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1、毕业设计（论文）毕业设计（论文） I LEDLED 照明热设计照明热设计 摘摘 要要：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 得了突破发展，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能力是 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向性和实用性。 关键字关键字 LED；热量；热设计；散热 II 前言 自从爱迪生发明了灯泡之后
2、，人类就进入了用电进行照明的时代。而在白 炽灯发明近 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 的发明。LED 具有高效低耗、绿色环保、响应快、寿命长等优点， 其对照明产业带来的冲击胜过当年白炽灯的发明。 LED 被称作“第四代光源” 。 “第一代光源”是篝火，不仅用于照明，还可 以用于做饭、制作陶瓷、杀菌、科学分析等方面；同样“第二代光源”的白炽 灯，以及“第三代光源”的荧光灯等光源的许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 照明技术的发展引起了国内外光源界的普遍关注，现已成为具有较大 发展
3、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 的高速发展，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 展前景十分诱人的朝阳产业。目前，随着我国绿色照明工程的组织实施，促进 了 LED 照明技术的创新和发展，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发展潜力。 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行分析，以便读者能更深入的了解半导体 LED 在应用和设计中的一些知识。 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 读者提出批评和指正。 II
4、I 目录 前言.II 第一章 概述1 1.1 LED 的发展史1 1.2 LED 国内技术进展和市场前景分析1 第二章 LED 的基础知识.3 2.1 LED 的结构.3 2.2 LED 的光源基本特征.3 2.2.1 发光效率高3 2.2.2 耗电量少4 2.2.3 使用寿命长4 2.2.4 安全与环保4 2.3 LED 光源的特点.4 2.4 常见 LED 的分类5 2.4.1 按发光管发光颜色分类5 2.4.2 按发光管出光面特征分类5 2.4.3 按发光二极管的结构分类5 2.4.4 按发光强度和工作电流分类.5 2.4.5 按功率分类.6 2.4.5 按封装形式分类.6 2.5 大功
5、率 LED 封装结构6 2.6 常见照明灯具与 LED 的各性能对比6 第三章 热设计的理论基础9 3.1 LED 照明热的产生.9 3.2 散热的基础理论9 3.2.1 热传导9 3.2.2 热对流10 3.2.3 热辐射11 第四章 LED 的指标.12 4.1 LED 的主要性能指标.12 4.1.1 LED 的颜色.12 4.1.2 LED 的电流.12 4.1.3 LED 的电压.12 4.1.4 LED 的反向电压 VRm .12 4.1.5 LED 的色温.12 4.1.6 LED 发光强度.12 4.1.7 LED 光通量.13 4.1.8 LED 的使用寿命.13 4.2 L
6、ED 的热学指标.13 4.2.1 热阻 Rth.13 4.2.2 LED 的结温.14 IV 4.3 LED 正常工作条件或状态.15 第五章 大功率 LED 散热分析16 5.1 大功率 LED 照明热设计流程16 5.2 大功率 LED 照明热设计方案16 5.2.1 结温的评估17 5.2.2 热阻的评估计算17 5.2.3 LED 灯具对流热传递计算.17 5.2.4 LED 灯具导热传递计算.17 5.2.5LED 灯具辐射热传递计算.18 5.3 计算分析 LED 实验并得出结论18 第六章 LED 照明灯具的应用及对未来的展望.19 6.1 道路交通领域19 6.2 交通工具领
7、域19 6.3 显示屏.19 6.4 农业19 6.5 渔业19 6.6 医疗20 6.7 通信20 结 束 语21 致 谢22 参考文献23 1 第一章 概述 1.1 LED 的发展史 1907 年 Henry Joseph Round 第一次在一块碳化硅里观察到电致发光现象。 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 的应用和被广泛的认识，最终出现了“电致发光”这个术语。20 世纪 50 年代， 英国科学家在电致发光的实验中使用半导体砷化镓发明了第一个具有现代意义 的 LED，并于 60 年代面世。20 世纪 60 年代末，在砷化镓基础上使
8、用磷化物发 明了第一个可见的红光 LED。磷化镓的改变使得 LED 更高效、发出的红光更亮， 甚至产生出橙色的光。70 年代中期，磷化镓被用作发光光源，随后就发出灰白 绿光。80 年代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，最后为绿色。90 年代中期，出现了超高亮度的 氮化镓 LED。 LED 从最初的约 0.05lm/W 的光效，经历了 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 的发展不 单纯是它的颜色和亮度，而是像计算机一样，遵循摩尔定律的发展。每隔 18 个 月，
