直接用光源的輻射功率或輻射通量來衡量光能量，必須采用以人眼對光的感覺量為基準的單位----光通量來衡量。光通量用符號Φ表示，單位為流（lm）。</p><p>　　目前白熾燈、鹵鎢燈的光通量為12

43、-24流明/瓦、熒光燈50-70流明/瓦鈉燈90-140流明/瓦，目前LED的光通量可達到到50-200流明/瓦。對于現(xiàn)階段常見的白光LED的光通量，0.06W為3-5 lm，0.2W為13-15 lm，1W為60-80 lm。</p><p>　　下表列出LED分別在1W、3W、5W、7W、9W、12W的光通量分別對照鹵素燈、白熾燈、節(jié)能燈在相同光通量下的功率比較。</p><p>　　

44、表2-1 光通量應用效率比較</p><p>　　LED亮度，一般用發(fā)光強度表示,單位是坎德拉cd；1000ucd（微坎德拉）=1 mcd（毫坎德 拉）, 1000mcd=1 cd。室內用單只LED的光強一般為500ucd-50 mcd，而戶外用單只LED的光強一般應為100 mcd-1000 mcd，甚至1000 mcd以上。</p><p>　　在相同亮度為800ucd下進行節(jié)能比較，

45、結果如下表所示：</p><p>　　表2-2 節(jié)能比較（按每天8小時，一年時間的用電量）</p><p>　　表2-3 使用壽命的比較</p><p>　　表2-4 一顆壽命（50000小時）的成本合計與鹵素燈、白熾燈、節(jié)能燈對比</p><p>　　第三章 熱設計的理論基礎</p><p>　　3.1 LE

46、D照明熱的產生</p><p>　　與傳統(tǒng)光源一樣，LED在工作期間也會產生熱量，其多少取決于整體的發(fā)光效率。在外加電能量作用下，電子和空穴的輻射復合發(fā)生電致發(fā)光，在PN結附近輻射出來的光需經過芯片本身的半導體介質和封裝介質才能抵達外界（空氣）。綜合電流注入效率、輻射發(fā)光量子效率、芯片外部取出效率等，最終大概有50%-60%輸入電能轉化為光能，其余40%-50%的能量主要以非輻射復合發(fā)生的點陣振動的形式轉化熱能。

47、</p><p>　　3.2 散熱的基礎理論</p><p>　　凡是有溫差的地方就有熱量的傳遞。熱量傳遞的兩個基本規(guī)律是：熱量從高溫區(qū)流向低溫區(qū)；高溫區(qū)發(fā)出的熱量必定等于低溫區(qū)吸收的熱量——達到一種熱平衡狀態(tài)。</p><p><b>　　3.2.1 熱傳導</b></p><p>　　氣體導熱是由氣體分子不規(guī)則運動

48、時相互碰撞的結果。金屬導體主要靠自由電子的運動來完成。非導電固體中的導熱通過晶體結構的振動實現(xiàn)的。液體中的導熱機理主要靠彈性波的作用。</p><p>　　熱傳導基本定理是傅里葉定理：在純導熱中，單位時間內通過給定面積的熱流量，正比于該地垂直于導熱方向的截面積及其溫度變化率。</p><p><b>　　熱傳導的計算公式：</b></p><p&g

49、t;　　Φc=-λA(ɑt/ɑx)</p><p>　　式中：Φc——熱流量，W；λ——導熱系數(shù)，W/(m2 oC)；A——導熱方向上的截面面積，m2；ɑt/ɑx——X方向的溫度變化率，oC/m；負號表示熱量傳遞的方向與溫度梯度的方向相反。</p><p>　　導熱系數(shù)是表示物質導熱能力的物理量。對于不同的物質，其導熱系數(shù)各不相同，影響其數(shù)值大小的主要因素是物質的種類和溫度等。一些常用材料

50、的導熱系數(shù)如表下表所示：</p><p><b>　　表2-5</b></p><p><b>　　熱傳導的改善：</b></p><p><b>　　減小熱傳路徑長度；</b></p><p>　　芯片封裝外殼在保證電機性能前提下盡量??；</p><p&g

