LED工礦燈的創(chuàng)新運(yùn)用

王劍濤 章世貴

摘 要：在我國《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》中，LED燈等半導(dǎo)體照明產(chǎn)品被明確列入“重點(diǎn)領(lǐng)域及優(yōu)先主題”。 LED工礦燈作為工業(yè)照明的發(fā)展趨勢已經(jīng)得到普遍認(rèn)同，但目前市場上的產(chǎn)品研發(fā)過程中卻忽略了在高溫應(yīng)用環(huán)境下的特殊技術(shù)要求。文章討論了溫度變化可能引起LED器件的失效問題，并依據(jù)大量實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用數(shù)據(jù)，總結(jié)了LED工業(yè)照明裝置在高溫高濕運(yùn)行環(huán)境推廣應(yīng)用的特殊技術(shù)要求和設(shè)計(jì)指導(dǎo)意見，并提供了詳細(xì)的指導(dǎo)性規(guī)范準(zhǔn)則。

關(guān)鍵詞：LED工礦燈 照度

中圖分類號：TU7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2012）12（a）-0-02

LED（Light Emitting Diode，發(fā)光二級管）即半導(dǎo)體照明燈，誕生于20世紀(jì)60年代，它是一種基于半導(dǎo)體PN結(jié)形成的用微弱的電能就能發(fā)光的高效固態(tài)光源，在一定的正向偏置電壓和注入電流下，注入P區(qū)的空穴和注入N區(qū)的電子在擴(kuò)散至有源區(qū)后經(jīng)輻射復(fù)合而發(fā)出光子，將電能直接轉(zhuǎn)化為光能。它是一種固態(tài)冷光源，具有環(huán)保無污染、耗電少、光效高、壽命長等特點(diǎn)。由于冶金行業(yè)特殊的工作需要，環(huán)境非常復(fù)雜，因此對照明產(chǎn)品提出了更高的要求，尤其針對作業(yè)場所的高溫、高濕甚至粉塵，LED工礦燈在設(shè)計(jì)研發(fā)階段必須充分考慮。

1 溫度對LED的影響

（1）溫度過高會對LED造成永久性破壞，LED工作溫度超過芯片的承載溫度，將會使LED的發(fā)光效率快速降低，產(chǎn)生明顯的光衰，并造成損壞。LED多以透明環(huán)氧樹脂封裝，若結(jié)溫超過故相轉(zhuǎn)變溫度（通常為125 ℃），封裝材料會向橡膠狀轉(zhuǎn)變并且熱膨脹系數(shù)驟升，從而導(dǎo)致LED開路和實(shí)效。（2）溫度升高會縮短LED壽命。高溫條件下，LED芯片材料內(nèi)存在的缺陷快速繁衍，直至侵入發(fā)光區(qū)，形成大量的非輻射復(fù)合中心，嚴(yán)重降低LED發(fā)光效率；高溫時(shí)透明環(huán)氧樹脂會變性、發(fā)黃，影響透光性能；熒光粉在高溫下的衰減十分嚴(yán)重，是影響LED光衰的一個(gè)主要原因。（3）溫度升高降低LED發(fā)光效率。溫度升高，禁帶寬度減小，電子遷移率減小，內(nèi)量子效率降低，熒光粉量子效率降低，出光減小，硅膠熱折射率降低，都會直接導(dǎo)致LED發(fā)光效率的降低。（4）溫度對LED發(fā)光波長有非常大的影響，在溫度升高時(shí)，發(fā)光區(qū)材料的禁帶寬度將減小，導(dǎo)致期間發(fā)光波長變長，顏色發(fā)生紅移。

針對溫度對LED的影響，我們在LED工礦燈設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮以下因素

1.1 燈珠選擇上

（1）LED光效溫度系數(shù)K最好在0.002以下，這樣由溫度引起的LED光輸出降低才不會太大。例如InGaN類LED的K值約為0.0012，節(jié)溫125 ℃時(shí)光輸出相對結(jié)溫25 ℃是降低月11%。

