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如何通过散热来评价灯具的好坏?

2018-11-30浏览量:100文章来源:合力四通光电

导读:热量传递的三种基本方式:“传导、对流、辐射”传导:介质中存在温差时,不论介质是固体或液体,内部都有传热发生。对流:一个表面与一种流体运动处于不同温度时,发生的热交换。辐射:两个不同温度的物体表面之间不通过任何介质,以电磁波形式发生传热。LE

热量传递的三种基本方式:“传导、对流、辐射”

传导:介质中存在温差时,不论介质是固体或液体,内部都有传热发生。

对流:一个表面与一种流体运动处于不同温度时,发生的热交换。

辐射:两个不同温度的物体表面之间不通过任何介质,以电磁波形式发生传热。

LED发热的原因


图1是光源的层式结构示意图,不同的芯片有不同的特性,但是对于半导体光源的发光原理是相同的。LED光源发光是将电能转化为光能,然而电能不可以完全转化为光能,其中的一部分电能会转化为热能,因此导致光源在工作的时候伴随着发热的现象。电光转换的效率一般为20-30%,剩余的70-80%转换为热能。对于LED结温来说,有两个重要热源:

1、内部量子效率不高,即电子与空穴复合时,并不能100%产生光子。

2、内部的光子无法全部射出到芯片外部,反而转换成热能。

图1. 芯片内部结构图

温度VS寿命

由于LED发热的原因,所以LED灯具就要有散热装置,散热问题就成为评价灯具优劣的客观参数。LED的光衰、使用寿命和结温是密不可分的,散热不好,结温就高,光衰就快,寿命就更短。根据阿雷纽斯法则,半导体器件每下降10℃,寿命会延长2倍,从CREE公司发布的光衰曲线图(图2)可以看出,温度是影响灯具寿命的主要原因:


图2. 光衰与结温的曲线表

散热问题影响光源的应用,那么散热就是一个不得不考虑的重点问题。LED灯具的散热方式以及散热的组件结构示意如图3所示,通过每一层的导热,以及散热器的热对流将光源产生的热量逐渐传递向空气中,实现散热的目的。


图3. 灯具内参与散热的组件图

如何减少接触热阻,注意以下几点:

热阻小的散热材料,导热效果更好,为了更好的导热,每一层的散热必须做到最优。LED芯片到PCB,确保LED与PCB之间是可靠的焊接;锡膏是否完全融化;LED底板和PCB之间是否有间隙。PCB到散热器,PCB与散热片之间需要有导热界面材料,界面导热材料的热导系数越高导热越好;确保PCB与散热片贴合平面的平面度;界面导热材料必须承受一定的压力。


图4. 散热器的截面图


图5示意了较为常见的散热问题图,合格散热组件的热度分布是均匀或对称的,这样不易造成光源内部温度不一致,防范出现光分布不均匀,因此大多灯具的光源都是位于灯具的中心位置。散热器热沉的厚度和热对流鳍片对散热效率影响极大,合格的灯具,散热器热沉厚度不能太厚也不能太薄,热对流鳍片的间隔距离以及厚度也不能太大或太小,这就是考核一个散热工程师的业务水平。

图5.合格与不合格的散热组件

对流换热的换热量根据如下的对流的公式可以看出:

我们需要设计h、A的最佳值,得到最优化的结果。热量Φ一定,散热面积大,则温差小,能达到更好的效果;同理:对流换热系数h值大,则温差小,能达到更好的效果;但是在实际的运用中,结构确定的情况下,换热面积和对流换热系数是相互制约的,A加大,将会导致h减小。也就是说,不是面积越大越好,面积增加大一定程度的时候,再加大面积,反而会带来不好的结果。

实例:

图6的灯具,通过软件论证,找出合适的后盖开孔尺寸,加强热对流系数,有效的降低光源结温,使得灯具的使用寿命延长,确保灯具的照明质量。图7是出模制作的实物,并进行实际的测试检验,直到达到合格。

图6. 空气流动失量图和灯具外壳云图描述

图7. NVC导轨射灯的实物图