9、它的亮度就会增加一倍。早期的 LED 只能应用于指示灯，而现在开始出现 在超亮度的照明和显示领域。 1.2 LED 国内技术进展和市场前景分析 近几年，由于 LED 的光谱全部集中于可见光频率，效率可以达到 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。根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
10、、高强度气体放电 灯之后的第四代光源。LED 应用领域也逐渐壮大： 1、LED 显示屏的应用市场。我国 LED 显示屏市场起步较早，出现了一批具 有很强实力的 LED 显示屏生产厂商。凭借着独特优势，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 指示灯名列第二。 2、背光源市场。LED 早已应用在以手机为主的小尺寸液晶面板背光源中， 手机产量的持续增长带动了背光源市场的快速发展，特别是彩屏手机的出现更 是推动了白光 LED 市场的快速发展。 3、车灯市场。从整个 LED 应用市场看，汽车应用市场还
11、处于未发展阶段， 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。凭借着汽车产业的巨大产能，LED 车灯市场有着巨大的发展潜力。 2 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还将起到 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 着发展效益低、散热不好、成本过高等问题外，还面临光学、结构与电控
12、等技 术的整合以及 LED 照明产品通用标准的制定问题，解决这些问题还需要一定的 时间。 3 第二章 LED 的基础知识 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，当非平衡少数载流子与多数载流子复合时，就会以辐射光电 子的形式将多余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，
13、然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用。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 的光源基本特征 2.2.1 发光效率高 LED 经过几十年的技术改良，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
14、-140 流明/瓦，大部 分的耗电变成热量损耗。而 LED 光效经改良后将达到 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 光效方面的研究，在不远的将来其发光效率将有更大的提高。 4 2-2 市面上的 LED 灯具图 2.2.2 耗电量少 LED 单管功率 0.03-0.06 瓦，采用直流驱动，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。同样照明效果的情况下，耗电 量是白炽灯的万分之一，荧光灯管的二分之一、日本估计，如果采用光效比荧 光灯还要高两倍的 LED 代替日本一半的白炽灯
15、和荧光灯。每年可节约相当于 60 亿升原油。就桥梁护栏灯例，同样效果的一支日光灯 40 多瓦，而采用 LED 每支 的功率只有 8 瓦，而且可以七彩变化。 2.2.3 使用寿命长 LED 灯体积小、重量轻，环氧树脂封装，可承受高强度机械冲击和震动， 不易破碎。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 降低灯具的维护费用，避免经常换灯之苦。 2.2.4 安全与环保 LED 安全可靠性强发热量低，无热辐射性，冷光源，可以安全抵摸：能精 确控制光型及发光角度，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控制发光强度，调整发光方式，实现光
16、与艺术结 合。 有利于环保 LED 为全固体发光体，耐震、耐冲击，不易破碎，废弃物可回 收，没有污染。光源体积小，可以随意组合，易开发成轻便薄短小型照明产品， 也便于安装和维护。 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，根据产品不同而 异，所以它是一个比使用高压电源更安全的电源，特别适用于公共场所。 2、效能：消耗能量较同光效的白炽灯减少 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 各种形状的器件，并且适合于易变的环境。 4、稳定性：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。 5 6、对环境污染：无有害金属汞。 7、颜色：改变电流可以变色，发光二极管方便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，最后为绿色。 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
