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1、成都电子机械高等专科学校 通信工程系毕业设计论文毕业设计（论文）23LED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 LED；热量；热设计；散热 前言自从爱迪生发明了灯泡之后，人类就进入了用电进行照明的时代。而在白炽
2、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
3、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。目录前言II第一章 概述11.1 LED的发展史11.2 LED国内技术进展和市场前景分析1第二章 LED的基础知识32.
4、1 LED的结构32.2 LED的光源基本特征32.2.1 发光效率高32.2.2 耗电量少42.2.3 使用寿命长42.2.4 安全与环保42.3 LED光源的特点42.4 常见LED的分类52.4.1 按发光管发光颜色分类52.4.2 按发光管出光面特征分类52.4.3 按发光二极管的结构分类52.4.4按发光强度和工作电流分类52.4.5按功率分类62.4.5按封装形式分类62.5 大功率LED封装结构62.6 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93.1 LED照明热的产生93.2 散热的基础理论93.2.1 热传导93.2.2 热对流103.2.3 热辐射11第
5、四章 LED的指标124.1 LED的主要性能指标124.1.1 LED的颜色124.1.2 LED的电流124.1.3 LED的电压124.1.4 LED的反向电压VRm124.1.5 LED的色温124.1.6 LED发光强度124.1.7 LED光通量134.1.8 LED的使用寿命134.2 LED的热学指标134.2.1 热阻Rth134.2.2 LED的结温144.3 LED正常工作条件或状态15第五章 大功率LED散热分析165.1 大功率LED照明热设计流程165.2 大功率LED照明热设计方案165.2.1 结温的评估175.2.2 热阻的评估计算175.2.3 LED灯具对
6、流热传递计算175.2.4 LED灯具导热传递计算175.2.5LED灯具辐射热传递计算185.3 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196.1 道路交通领域196.2 交通工具领域196.3显示屏196.4 农业196.5 渔业196.6 医疗206.7 通信20结 束 语21致 谢22参考文献23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
7、。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
8、，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，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
9、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，汽车应用市场还处于
10、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。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、结构与电控等技术的整合以及LED照明产品通用标准的制定问题，解
11、决这些问题还需要一定的时间。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，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L
12、ED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90-140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
13、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。 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
14、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，
15、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。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，而通常每组信号灯需由上300-500只二极管构成。2.4 常见LED