51、t;　　導熱膏或者導熱墊盡量薄；</p><p>　　散熱片的導熱底盡量?。?lt;/p><p>　　選用導熱系數(shù)高的材料；</p><p><b>　　增加導熱面積</b></p><p>　　散熱片吸收底面積增加，芯片有效散熱面積增大，縱向熱阻減??；</p><p>　　散熱底板厚度增加，芯片有效

52、散熱面積增大，橫向熱阻減小。 </p><p><b>　　3.2.2 熱對流</b></p><p>　　對流是指流體各部分之間發(fā)生相對位移時所引起的熱量傳遞過程。對流僅發(fā)生在流體中，且必然伴隨著有導熱現(xiàn)象。流體通過某物體表面時所發(fā)生的熱交換過程，稱為對流換熱。若流體運動是借由溫度差所造成的密度變化，產生浮力帶動運動，此種熱傳送為自然對流；若是借由外在動力驅動流體運

53、動將熱帶走，則稱為強制對流，如風機等引起的。對流換熱的計算公式為：</p><p>　　ΦD=hcA(tw-ts)</p><p>　　式中：hc——對流換熱系數(shù)，W/(m2·oC)；A——對流換熱面積，m2； </p><p>　　tw——熱表面溫度，oC；ts——冷卻流體溫度，oC。</p><p>　　表2-6給出了幾種最常見

54、的對流換熱方式的換熱系數(shù)的大致范圍。</p><p>　　表2-6 對流換熱系數(shù)大致范圍</p><p><b>　　熱對流改善:</b></p><p>　　增加流體換熱系數(shù)（單位：W/m2.oC）；</p><p><b>　　2、增加換熱面積。</b></p><p>

55、;<b>　　3.2.3 熱輻射</b></p><p>　　物體以電磁波方式傳遞能量的過程稱為熱輻射。輻射能在真空中傳遞能量，且有能量方式的轉換，即熱能轉換為輻射能及從輻射能轉換成熱能。任意物體的熱輻射能力表示為：</p><p>　　ΦF=εAσo(TW4-TS4)</p><p>　　式中：ε—物體的黑度；σo—斯蒂芬.波爾茲常數(shù)（5.6

56、7×10-8/m?k4）;A—輻射表面積，m2;T—物體表面的熱力學溫度，K。</p><p>　　第四章 LED的指標</p><p>　　4.1 LED的主要性能指標</p><p>　　4.1.1 LED的顏色</p><p>　　LED的顏色是一個重要的指標，是每一個LED相關燈具產品必須標明，目前LED的顏色主要有紅

57、色、綠色、藍色、青色、黃色、白色、暖白、琥珀色等其他的顏色，而顏色的不同也會引起相關參數(shù)有很大的變化。</p><p>　　4.1.2 LED的電流</p><p>　　LED的正向極限電流（IF）多在20MA，而且LED的光衰電流不能大于IF/3，大約15MA和18MA。LED的發(fā)光強度僅在一定范圍內與IF成正比，當IF>20MA時，亮度增強已經無法用內眼分出來。因此LED的工作

58、電流一般選在17-19MA左右比較合理，這些都是針對普通小功率LED而言。而大功率LED一般，0.5WLED(IF=150MA),1WLED(IF=350MA),3WLED(IF=750MA)等等。</p><p>　　4.1.3 LED的電壓</p><p>　　我們通常所說的是LED正向電壓，就是說LED的正極接電源正極，負極接電源負極。電壓與顏色有關系，紅、黃、黃綠的電壓是1.8-

59、2.4V之間。白、藍、翠綠的電壓是3.0-3.6V之間，可能同樣一批LED的電壓略微會有一些差異。</p><p>　　4.1.4 LED的反向電壓VRm</p><p>　　所允許加的最大反向電壓。超過此值，發(fā)光二極管可能被擊穿損壞。</p><p>　　4.1.5 LED的色溫</p><p>　　以絕對溫度K來表示，即將一標準黑體加

