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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 毕业设计论文名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 28 页精选学习资料 - - - - - - - - - LED照明热设计摘 要：随着 LED 制造工艺的进步,新材料的开发,各种颜色的超高亮度 LED取得了突破进展, LED成为第四代光源指日可待；目前由于其光电转化率较低,大部分电能实际转化成了热量,所以如何提高其散热才能是 LED 实现产业化急需解决的关键技术；本文通过对LED结构、发光原理及特性、热设计的基础理论、散热方式等一系列的方面进行分析,对 LED的设计进行一系列的优化,使LED在生产以及应用的过程中能够更具有方
2、向性和有用性； 关键字 LED；热量；热设计；散热I 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 28 页精选学习资料 - - - - - - - - - 前言自从爱迪生创造了灯泡之后,人类就进入了用电进行照明的时代；而在白炽灯创造近 100 年后,人类又迎来了照明史上的又一次革命,而引领这次革命 的正是 LED的创造； LED具有高效低耗、绿色环保、响应快、寿命长等优点,其对比明产业带来的冲击赛过当年白炽灯的创造；LED被称作“ 第四代光源”；“ 第一代光源” 是篝火,不仅用于照明,仍可以用于做饭、制作陶瓷、杀菌、科学分析等方面；同样“ 其次代光源” 的白炽灯,以及“ 第三代光源
3、” 的荧光灯等光源的很多功能与用途也早已被充分利用；因此,作为“ 第四代光源” 之一的LED,其用途可以说是无限的；LED照明技术的进展引起了国内外光源界的普遍关注,现已成为具有较大 进展前景和影响力的一项高新技术产品；近年来随着城市建设和电子信息产业的高速进展,人们对光源的需求与日俱增,LED产品的开发研制生产已成为发展前景非常迷人的朝阳产业；目前,随着我国绿色照明工程的组织实施,促进了 LED照明技术的创新和进展,使得 LED在照明领域得以广泛应用,LED潜在的市场使其显示出了强大的进展潜力；本文通过对 LED结构、发光原理及特性、热设计的基础理论、热学指标、散热方式、封装等一系列的方面进
4、行分析, 以便读者能更深化的明白半导体LED在应用和设计中的一些学问；由于时间仓促及笔者水平有限,文中存在漏洞与不妥之处在所难免,敬请读者提出批判和指正；II 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 28 页精选学习资料 - - - - - - - - - 目录前言 . 第一章 概述 . 11.1 LED 的进展史 . 1.2 LED 国内技术进展和市场前景分析. 1其次章 LED 的基础学问 . 32.1 LED 的结构 . 2.2 LED 的光源基本特点 . 2.2.1 发光效率高 . 2.2.2 耗电量少 . 2.2.3 使用寿命长 . 2.2.4 安全与环保 . 2.3
5、 LED 光源的特点 . 2.4 常见 LED 的分类 . 2.4.1 按发光管发光颜色分类 . 2.4.2 按发光管出光面特点分类. 2.4.3 按发光二极管的结构分类 . 按发光强度和工作电流分类 . 按功率分类 . 按封装形式分类 . 2.5 大功率 LED 封装结构 . 2.6 常见照明灯具与 LED 的各性能比照 . 6第三章 热设计的理论基础 . 93.1 LED 照明热的产生 . 3.2 散热的基础理论 . 3.2.1 热传导 . 3.2.2 热对流 . 3.2.3 热辐射 . 第四章 LED 的指标 . 124.1 LED 的主要性能指标 . 4.1.1 LED 的颜色 . 4
6、.1.2 LED 的电流 . 4.1.3 LED 的电压 . 4.1.4 LED 的反向电压 VRm . 12 4.1.5 LED 的色温 . 4.1.6 LED 发光强度 . 4.1.7 LED 光通量 . 4.1.8 LED 的使用寿命 . 4.2 LED 的热学指标 . 4.2.1 热阻 Rth . 4.2.2 LED 的结温 . III 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 28 页精选学习资料 - - - - - - - - - 4.3 LED 正常工作条件或状态 . 15第五章 5.1 5.2 大功率 LED 散热分析 . 16大功率 LED 照明热设计流程 .
