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(一)LED照明产品的劲敌—散热
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(一)LED照明产品的劲敌—散热
 

近年来,随着LED芯片技术的突飞猛进,LED的商业化应用之路已经非常成熟。而LED产品以体积小、耗电量低、使用寿命长、高亮度、环保、坚固耐用等特点以及led灯节能显著,被人们称为“绿色光源”。采用超高亮大功率led光源,配合高效率电源,比传统白炽灯节电80%以上,相同功率下亮度是白炽灯的10倍。超长寿命50,000小时以上,是传统钨丝灯的50倍以上。LED采用高可靠的先进封装工艺—共晶焊,充分保障LED的超长寿命。发光视效能率可高达80lm/W以上,多种LED灯色温可选,显色指数高,显色性好。led灯串led技术正日新月异的在进步,它的发光效率正在取得惊人的突破,价格也在不断的降低,作为照明产品已经深入千家万户和大街小巷。

然而,LED光源产品并不是没有任何缺点,LED灯和所有的电器产品一样,在使用过程中会产生热量,导致环境温度和自身温度的升高。LED是固态光源,发光芯片面积小,工作时通过芯片的电流密度大;而单颗LED芯片的功率比较小,所输出的光通量也较低,所以,在实际应用到照明设备时大多灯具要求由多颗LED光源组合而成,从而使得LED芯片密集度较大。又因为LED光源的光电转换率不高,大约只有15%~35%左右电能转为光输出,其余均转换成为热能,因此当大量LED光源集中工作时,将会产生大量的热能。如果不能使这些热量尽快有效地耗散,会致使LED光源结温上升,减少芯片出射的光子,使色温质量下降,加快芯片老化,缩短器件寿命。因此,对LED灯具散热结构进行热分析和优化设计就变得异常关键。



图一 LED热传递图


图二 LED CFD分析


图三 光输出与结温特性图

 
基于LED产品在行业发展多年的发展经验,已经形成了非常完备的设计理论体系,作为一名照明产品结构设计师,就相当于已经站在了巨人的肩膀上前行。然而,并不是说在巨人的肩膀上,就那么容易登上顶峰,在日常的设计中也会存在很多很多需要攻克的难题。例如从成本的角度出发,在设计中,既要满足产品散热需求,也要兼顾成本最小化;目前,市面上采用最多的就是使用铝合金鳍片散热的方式,这种方式下,设计师如何去确定鳍片与鳍片之间的间隙距离以及鳍片的高度,还有产品的结构方式对气流的影响和发光面的朝向,都会导致散热不一致,这些都是是困扰设计师的难题。通常,经验丰富的老设计师,会根据经验去设计,而年轻设计师就没有这么幸运,因为他没有那么多经验可借鉴,那怎么办呢?小编华工也是一名年轻设计师,没有太多的产品设计经验,我通常采用热仿真的方法,通过仿真的结果,对产品进行优化设计,降低LED结温。如下图四和图五,就是对同一产品通过热仿真调整产品结构,得到的两次仿真模拟结果。

图四 某灯具产品热仿真优化设计仿真结果一


图五 某灯具产品热仿真优化设计仿真结果二

以下两图图六和图七,是我们在实际产品设计中,通过模拟产品的使用形式,去对产品进行散热仿真,通过散热仿真云图,我们可以清晰的看见,在不同的使用形势下,热量在产品内外部的分布情况和热辐射状态。

图六 某灯具向下发光时的仿真图


图七 某灯具向侧面发光时的仿真图

以上是我们日常设计中的实际案例。在LED的灯具的设计过程中,降低LED结温,确保LED的寿命的方式有多种:①、加强热传导(热量传递的方式有三种:导热、对流换热和辐射换热),②、选用低热阻的LED芯片,③、不满载或超载使用LED的额定功率或电流(建议使用额定功率的70%~80%),这些都能有效降低LED结温。
那么加强热传导,我们可以采用的办法有:①、良好的二次散热机构;②、减小LED与二次散热机构安装介面之间的热阻;③、增强LED与二次散热机构之间接触面的导热系数;④、采用空气对流原理的结构设计。
所以,散热对于照明行业的产品设计师来说,是一个在目前阶段无法逾越的鸿沟。在这一点上,我相信随着技术的革命性进步,散热对LED的影响会慢慢变小,我们也正在尝试通过应用手段,想办法降低LED结温,保证LED寿命,做出高性价比产品。
 

原创: 华工
 
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