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半导体路灯制作中需关注的问题与思考  

2008-07-03 11:24:55|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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半导体路灯制作中需关注的问题与思考

摘要:该文从几个方面论述了当今半导体路灯制作中的困惑及需注意的关键问题

关键词:绿色照明永远的朝阳产业

前言

随着地球能源的不断消耗和资源的贫乏,温室效应对人类的危害,大气环境对地球的污染越来越严重,国际上要求节能降耗的呼声越来越高当今节约能源排在首位,我国早在1996年就正式启动绿色照明工程,提出照明工程要节约资源,防止污染,造福后代多年来通过各界的共同努力,做为第四代的光源半导体照明产品亦有了飞跃性的发展,在节能方面取得了令人瞩目的成就

我国户外道路照明约占整个照明用电量的30%,与人们生产生活密切相关许多厂家似乎看到了这块商机,纷纷启动上马,想蜂拥跻身头班车经过一段时间的匆忙上路与实践运行,经实际调研绝大多数均遇到不同程度的问题和技术难点的困惑,引起诸多终端客户的置疑和不同程度的抵制这给半导体路灯照明产品的推广应用造成了阻力本人从这几年的大功率LED产品开发经验上谈几点不成熟看法,以供业内人士共同探讨,以求得为我国的半导体照明事业发展起个推波助澜的作用

1 . 大功率LED路灯的寿命

对这个大家十分关注的焦点问题,我个人认为不能泛泛而谈,也不是持许多产品的宣传所描述10万小时5万小时的乐观态度大功率LED路灯的寿命取决于以下几点:

(1)LED光源的芯片质量,光衰减值
(2)LED的封装质量. 一致性及可靠性
(3)LED并非不会发热的冷光源,LED发光过程中会产生热LED的发光需要电流驱动,输入LED的电能中,只有约30%有效复合转化为光,大部分(约70%)因无效复合而转化为热,需解决LED的散热,保证LED的良好工作条件
(4).电源恒流驱动的寿命质量保证

照明工程是个系统工程,不管是明视照明还是气氛照明都是通过电能转换成光,再通过灯具投影,使某一个局部的被照面达到一定的照度均匀度显色性,多个被照面的局部合成一个完整的照明工程

计算方法演变如下:

=E·S

式中,:表示该面积需要的光通量lm

E:表示该面积需要的照度lx

S:表示表面积m²

该表面上所需要的N盏灯电功率计算如下:

N盏灯电功率为:

W·N=E·S/(···)+PN+PN

上面的公式说明:某一面积为S的表面要达到照度为E所需的电功率总和与···及PP有关

具体说明如表1.

从表中可以看出,照明工程中考虑的节能因素是很多的,而且是互动的一个照明工程是由许多单个被照面组成的,而被照面之间相互关联,所以照明工程中的节能潜力是很大的

表1   W.N与的关系

E

lx

被照表面所需的照度可以是水平照度垂直照度,也可以综合成为平均照度

S

指某个被照面的面积一个照明工程有许多个被照面组成

lm/W

指选择光源的光效各种光源的光效是不同的

%

指光源的光衰减系数是光源工作了一段时间后的总光通和初始光通的比值,它的大小直接影响到光源的使用寿命和照明工程的维护周期

%

灯具的效率指光源的有效光通与总光通之比,它反映了灯具对光通的利用率在照明工程中,它的大小直接影响到该照面上所需灯具数量和光源的电功率

%

综合利用系数它是一个和环境有直接关系的数值它的确定是一个十分繁杂的过程,大部分是凭实际经验确定,而且在不同的场所环境灯光的搭配时,其数值也是不同其多变不确定性是它的特点

W

W

光源的光功率一般指光源在转换电能时,电转换可见光的部分电功率扣除电转换成热能和其他不可见射线的部分

W

点灯电路的电路损耗功率这里指一个灯的电路损耗,它和电路中导线接点有着直接关系,是一种有害因素(在整个照明工程中一般讲总的线路损耗功率)

W

指单灯配件的损耗功率(在照明工程中有时由于光源不同控制方式不同,也只讲总的配件损耗功率)

W

指单灯的总耗电功率在照明工程中指整个工程中的总功耗(WN)它和单灯功率W及数量N,也和均匀度有直接关系

所以说不能简单的用功耗来比较,要从综合全面的分析来比

本人通过一条路,双边安装250W钠灯90W大功率LED路灯各12盏,在照度和均匀度明视觉显色性眩光及节电方面经过20天工作后的对比测试,(见下表)90W大功率LED 路灯和250W钠灯节电比值为56%