60、熱，溫度升高到一定程度時顏色開始由深紅-淺紅-橙黃-白-藍，逐漸改變，某光源與黑體的顏色相同時，我們將黑體當時的絕對溫度稱為該光源之色溫。</p><p>　　4.1.6 LED發(fā)光強度</p><p>　　單位坎德拉，即cd。光源在給定方向的單位立體角中發(fā)射的光通量定義為光源在該方向的發(fā)光強度。它即是描述了光源到底有多亮，發(fā)光強度越大，光源越亮.一般LED用單位是mcd。1000ucd

61、（微坎德拉）=1 mcd（毫坎德 拉）, 1000mcd=1 cd。室內用單只LED的光強一般為500ucd-50 mcd，而戶外用單只LED的光強一般應為100 mcd-1000 mcd，甚至1000 mcd以上。</p><p>　　4.1.7 LED光通量</p><p>　　單位流明，即lm。光源在單位時間內發(fā)射出的光量稱為光源的發(fā)光通量。光源的光通量越大，則發(fā)出的光線越多?，F(xiàn)在

62、對常用白光LED流明例舉出來如下：0.06W，3-5lm；0.2W，13-15lm；1W，60-80lm。</p><p>　　4.1.8 LED的使用壽命</p><p>　　LED一般都是可以使用50,000小時以上，LED之所以持久，是因為它不會產生燈絲熔斷問題。有預測表明，高質量LED在經過50,000小時的持續(xù)運作后，還能維持初始燈光亮度的60%以上。</p>&

63、lt;p>　　4.2 LED的熱學指標</p><p>　　4.2.1 熱阻Rth</p><p>　　在LED點亮后達到熱量傳導穩(wěn)態(tài)時，芯片表面每耗散1W的功率，芯片pn結點的溫度與連接的支架或鋁基板的溫度之間的溫差就稱為熱阻Rth，單位為℃/W。數(shù)值越低，表示芯片中的熱量傳導到支架或鋁基板上就越快。這有利于降低芯片中的pn結的溫度，從而延長LED的壽命。</p>

64、<p>　　熱阻是沿熱流通道上的溫度差與通道上耗散的功率之比，對于LED來說，熱阻一般是指從LED芯片pn結到翅片上的熱阻。</p><p>　　對于單個LED，設定PN結點生成的熱沿著：結點—翅片—鋁基散熱電路板—空氣，這個熱路徑傳導。采用等效電路的熱阻計算，PN結點到環(huán)境的總熱阻:</p><p>　　Rja=Rjs+Rsb+Rba</p><p>

65、　　其中，Rjs，Rsb，Rba分別是從結點到翅片，翅片到散熱電路板，散熱電路板到空氣的熱阻。</p><p>　　影響熱阻的大小與以下因素有關：</p><p>　　（1）與LED芯片本身的結構與材料有關。</p><p>　　（2）與LED芯片粘結所用的材料的導熱性能及粘結時的質量有關，是用導熱性能很好的膠，還是用絕緣導熱的膠，還是用金屬直接連接。</p&

66、gt;<p>　　（3）翅片是用導熱很好的銅，或者鋁，而且與銅、鋁的散熱面積大小也有直接的關系。</p><p>　　總之選用一定的材料與控制相關的技術細節(jié)，就可以降低LED的熱阻，從而提高LED的壽命與工作效能。</p><p>　　4.2.2 LED的結溫</p><p>　　LED的基本結構是一個半導體的P—N結。實驗指出，當電流流過LED元件

67、時，P—N結的溫度將上升，嚴格意義上說，就把P—N結區(qū)的溫度定義為LED的結溫。通常由于元件芯片均具有很小的尺寸，因此我們也可把LED芯片的溫度視之為結溫。</p><p>　　結溫Tj是衡量LED封裝散熱性能的一個重要指標。結溫的表達式為:</p><p>　　Tj=Rja×Pd+Ta</p><p>　　其中，Pd為耗散的功率，Rja為LED器件PN結

