LED道路照明光源的散热与配光应用

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现代领域中作为照明光源的小功率LED阵列,散热问题解决了,但LED数量要很多,光衰强,安装成本高;而采用大功率LED是城市照明LED路灯发展的趋势,但如何解决大功率LED路灯产品的散热、LED的散光和聚光控制问题,路灯在路面照射面的照度范围、型态和照度的均衡问题和光电转换效率太低,每瓦只有几个流明等问题是本文研究的关键。 LED(Light Emitting Diode,称发光二极管),属于固态光源。LED的应用已有较悠久的历史,以前主要应用在各种电子设备的指示灯、大屏幕显示器、信号灯和液晶屏幕背光源等领域。近些年来,随着GaP、GaN系Ⅲ-V族化合物半导体的结晶成长工艺技术及纳米技术的进步,LED的光效和大功率集成技术都有了很大的提高,LED已经开始在照明领域里初步应用,出现了LED路灯、LED矿灯、LED应急灯、LED车灯、LED景观灯等多种以大功率LED为光源的照明灯具。

现代领域中作为照明光源的小功率LED阵列,散热问题解决了,但LED数量要很多,光衰强,安装成本高;而采用大功率LED是城市照明LED路灯发展的趋势,但如何解决大功率LED路灯产品的散热、LED的散光和聚光控制问题,路灯在路面照射面的照度范围、型态和照度的均衡问题和光电转换效率太低,每瓦只有几个流明等问题是本文研究的关键。

LED(Light Emitting Diode,称发光二极管),属于固态光源。LED的应用已有较悠久的历史,以前主要应用在各种电子设备的指示灯、大屏幕显示器、信号灯和液晶屏幕背光源等领域。近些年来,随着GaP、GaN系Ⅲ-V族化合物半导体的结晶成长工艺技术及纳米技术的进步,LED的光效和大功率集成技术都有了很大的提高,LED已经开始在照明领域里初步应用,出现了LED路灯、LED矿灯、LED应急灯、LED车灯、LED景观灯等多种以大功率LED为光源的照明灯具。


本灯具设计思路和方法

1 光源的选择

光源比较:传统照明光源主要有3大类:白炽灯、荧光灯和稀有气体放电灯。与这些光源相比,LED光源光效比较高,使用寿命长,采用安全电压供电,不含有毒重金属,使用寿命长,采用安全电压供电,不含有毒重金属,显色指数高,而且属于新型光源,发展潜力巨大,是未来传统光源理想的替代品。

散热是LED路灯要重点解决的问题。LED是冷光源,不象白炽灯那样产生灼热的高温,但是,LED本身耐温能力比较差,所以必须将发光管工作时产生的热量有效地散发到空气中去,保证芯片工作在安全的温度环境下,这样LED灯才能真正的体现出长寿命的优势。

由于发光管生产技术的进步,大功率发光管内部的热阻越来越低,目前1W的发光管的热阻普遍在15℃/W以下,也就是说,给1W的发光管加1W的电功率,管芯比管壳的温度只高15℃。按照目前发光管管芯材料的耐温水平,管芯温度不超过150℃就能长期安全的工作。

这样推算,外壳温度135℃时可以安全使用。但是,由于外壳封装材料的限制,实际使用中的管壳温度最好不超过70℃,这样管芯温度只有85℃,发光管的透明封装材料也不会快速老化。因此,没有必要将半导体灯工作时的温度降得很低,但必须减小发光管外壳和灯体外壳之间的热阻,这样就可以以比较小的体积和比较低的成本生产稳定工作的半导体灯。

要有效地散热,减小灯的体积和生产成本,灯体必须有合理的散热结构。如何合理地把发光管产生的热量传导到外壳,有效地增大外壳与空气的接触面,并利于空气在外壳表面上的流动,就是本灯体热结构设计要解决的问题。

2 灯具结构设计研究

(1)灯具结构

组成结构: LED路灯由铝合金压铸灯体,LED模块,钢化玻璃透光罩,AC/DC恒流驱动器,电器室盖板五部分组成,如图1所示。

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图1 LED灯具结构


功能结构:散热灯体,光源室,电器室三部分组成,如图2所示。

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图2 LED灯具功能结构


(2)散热材料的选择

为了做好LED路灯,首先要对散热材料进行选择。目前散热器所采用的基本材料为金属,这主要出于三方面的考虑:①导热性能好,相对其他固体材料,金属具有更好的热传导能力;②易于加工,延展性好,高温相对稳定,可采用各种加工工艺;③易获取,虽然金属也属不可再生资源,但供货量大,不需特殊工序,价格也相对低廉;依此确定了散热片所用材料类型,具体种类的确定同样需以此为标准。

表1为散热片惯用材料与常见金属材料的热传导系数。

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表1 散热片惯用材料及热传导系数热传导系数越高越好,但同时还需要兼顾到材料的机械性能与价格。热传导系数很高的金、银,由于质地柔软、密度过大及价格过于昂贵而无法广泛采用;铁则由于热传导率过低,无法满足高热密度场合的性能需要,不适合用于制作高性能散热片。

铜的热传导系数同样很高,可碍于硬度不足、密度较大、成本稍高、加工难度大等不利条件,在散热片中使用较少。铝作为地壳中含量最高的金属,因热传导系数较高、密度小、价格低而受到青睐;但由于纯铝硬度较小,在各种应用领域中通常会掺加各种配方材料制成铝合金,为此获得许多纯铝所不具备的特性,而成为了散热片加工材料的理想选择。