双边交叉安装路灯各12盏,高度10米见附图左边为250W高压钠灯,色温2200K;右边为90W大功率LED路灯,色温2800-3000K,80Lm双边所测中心照度值如下表从明视觉感受观察高压钠路灯眩光比较重,中心光效较集中;LED路灯灯具直观较柔和,其光效分布较均匀显色性好

半导体路灯制作中需关注的问题与思考 - zhangjianjunnj - quietheart

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3.常规灯具与半导体照明灯具的差异化

要真正做好半导体路灯,必须要清晰的了解常规照明灯具的特点,去感悟其优劣势才能将半导体灯具做好

灯具是光源电源灯罩和其他附件等装配组合而成的照明器具,它又是用来控制光源光线投照的方式,同时又能起到保护光源,提高照明效率的照明工具

常规路灯照明灯具主要由灯壳体光源腔电器室等组成因其有足够的壳体空间及活性炭和泡沫硅橡胶的密封安装散热,保证了光源的工作条件其光源腔的防护等级IP65电器室的防护等级IP45常规路灯照明只要保证此防护条件,可以做成任意形状,我国的常规道路照明灯具设计精彩纷呈,真是显现出白天观景夜晚观灯的景象

而常规照明灯具的核心技术在灯的光效分配,取决于反射器的合理配光

反射器是一个重新分配光源光通量的器件光源发出的光经反射器反射后,投射到所要求的方向为了提高效率,反射器是由高反射率的材料做成的这些材料有铝镀银的玻璃等还有折射器,灯具中经常使用的折射器有棱纹板和透镜两大类

因为受光源腔的灼热高温影响(其腔内温度高达近300)反射器易产生老化变质,而影响光效的分配而气体放电灯的自身光衰减(国标质保1年)平均光衰减以季度变化速度发展,使得灯具效率下降,往往新旧灯具的差别较大

在灯具的用电节能方面,以250W高压钠灯计算,实际输入功率约计310W,为了限制眩光的要求,在灯具配光的设计局限性下,其光的分配均匀性上由于设计上的差异,造成有效光的大量浪费,通常所说的形成光污染

另外由于高压钠灯显色性的局限,使得物体色彩还原性差

而半导体路灯的面世,其光源的长寿命独特性,具有易合理配光的优越性,色温的可变性,显色指数高的优势,低电压电流的光源供电具备了高效节能的发展趋势

对于LED应用于路灯有先天的优势也有劣势

1.  LED作为点光源,如果设计合理,很大程度上可以直接解决传统球状光源必须依靠光发射来解决的二次取光及光损耗问题;

2.  对光照射面的均匀度可控,理论上可以做到在目标区域内完全均匀,这也能避免传统光源灯下亮现象中的光浪费;

3.  色温可选,这样在不同场合的应用中,也是提高效率降低成本的一个重要途径;

4.  技术进步空间依然很大

劣势

当前价格还太高,光通量低,当前同等照度设计的LED光源价格大约相当于传统光源的10倍,在民用中难以承受当前设计和制造标准比较混乱,损坏比例高,影响了LED的寿命优势

4. 半导体路灯光源寿命的关键散热分析

(1)LED照明中为什么要进行热工控制?

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结点温度上升时,P N结将进入本征导电状态,LED器件将无法工作 导体绝缘体的电阻率值随温度的影响而变化很小但温度变化时,半导体的电阻率变化却很激烈;每升高1,它的电阻率下降达百分之几到百分之几十不仅如此,当温度较高时,整体电阻甚至下降到很小,以致变成和导体一样

(2)结点温度上升,使LED的光学参数,如输入的光强波长等发生变化

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热路径的简化模型就是串联热阻抗回路,如图显示结合点生成的热从钢模出发,沿着以下简化的热路径传导:接合点到金属片金属片到电路板以及电路板到空气/环境接合点是指半导体钢模内的p-n接合处 由于温度变化,LED峰值发光波长向长波长方向移动 在蓝光+YAG发出白光的LED中,由于蓝光波长发生变化,与荧光粉的受激波长不匹配,影响白光的发光质量和使用寿命

(3)结点温度上升将使封装树脂与金丝等材料的物理性能发生变化,从而对LED的工作可靠性产生影响

(4)结温过高将会引起光衰加剧

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结温与相对光衰成指数关系

影响结温的因素:

热失效(与热有关):由于热膨胀系数不一致产生 键合线失效 分层:芯片与荧光层密封树脂间分层 透光树脂发黄 (与热有关) 荧光粉失效 (与热有关) 内部焊接部位脱落