68、與環(huán)境溫度的總熱阻，Tj，Ta分別為LED器件PN結的結點溫度和器件周圍的環(huán)境溫度。式中表明，同樣大小的功率下，芯片結溫升溫越小，LED器件的性能越好。</p><p>　　在LED工作時，可存在以下情況促使結溫不同程度的上升：</p><p>　　A、元件不良的電極結構，視窗層襯底或結區(qū)的材料以及導電銀膠等均存在一定的電阻值，這些電阻相互壘加，構成LED元件的串聯(lián)電阻。當電流流過P—N結

69、時，同時也會流過這些電阻，從而產生焦耳熱，引致芯片溫度或結溫的升高。</p><p>　　B、由于P—N結不可能極端完美，元件的注入效率不會達到100％，也即是說，在LED工作時除P區(qū)向N區(qū)注入電荷(空穴)外，N區(qū)也會向P區(qū)注人電荷(電子)，一般情況下，后一類的電荷注人不會產生光電效應，而以發(fā)熱的形式消耗掉了。即使有用的那部分注入電荷，也不會全部變成光，有一部分與結區(qū)的雜質或缺陷相結合，最終也會變成熱。</

70、p><p>　　C、實踐證明，出光效率的限制是導致LED結溫升高的主要原因。目前，先進的材料生長與元件制造工藝已能使LED極大多數(shù)輸入電能轉換成光輻射能，然而由于LED芯片材料與周圍介質相比，具有大得多的折射系數(shù)，致使芯片內部產生的極大部分光子(>90％)無法順利地溢出介面，而在芯片與介質介面產生全反射，返回芯片內部并通過多次內部反射最終被芯片材料或襯底吸收，并以晶格振動的形式變成熱，促使結溫升高。</p

71、><p>　　D、LED元件的熱散失能力是決定結溫高低的又一個關鍵條件。散熱能力強時，結溫下降，反之，散熱能力差時結溫將上升。由于環(huán)氧膠是低熱導材料，因此P—N結處產生的熱量很難通過透明環(huán)氧向上散發(fā)到環(huán)境中去，大部分熱量通過襯底、銀漿、管殼、環(huán)氧粘接層，PCB與熱沉向下發(fā)散。相關材料的導熱能力將直接影響元件的熱散失效率。一個普通型的LED，從P—N結區(qū)到環(huán)境溫度的總熱阻在300到600℃／W之間，對于一個具有良好結構

72、的功率型LED元件，其總熱阻約為15到30℃ ／W。巨大的熱阻差異表明普通型LED元件只能在很小的輸入功率條件下，才能正常地工作，而功率型元件的耗散功率可大到瓦級甚至更高。</p><p>　　降低LED結溫的途徑：</p><p>　　A、減少LED本身的熱阻；</p><p>　　B、良好的二次散熱機構；</p><p>　　C、減少LE

73、D與二次散熱機構安裝介面之間的熱阻；</p><p>　　D、控制額定輸入功率；</p><p><b>　　E、降低環(huán)境溫度。</b></p><p>　　4.3 LED正常工作條件或狀態(tài)</p><p>　　LED是一種電流驅動的低電壓單向導電器件，為保證LED正常工作，必須滿足以下幾個方面的基本要求。</p

74、><p>　?。?）輸入直流電壓必須不低于LED的正向電壓降，否則，LED不會導通而發(fā)光。LED的正向電壓降與光色有關，一般紅光、綠光、黃光的正向電壓降通常為4-2.6V，白光LED的正向電壓降通常為3-4.2V</p><p>　?。?）采用直流電流或單向脈沖電流驅動，當驅動并聯(lián)的LED或LED串時，要求恒流而不是恒壓供電。</p><p>　?。?）為防止LED損壞

75、，應對流過LED 的電流加以限制。目前實現(xiàn)LED電流限制的方法主要有3種，分別為電阻器、有源線性控制、開關穩(wěn)壓器控制，每種方法都有優(yōu)點和缺點。</p><p>　　（4）由于LED電流與其光能量之間的非線性關系，LED應在光效比較高的電流值下工作。</p><p>　?。?）大功率LED最好加設散熱器，以防止器件過熱而損壞。</p><p>　　（6）LED的電流不