7、16大功率 LED 照明热设计方案 . 165.2.1 结温的评估 . 5.2.2 热阻的评估运算 . 5.2.3 LED 灯具对流热传递运算 . 175.2.4 LED 灯具导热传递运算 . 17LED 灯具辐射热传递运算 . 185.3 运算分析 LED 试验并得出结论 . 18第六章 LED 照明灯具的应用及对将来的展望 . 196.1 道路交通领域 . 6.2 交通工具领域 . 显示屏 . 6.4 农业 . 6.5 渔业 . 6.6 医疗 . 6.7 通信 . 结 束 语 . 21致 谢. 22参考文献 . 23IV 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 28 页精选
8、学习资料 - - - - - - - - - 第一章 概述1.1 LED 的进展史1907 年 Henry Joseph Round 第一次在一块碳化硅里观看到电致发光现象；1936 年,George Destiau 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熟悉,最终显现了“ 电致发光” 这个术语；20 世纪 50 岁月,英国科学家在电致发光的试验中使用半导体砷化镓创造了第一个具有现代意义的 LED,并于 60 岁月面世； 20 世纪 60 岁月末,在砷化镓基础上使用磷化物发明白第一个可见的红光 LED；磷化镓的转变使得 LED更高效、发出的红光更亮,甚至产生出橙色的光；
9、 70 岁月中期,磷化镓被用作发光光源,随后就发出灰白绿光； 80 岁月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,最终为绿色；氮化镓 LED；90 岁月中期,显现了超高亮度的LED从最初的约 0.05lm/W 的光效,经受了 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的进展不单纯是它的颜色和亮度, 而是像电脑一样, 遵循摩尔定律的进展； 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,而现在开头显现在超亮度的照明和显示领域；1.2 LED 国内技术进
10、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,效率可以到达 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、汽车组合尾灯及车内照明等方面；依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应用领域也逐步壮大：1、LED显示屏的应用市场；我国LED显示屏市场起步较早,显现了一批具有很强实力的
11、 LED显示屏生产厂商；凭借着特殊优势,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指示灯名列其次；2、背光源市场； LED早已应用在以为主的小尺寸液晶面板背光源中,产量的连续增长带动了背光源市场的快速进展,特殊是彩屏的显现更是推动了白光 LED市场的快速进展；3、车灯市场；从整个LED应用市场看,汽车应用市场仍处于未进展阶段,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；凭借着汽车产业的庞大产能,LED车灯市场有着庞大的进展潜力；1 名师归纳总结 - - - - - -
12、 -第 6 页,共 28 页精选学习资料 - - - - - - - - - 4、室内装饰灯市场；室内装饰灯市场是 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仍将起到示范作用,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除面临着进展效益低、散热不好、成本过高等问题外,仍面临光学、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,解决这些问题仍需要肯定的时间；2 名师归纳总结 - - -
13、- - - -第 7 页,共 28 页精选学习资料 - - - - - - - - - 其次章 LED 的基础学问2.1 LED 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,当非平稳少数载流子与多数载流子复合时,就会以辐射光电子 的形式将余外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,起到爱护内部芯
14、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2.2 LED 的光源基本特点发光效率高 LED 经过几十年的技术改进,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
15、效经改进后将到达 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光效方面的争论,在不远的将来其发光效率将有更大的提高；3 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 28 页精选学习资料 - - - - - - - - - 2-2 市面上的 LED灯具图耗电量少LED单管功率 0.03-0.06瓦,采纳直流驱动,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；同样照明成效的情形下,耗电量是白炽灯的万分之一,荧光灯管的二分之一、日本估量,假如采纳光效比荧光灯仍要高两倍的LED代替
16、日本一半的白炽灯和荧光灯；每年可节省相当于60亿升原油；就桥梁护栏灯例, 同样成效的一支日光灯 的功率只有 8 瓦,而且可以七彩变化；使用寿命长40 多瓦,而采纳 LED每支LED灯体积小、重量轻,环氧树脂封装,可承担高强度机械冲击和震惊,不易破裂；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爱护费用,防止常常换灯之苦；安全与环保LED安全牢靠性强发热量低,无热辐射性,冷光源,可以安全抵摸：能精 确掌握光型及发光角度,光色柔和,无眩光；不含汞、钠元素等可能危害健康的物质；内置微处理系统可以掌握发光强度,调整发光方式,实现光与艺术结合；有利于环保 LED为全固
17、体发光体,耐震、耐冲击,不易破裂,废弃物可回 收,没有污染；光源体积小,可以随便组合,易开发成轻巧薄短小型照明产品,也便于安装和爱护；2.3 LED 光源的特点1、电压： LED使用低压电源,供电电压在6V-24V 之间,依据产品不同而异,所以它是一个比使用高压电源更安全的电源,特殊适用于公共场所；2、效能：消耗能量较同光效的白炽灯削减 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外形的器件,并且适合于易变的环境；4、稳固性： 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；4 名师归纳总结