综上所述,可以看出LED工作时所必需要的良好散热条件,在针对半导体路灯壳体的要求上是要用严谨的科学态度来设计上篇文章中指出,有些厂家采用传统灯具外壳换个半导体的灯芯,用过渡传导方式散热是做不出好灯的,问题是:灯体外部造型要结合发光管的散热,而散热是要靠面积,现有常规照明灯具的表面积是远远不够的焦耳热定律的条件是要具备良好的自然空气对流环境LED发光管是冷光源,不像气体放电灯那样产生灼热的高温,但是,当今LED发光管光效的局限性本身也存在热能其自身耐温能力有限,所以必须将发光管工作时产生的热量有效的散发到空气中去,保证发光管在安全的温度下工作,这样的半导体灯才能真正的体现出长寿命的优势

我们来从传热学基本知识分析LED灯具的散热体制作思路

各类传热过程所传递的热流量由以下方程式决定:Ø=K.A.?t

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选择散热器时,除了机械尺寸的考虑之外,最重要的参数就是散热器的热阻热阻越小,散热器的散热能力越强

温差 = 热阻 × 功耗

对热传导系数已固定(即材料已经固定)的情况下,可以通过以下增大表面换热系数的方式来进行冷却:

改变周围流体的流动状态增强扰动:以紊流状态替代层流状态,或者将换热壁面做成螺纹状波纹状,来改变附近流体的流动状态 使用添加剂改变流体物性:即通过提高容积比热容的方法来改变流体的物理特性 改变换热面的形状大小及表面状况:如将圆管改为椭圆管波纹管螺纹管,或者在金属表面烧结一层很薄的多孔金属层挤压不同的小凸起等 依靠外力产生激荡增强换热:用机械的方法或者电的方法,使换热表面流体产生激荡,增强换热系数

需要提醒的是,在设计时要充分考虑灯具的自身重量,安装在灯杆上的抗风能力和安全的互换性

对LED路灯的外形设计开发,个人认为不主张跟着常规照明灯具外形的思路走,要有独特性,其实LED的特点是可以做出千变万化的造型,发挥其自身长项以达到路面的有效照明要求为目的

本人根据LED必备的散热工作条件,构思设计的长空利剑90W古筝情缘60W丹枫红叶30W三款路灯,经国家电光源检测中心相关检测和几条道路的实验证明是较好的达到了预期的设计要求

LED与传统的照明灯不同,它具有点光源高亮度窄光束输出等特点做LED路灯首先要考虑把有限的光通量充分的利用到有效的照射范围,路灯要求是路面照明效果,超出路面的空地不是路灯照明的方式,因此;有效的控制光线的分布范围,使发光管发出的光成为一个长条形光带沿路面方向铺展,同时也要兼顾眩光的产生,因此对LED新型灯具的设计人员将提出更高的要求

在光学设计方面,LED的辐射形式有朗伯型侧射型蝙蝠翼型和聚光型几种在道路照明领域,根据设计经验朗伯型和蝙蝠翼型比较适用,通过二次光学设计,使得LED的光照范围光度曲线符合道路照明的需求

在众多厂家推出的产品中不外乎两种方式;加透镜和不加透镜,但要强调的是,从当今LED的实际光通量色温一致性情况看,对配光的科学设计,对所照明面的均匀度尤为重要

在针对LED光源配光的科学合理化设计技术上,去年发明了简易高效,量产安装方便的LED聚光式反射器,提高出光效率,并能有效地控制出光角度和光强分布发明专利号;(200710070798.7)本发明的目的是为LED照明灯具中提供一种高效的聚光式反射器,该反射器采用类似格栅的方式,每个LED又对应一个反射凹槽,凹槽内的孔位对应LED的安装位置,每个孔位对应的LED光源的反射光在LED灯的垂直照射面上形成的光斑为椭圆形光斑,主要是利用光的反射使光能够分布在一个椭圆形的范围内反射凹槽表面涂覆有反射膜,优选反射膜为铬膜镍铬膜将光源发出的光线均匀聚集并反射到所需要的区域,提高灯具的照明距离和效果,光效高没有明显的光斑,提高了灯具的照明距离和效果,成功的运用在三款LED路灯上

从当今LED的光效和价格的瓶颈,电源及相关电器的约束,使得超大功率LED路灯发展受到了一定程度的制约,我个人认为;多方因素的影响现今的LED路灯是否可在100W以下的功率上制作,既保证了产品的可靠性,又有安全性,在性价比上易于接受在快速路上可以用双灯头来实行(见下图)

应用产品的研发应关注LED上游光源产品日新月异的发展,权威照明公司针对大功率LED路灯的发展前景,在光源的光效提高及自身光源上安装适合路灯照明配光的反光器,这也会加快了LED路灯的发展速度

可以坚信半导体照明永远的朝阳产业!






引文来源  半导体路灯制作中需关注的问题与思考

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