76、能超過LED的IF電流，過流的工作會使LED壽命很快下降，如果超出了就會把LED燒壞。</p><p>　?。?）環(huán)境溫度-20℃~+40℃(要求燈具的散熱設計做得比較好，LED燈引腳的溫度不能超過60度)；</p><p>　　通常情況下，LED的儲存環(huán)境溫度應在-40℃到+100℃。LED的工作溫度是-30℃到+80℃，但工作溫度與熱阻有關系?？偠灾?，LED在工作時，最好將它的pn結

77、溫度保持在100℃以下。</p><p>　　第五章 大功率LED散熱分析</p><p>　　5.1 大功率LED照明熱設計流程</p><p>　　表5-1 大功率LED照明設計流程</p><p>　　5.2 大功率LED照明熱設計方案 </p><p>　　LED 是綠色光源，沒有熱輻射，所以，散熱

78、方式主要是傳導和對流和輻射。</p><p>　　本文設計的是由50個LED組成的大功率LED照明器，總功率為50W的LED燈具的散熱設計，設環(huán)境溫度為30℃。根據(jù)3.1所述的理論，LED最終大概有50%-60%輸入電能轉化為光能，其余40%-50%的能量主要以非輻射復合發(fā)生的點陣振動的形式轉化熱能。</p><p>　　所以，50W的大功率，轉化為光能為50W×60%=30W，

79、LED真正轉化為熱量為50×40%=20W，從而要散出的熱量為20W。</p><p>　　5.2.1 結溫的評估</p><p>　　按照目前發(fā)光管管芯的耐溫水平，通常結溫不能大于125℃。結溫Tj是衡量LED封裝散熱性能的一個重要指標。根據(jù)4.4結溫的表達式為：</p><p>　　Tj=Rja×Pd+Ta（1）</p><

80、;p>　　其中，Pd為耗散的功率，Rja為LED器件PN結與環(huán)境溫度的總熱阻，Tj，Ta分別為LED器件PN結的結點溫度和器件周圍的環(huán)境溫度。式中表明，同樣大小的功率下，芯片結溫升溫越小，LED器件的性能越好。</p><p>　　由上述（1）式可得Rja=(Tj-Ta)/Pd=(80-30)/20=2.5 oC/W。</p><p>　　5.2.2 熱阻的評估計算</p>

81、;<p>　　根據(jù)4.2對熱阻的描述，對于單個LED，設定PN結點生成的熱沿著：結點—熱沉—鋁基散熱電路板—空氣，這個熱路徑傳導。采用等效電路的熱阻計算，PN結點到環(huán)境的總熱阻:</p><p>　　Rja=Rjs+Rsb+Rba（2）</p><p>　　其中，Rjs，Rsb，Rba分別是從結點到翅片，翅片到散熱電路板，散熱電路板到空氣的熱阻。</p><

82、;p>　　設LED熱阻為8oC/W，根據(jù)式（2）可知，Rba=Rja-Rjb/n=2.5-8/50=2.34oC/W。</p><p>　　當設置好了散熱通道后，就考慮散熱器方面，對鋁散熱器面積的估算，LED的熱傳遞分別從對流和導熱兩方面進行討論，對散熱器散熱性能的要求是相對于環(huán)境溫度30 oC時散熱器溫度為70 oC</p><p>　　5.2.3 LED燈具對流熱傳遞計算<

83、;/p><p>　　在鋁散熱器與空氣對流時，散熱器的形狀和位置不同，散熱效果不同。使流體沿著肋片的表面流過，此時的散熱效果最好。此時熱傳遞系數(shù)hc為：</p><p><b>　　由熱對流計算公式：</b></p><p>　　ΦD=hcA(tw-ts)=5.23×0.01×（70-30）=2.09W</p>&l

84、t;p>　　式中：ΦD——對流換熱的熱流量，W；hc——對流換熱系數(shù)，W/ oC ·m2；設hc=5.23W/ oC ·m2；A——對流換熱面積，（設備熱傳導截面積：0.1m×0.1m=0.01m2）；tw——熱表面溫度，oC；ts——冷卻流體溫度，oC。</p><p>　　5.2.4 LED燈具導熱傳遞計算</p><p>　　由熱傳導的計算公式：

85、</p><p>　　Φc=-λA(ɑt/ɑx)=51×0.01×90=45.9W</p><p>　　式中：Φc——熱流量，W；λ是鋁的熱導率，查表得為216W/ oC ·m2——導熱系數(shù)；A——導熱方向上的截面面積（設備熱傳導截面積：0.1m×0.1m=0.01m2）；ɑt/ɑx——X方向的溫度變化率，oC/m（設溫度變化為10 oC，厚度是0.