（2）盡量選用低熱阻、高節(jié)溫的芯片。由于環(huán)境溫度和結(jié)溫的近線性關(guān)系，在實(shí)際使用過程中，視產(chǎn)品實(shí)際使用的最高環(huán)境溫度而定，也就是說，如果芯片節(jié)溫如果是125 ℃，而最高環(huán)境溫度為60 ℃，那么在室溫環(huán)境下（25 ℃），芯片溫度應(yīng)當(dāng)確保在125-35-10=80度以內(nèi)。（圖1）

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上

（1）燈具外殼的表面處理有電泳、電鍍、烤漆、噴漆多種，盡量采用金屬電鍍的方法，其散熱效果最佳。（2）芯片與散熱器的導(dǎo)熱材料盡量選用不易揮發(fā)的材質(zhì)，比如石墨導(dǎo)熱片。（3）內(nèi)部線纜、透鏡材質(zhì)等，選用耐高溫材質(zhì)。（4）隨著環(huán)境溫度的升高，產(chǎn)品外表面輻射換熱量逐漸增大，輻射換熱有所強(qiáng)化，輻射換熱量占熱源總熱量的比例逐漸增大，所以應(yīng)當(dāng)適度加大產(chǎn)品的外接觸面積。（5）從煙囪效應(yīng)來看，對流散熱的效果較之輻射散熱來得更快，所以在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上應(yīng)當(dāng)優(yōu)先考慮LED工礦燈的整體通透性。

1.3 電源搭配上

（1）環(huán)境溫度變化時(shí)，LED的正向壓降If也會隨之變化，大約-2 mV/ ℃左右，而If幾毫安的波動(dòng)，對LED壽命和光衰均會產(chǎn)生極大的影響，這在驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)著重考慮。（2）考慮到電源自身溫升及內(nèi)部器件的耐溫和壽命，在高溫高濕環(huán)境中，建議考慮電源外置。（3）由于溫度升高，電流也會隨之升高，電源應(yīng)當(dāng)采用分路恒流。（圖2）

筆者在2010年10月，針對唐山中厚板廠鑄造車間的照明設(shè)計(jì)中，通過建立熱仿真模型，進(jìn)行了大量的理論計(jì)算，繼而開發(fā)出對應(yīng)的產(chǎn)品并進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)際測量，采用LED工礦燈，不但可以解決冶金行業(yè)的照明，而且還能在其惡劣的環(huán)境下確保使用。（圖3）此款產(chǎn)品（專利號ZL201130147606.5）是200 W工礦燈，在燈傘設(shè)計(jì)上，參考了對流散熱原理，角度和高度都是經(jīng)過精確計(jì)算而來。散熱器中的散熱孔，兼顧了美學(xué)和流體學(xué)原理。燈具采用了5個(gè)40 W的發(fā)光模組（專利號ZL201130147605.0）組合而成，根據(jù)客戶實(shí)際情況，進(jìn)行了二次光學(xué)設(shè)計(jì)，匹配了最佳的透鏡，使照明效果達(dá)到最佳。針對唐山中厚板廠LED工礦燈的運(yùn)用，我們在方案實(shí)施后第二年，對實(shí)際使用效果進(jìn)行了比對：（環(huán)境溫度60 ℃、相對濕度80%、燈具高度16.5 m）（見表1）結(jié)果論證：LED工礦燈經(jīng)過近一年的使用后，照度衰減小于3%，損壞率小于0.2%，完全可以在高溫高濕的條件下正常工作。

2 結(jié)語

由實(shí)際結(jié)果來看，針對冶金行業(yè)的LED工礦燈，在高溫高濕的環(huán)境下使用效果良好。

目前困擾LED發(fā)展的因素主要是成本偏高，而隨著LED芯片技術(shù)的不斷提升，光效也會有很大的提升空間，LED芯片的單位成本也會顯著下降，進(jìn)而對LED整燈的成本有著直接的推動(dòng)作用。

從國內(nèi)外政府的政策導(dǎo)向來看，大型工礦企業(yè)的節(jié)能減排工作任重道遠(yuǎn)，我們相信在不遠(yuǎn)的將來，更加優(yōu)良的LED工礦燈必將引領(lǐng)工業(yè)照明的革命性潮流。

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