18、 - - - - - - -第 9 页,共 28 页精选学习资料 - - - - - - - - - 6、对环境污染：无有害金属汞；7、颜色： 转变电流可以变色,发光二极管便利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,最终为绿色；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依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
19、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；依据 发光二极管出光处掺或不掺散射剂、有色仍是无色,上述各种颜色的发光二极 管仍可分成有色透亮、无色透亮、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；按发光管出光面特点分类依据发光管出光面特点的不同,可分为圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧 向管、外表安装用微型管等； 圆形灯按直径分为 2mm、 4.4mm、 5mm、 8mm、 10mm及 20mm等；由半值角大小可以估量圆形发光强度角分布情形；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
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；按发光二极管的结构分类依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；按发光强度和工作电流分类有一般亮度的 LED发光强度小于 10mcd；超高亮度的 LED发 光强度大于 100mcd；把发光强度在 10100mcd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
21、一般发光管相同 ；5 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页,共 28 页精选学习资料 - - - - - - - - - 按功率分类有小功率 LED0.04-0.08W ,中功率 LED0.1-0.5W ,大功率 LED1-500W,随着技术的进展, LED的功率越做越大；2.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步提高 , 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 , 并且逐步向一般照明领域过渡 , 被公认为有望取代白炽灯、荧光灯的第四
22、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 , 设计出满意要求的芯片 , 而且对下游封装厂提出更高要求 , 设计出满意肯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,封装将随着今后的进展,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 的各性能比照光通量,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
23、能量,必需采纳以人眼对光的感觉量为基准的单位-光通量来衡量；光通量用符号表示,单位为 50-70 流明 /流 lm；目前白炽灯、卤钨灯的光通量为12-24 流明 / 瓦、荧光灯6 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 28 页精选学习资料 - - - - - - - - - 瓦钠灯 90-140 流明 / 瓦,目前 LED的光通量可到达到 50-200 流明 / 瓦；对于现阶段常见的白光 LED的光通量, 0.06W 为 3-5 lm , 0.2W 为 13-15 lm ,1W为 60-80 lm ；下表列出 LED分别在 1W、3W、5W、7W、9W、12W的光通量分别对
24、比卤素灯、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=1 mcd毫坎德 拉, 1000mcd=1 cd；室内用单只 LED的光强一般为 500ucd-50 mcd,而户外用单只 LED的光强一般应为 100 mcd-1000 mcd,甚至 1000 mcd 以上；在相同亮度为 800ucd 下进行节能比较,结果
25、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 卤素灯耗电 %比白炽灯耗电 %比节能灯耗电 %比实际用电实际用电实际用电实际用电1W 8 365 35W 8 365 3400% 25W 8 365 2400% 5W 8 365 400% =73 度比 LED 耗能：比 LED 耗能：比 LED 耗能：70 度3W 8 365 50W 8 365 1566% 40W 8 365 1100% 7W 8 365 133% =146 度比 LED 耗能：比 LED 耗能：比 LED 耗能：108 度5W 8 365 60W 8 365 1233% 12W 8 365 140%
26、=35 度7W 8 365 比 LED 耗能：1345% 比 LED 耗能：162% 100W 8 365 24W 8 365 9W 8 365 =292 度1571% =70 度183% 比 LED 耗能：比 LED 耗能：150W 8 365 30W 8 365 =438 度12W 8比 LED 耗能：1567% 比 LED 耗能：203% 200W 8 365 40W 8 365 7 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页,共 28 页精选学习资料 - - - - - - - - - 365 =584 度=35 度比 LED 耗能：比 LED 耗能：549 度表 2-3 使
27、用寿命的比较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1 PCS LED 25 PCS 卤素灯 33 PCS 白炽灯 6 PCS 节能灯表 2-4 一颗寿命 50000 小时的成本合计与卤素灯、白炽灯、节能灯比照7W LED 50W 卤素灯 100W 白炽灯 24W 节能灯电费 50000 小时7W 50000 小时 50W 50000 小时100W 50000 小时24W1000 1000 0.8 元 1000 0.8 元 1000=280 元 =2000 元 =4000 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