86、11m）；負號表示熱量傳遞的方向與溫度梯度的方向相反，則溫度變化率為90。</p><p>　　LED燈具輻射熱傳遞計算</p><p><b>　　由熱輻射計算公式：</b></p><p>　　ΦF=εAσo(TW4-TS4)= 0.9×0.01×5.67×10-8×[（273+70）4－（273+3

87、0）4]=1.13W</p><p>　　ε—物體的黑度（黑化鋁ε=0.9）；σo—斯蒂芬.波爾茲常熟（5.67×10-8/m?k4）;A—輻射表面積，(A=0.01m2)。</p><p>　　5.3 計算分析LED實驗并得出結論</p><p>　　由以上分析和計算發(fā)現(xiàn)通過截面積為0.01m2散熱器傳導出的熱量為Φ：</p><

88、p>　　Φ=Φc+ΦD+ΦF =45.9+2.09+1.13=49.12W</p><p>　　要滿足傳導出20W的熱量需散熱器具有表面積為：</p><p>　　A=20/49.12=0.40m2</p><p>　　散熱器要將該LED燈具所產生的熱傳遞出去，散熱器的表面積應該大于0.40m2。即選用表面積大于0.40m2的鋁型材散熱器作為該LED照明燈具的

89、散熱裝置。</p><p>　　第六章 LED照明燈具的應用及對未來的展望</p><p>　　目前，作為“第四代光源”的LED憑借它高光效率、高光線質量、小能耗、長壽命、安全、綠色環(huán)保等優(yōu)勢備受關注，已成為照明市場上的寵兒?，F(xiàn)今的LED已充分應用于停車場、商場、學校、醫(yī)院、博物館、酒店、隧道、地鐵、廣場、公園、住宅等各種領域。</p><p>　　6.1 道路交通

90、領域</p><p>　　該領域的應用主要是LED交通信號燈。與以前的白熾燈相比，LED燈的能效提高：車輛用信號燈功率由75W降至15W，節(jié)能約80%；行人用信號燈由60W降至15W以下，節(jié)能75%以上。</p><p>　　6.2 交通工具領域</p><p>　　伴隨高亮度紅色LED的研制成功，LED應用于汽車剎車燈，其優(yōu)點為響應時間短、識別性強、能耗低、壽命長

91、。LED剎車燈的響應時間約比白熾燈短0.2s，其對安全方面貢獻是顯而易見的。</p><p>　　LED小巧輕薄的特點，也正適合輕軌車廂內的照明要求。</p><p><b>　　6.3顯示屏</b></p><p>　　室內外大型顯示屏和招牌是LED的重要應用領域。因使用高亮度LED,即使在白天也能顯示飽和色圖像，而LED的高響應速度也使其在

92、該領域表現(xiàn)出色。</p><p>　　LED其他領域應用對未來的展望</p><p><b>　　6.4 農業(yè)</b></p><p>　　太陽光中有紫外到紅外對種波長的光輻射，植物不需要所有波長的光能量。用LED產生利于植物生長發(fā)育的特定波長的光并在恰當時間照射植物，可提高植物培育效率，并且LED與白熾燈不同，沒有熱輻射，不會灼傷嫩葉，LED

93、在植物工廠中的應用正在逐漸擴大。</p><p><b>　　6.5 漁業(yè)</b></p><p>　　目前捕魚業(yè)領域正在開發(fā)LED誘魚燈，由于LED光源特點，在海中的光衰減很小，同時也和魚類的視覺靈敏波長范圍相接近，這種LED很適合用作省電、高效的誘魚燈光源。</p><p><b>　　6.6 醫(yī)療</b></p