各种铝合金材料根据不同的需要,通过调整配方材料的成分与比例,可以获得各种不同的特性,适合于不同的成形、加工方式,应用于不同的领域。表1中列出的5种不同铝合金中:AA6061与AA6063具有不错的热传导能力与加工性,适合于挤压成形工艺,在散热片加工中被广为采用。

ADC12适合于压铸成形,但热传导系数较低,因此散热片加工中通常采用AA1070铝合金代替,可惜加工机械性能方面不及ADC12。AA1050则具有较好的延展性,适合于冲压工艺,多用于制造细薄的鳍片。

通过以上分析我们确定了采用AA1070选择一次性压铸成型来实现灯体的制作。

采用一体化铝合金压铸LED路灯设计思路:

根据道路照明灯具的功能需要及灯具的防护安全等级的规定,将整个灯具分成三部分来设计,整体散热外壳、光源室和电器室。

1)散热外壳

散热片的散热效果主要取决于散热片与发热物体接触部分的吸热底和散热片的设计。性能优秀的散热器,其性能应满足三个要求:吸热快、热阻小、去热快。

为了达到吸热快的效果,就要求吸热底与LED模块结合尽量紧密,让金属材料与LED模块直接接触,不留任何空隙。

散热器的整体热阻就是由与LED模块的接触面开始逐层累计而来,吸热底内部的热传导阻抗是其中不可忽视的一部分。为将吸收的热量有效地传导到尽量多的鳍片上,还需要吸热底有较好的横向热传导能力。在设计时首先满足吸热底有足够的厚度,同时考虑LED模块的安装孔位进行加筋,也加强了灯具的整体性和机械强度。

图3、图4为灯体的上部和侧面的散热结构。

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图3 灯体上部散热片分布图图4 灯体侧面散热分布图该设计除具有吸热快,热阻小,散热顺畅,防护等级高,机械强度好的优点外,还能将LED模块结温控制在60℃以下,这在LED应用照明上具有突破性意义。

2) 光源室配光

LED光源之所以适合用于局部照明,是由于LED模块在生产时就可以制作成各种发光角度和各种功率的产品,利用特定发光角的光源做局部照明可以使光源发出的光得到更有效的利用,和传统的不便控制发光角度的光源相比,可以用比较小的功率达到同等要求的照明效果,因而实现节能的目的。

路灯在路面照射面的照度范围、型态和照度的均衡问题采用在不同的内置导光面安放不同功率的LED模块,使整个照度范围内地面的光强大至均衡。

本LED路灯配光和结构所采用的具体技术方案是:大功率LED路灯由带散热片的灯体、LED模块、透光罩、盖板、密封胶条组成;散热壳体一面上的一端设有一个光源室,在其光源室的凹口周边配装有钢化玻璃透光罩,在散热灯体的光源室内设有五个不同角度的模块安装面,在光源室的导光安装面上按不同的配置需要安装安装3~5个不同的LED模块单元并按 图5或图6形式安装。

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图5图6按图5或图6安装,可以是两侧照明单元所采用的LED模块功率比中间照明的LED模块功率大。用多种功率组合的LED模块组成的LED路灯,利用其光的导向性可以有效的控制光线的分布范围,使LED模块发出的光成为一个长条形光带沿路面方向铺展,如图7。

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图7(a) 灯头配光结构图7(b)路灯安装光源照射分布示意图光的导向是做好LED路灯的重要环节。为了有效的利用光线,应该发挥发光管照射方向便于调控的优势,使发光管发出的光形成一条光带铺在路面上,而不要在无效方向上散射。要做到这一点,应在结构上采用多种功率的LED模块组合,按 图5或图6形式安装,分别兼顾不同的照射距离,分别用于照射附近路面,中距离路面,远距离路面,使LED输出的光均匀的覆盖两盏灯之间的半距离路面,这样就可以用比较小的功率有效地照亮道路。

③电器室结构:

在灯具的另一端设有一个电器室、并通过线槽与光源、安装孔相连通,盖板的大小与电器室相适配、密封胶条与光源室、电器室相适配,通过盖板、密封胶条将电器室进行密封,AC/DC恒流控制装置、连接线、电源连接线,恒流控制装置的输入端连接电源连接线、输出端通过连接线连接LED模块的输入端,恒流控制装置涂抹导热膏加螺丝贴装于散热壳体的电器室内的安装面上,连接线敷设于散热壳体的光源室和电器室之间的线槽内,电源连接线设于散热壳体的电源室与安装孔之间的线槽内、穿出安装孔外、连接至电源。

这就需要很好的设计这几组LED模块的安装角,解决光的导向。实践证明, LED路灯96W左右的功率就能超过150W纳灯对路面的照明效果,以128W左右就能达到300W的照明效果,节能效果显著。结论⑴通过以上对散热材料,灯具的防护,散热原理的研究,以整个灯头壳体为散热片,使LED模块所产生的热直接传导到灯具壳体的外部,由自然对流的空气将热量直接带走,无需其他手段的辅助散热。保证了整体温升在25℃以下,对LED模块和恒流驱动器在良好的工作温度中,保证了灯具的性能和寿命。

⑵由于采用了一体化压铸成型的工艺,使灯具的整体性和一致性得到保证,同时提高了灯具的防护等级,确保灯具的防护等级达到GB7000.1-2002和GB7000.5-2005标准。

⑶通过对配光的研究,针对道路照明的要求设计出独特的配光方案,配置不同的模块对远距离的路面增加光强,使整个路面的照度基本相等来实现道路照明的均匀度。这是传统路灯所无法做到的。

(本文选编自《电气技术》,原文标题为“LED道路照明光源的散热与配光应用”,作者为李志航、高铁成。)

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