94、><p>　　最近出現(xiàn)了一種使用LED的膠囊狀醫(yī)療檢查設備。該“膠囊探測器”內裝有白光LED和攝像器件。當病人將此“膠囊”吞下后，會自動在人體內對消化器官拍照，并將圖像以電信號的形式傳至體外。此外，不久前還開發(fā)了一種可戴在醫(yī)生頭上的像風鏡似的LED燈具，這大大提高了醫(yī)生手術時需要的亮度，并且頭部也不會有光線遮擋，這些技術估計不久就可以普遍應用于醫(yī)學界。</p><p><b>　　6

95、.7 通信</b></p><p>　　LED在光通信領域的發(fā)展也倍受關注，若配以恰當?shù)尿寗与娐?，LED能夠用于100Mb/s的高速數(shù)字通信，可組建家庭信息網絡等。另外，關于基于LED的可為手機、汽車導航儀等，提供信息的可見光無線通信技術的技術的基礎性研究也在積極進行中。</p><p>　　總之，到目前為止，對LED的技術開發(fā)是以普通照明用途為最終目標的，而且從當今的發(fā)展速度

96、看，其成為新一代普通照明光源已成定勢。于此同時，LED在照明以外的用途也開始受到關注。</p><p>　　LED的優(yōu)勢不僅是在照明領域，其在諸多領域中亦潛力巨大，期待今后進一步的開發(fā)。</p><p><b>　　結 束 語</b></p><p>　　經過了一個多月的學習和實踐，我終于完成了LED照明熱設計的設計。從開始接到論文題目到畢業(yè)論

97、文的完成，每走一步對我來說都是新的嘗試與挑戰(zhàn)。在這段時間里，我學到了很多知識，也遇到過諸多問題。一開始對設計等相關技術并不是很了解，后期，我作了很多的準備，我開始查閱的大量的資料，從圖書館到網絡，還去參加了成都關于LED照明會展，在會展中心，我學到了很多的東西，并對LED照明燈具有了更深入的了解，并切身感受到了LED燈具給照明行業(yè)帶來的巨大貢獻，由此對我的設計題目我也有了更深入的理解，讓自己頭腦中模糊的概念逐漸清晰，每一點積累都是我學習

98、的收獲，從中我了解了許多從未見過的概念和設計的理念。</p><p>　　雖然我的畢業(yè)設計論文作品不是很成熟，還有很多不足之處，但我可以驕傲的說，在本次設計中，里面的每一點論述，都是經過我充分準備和認真學習所得，我是花了不少的心思的。學習就是一個不斷積累的過程。通過這個過程，我認識到完事沒有捷徑，就像堆積木，只有腳踏實地的一個一個放好，最終才不完全崩潰。</p><p>　　本次畢業(yè)設計是

99、我在校以來獨立完成的一次設計，這個過程中，我對LED的概念從一顆小小的發(fā)光二極管燈改變到了對這種新光源的深入的了解。而且隨著社會的發(fā)展，人類的任何先進的技術都要考慮到能耗的問題，在這方面LED有著絕對的優(yōu)越條件。在隨著我國的發(fā)展，從2008年的奧運會到2010年的世博會，為了給全世界人民以視覺上的最美享受，LED在其中起到很大的作用。隨著LED應用領域的擴大，LED的能耗問題更成了人們關注研究的焦點，這也是最初讓我去選擇研究這個題目的因

100、素。</p><p>　　我相信通過我的這次設計，無論是在以后的學習和工作過程中都將是我一生的財富。</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　在本次論文設計過程中，帶我畢業(yè)設計的老師對該論文從選題、構思到最后定稿的各個環(huán)節(jié)給予細心指引與教導，使得我最終完成完成畢業(yè)論文的設計。在此我表示衷心感謝。同時，我還有感謝這三年中

101、眾多老師對我的關心、支持與幫助，由衷的感謝我的老師們，你們辛苦了。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　【1】 李農，楊燕。LED照明設計與應用，科學出版社，2008</p><p>　　【2】 周志敏，紀愛華。LED照明與工程設計，人民郵電出版社，2010</p><p>　　【3】 周志