不同形狀LED燈溫度場的測定

李龍洲 李思雪

摘要：LED（發(fā)光二極管）的散熱是衡量其質(zhì)量與安全性的一個(gè)重要性能指標(biāo)。我們利用LR200D無紙記錄儀和熱電偶對不同LED燈周圍不同半徑和不同時(shí)間的溫度進(jìn)行測定與研究。結(jié)果表明，LED燈周圍半徑小于20cm時(shí)溫度場變化幅度比較大；燈具在啟用后8分鐘內(nèi)溫度變化明顯，之后趨于恒定值。研究結(jié)果對生產(chǎn)、生活中LED燈具的設(shè)計(jì)與使用提供一定的指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：LED燈；LR200D無紙記錄儀；溫度分布

1 LED燈的工作原理及分類

LED（light emitting diode），又稱發(fā)光二極管，是一種固態(tài)的半導(dǎo)體器件，它是可以直接把電轉(zhuǎn)化為光。它的心臟是一個(gè)半導(dǎo)體的晶片，LED燈。

晶片的一端附在一個(gè)支架上，一端是負(fù)極，另一端是連接電源的正極，讓整個(gè)晶片被環(huán)氧樹脂封裝起來。半導(dǎo)體晶片，它由兩部分組成。一部分是P型半導(dǎo)體，在里面空穴占主導(dǎo)地位，另一端是N型半導(dǎo)體，在這邊主要的是電子。但當(dāng)兩種半導(dǎo)體連接起來的時(shí)候，它們之間就形成了一個(gè)P-N結(jié)。當(dāng)電流通過導(dǎo)線，作用于這個(gè)晶片的時(shí)候，電子就會(huì)被推向P區(qū)，在P區(qū)里和空穴復(fù)合，然后以光子的形式發(fā)出能量，這就是LED發(fā)光的原理。

LED產(chǎn)品分類：

（1）根據(jù)形狀不同，可分為梨形、球形、圓柱形、橢圓形、圓形、方形、尖形、飛碟形等。

（2）根據(jù)發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)，可分為全環(huán)包封、金屬底座環(huán)氧封裝、陶瓷底座環(huán)氧封裝及玻璃封裝。

（3）根據(jù)發(fā)光管和工作電流，可分為普通亮度LED、高亮度LED和超高亮度LED。

（4）根據(jù)功率，可分為小功率LED、中功率LED、大功率LED。

（5）根據(jù)封裝形式，可分為SMD（貼片）和DIP（直插）。

（6）根據(jù)應(yīng)用，可分為家居LED照明燈具、商業(yè)LED照明燈具、工業(yè)LED照明燈具、LED道路照明燈具、LED景觀照明、特種LED照明燈具等。

2 測溫方案與數(shù)據(jù)采集

在本次實(shí)驗(yàn)中我們所用的測溫裝置是LR200D無紙記錄儀（如圖1-圖2所示）。此裝置是一種3英寸單色液晶顯示分辨率為320*200的高速高性能微處理器，它可以對測量現(xiàn)場的溫度、壓力、流量、電量等信號(hào)進(jìn)行測量、控制和記錄。因?yàn)長R200D系列無紙記錄儀可以自由組態(tài)輸入標(biāo)準(zhǔn)電壓、標(biāo)準(zhǔn)電流、熱電偶、熱電阻、頻率等信號(hào)，還可以通過U盤或通訊方式與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。所以我們在實(shí)驗(yàn)過程中主要通過控制其他變量測量不同LED燈周圍30cm內(nèi)的的溫度變化。之后導(dǎo)出數(shù)據(jù)制作相應(yīng)的溫度變化曲線圖。

2.1 LR200D無紙記錄儀簡介

無紙記錄儀主要由安裝支架、USB接口、按鍵、液晶顯示器、接線圖、銘牌、電源端子、信號(hào)輸入輸出端子構(gòu)成，如圖3。

無紙記錄儀是利用熱電偶導(dǎo)線連接（如圖4），在實(shí)驗(yàn)過程中按照使用說明準(zhǔn)確連接好線路，選好通道將不同電偶線的探頭置于不同的LED燈的指定位置進(jìn)行多次測量并記錄數(shù)據(jù)。使用過程中還應(yīng)該注意測量回路要和電源回路以及接地回路分開、在電源回路中設(shè)置空氣開關(guān)要將本表與總電源隔開，儀表電源有220VAC和24VDC兩種，第一種供電空氣開關(guān)規(guī)格為1A，第二種供電空氣開關(guān)規(guī)格為3A。

圖4 熱電偶導(dǎo)線

2.2 數(shù)據(jù)采集處理

RL200D無紙記錄儀利用高性能的微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理不僅可以在顯示屏上以多種畫面顯示出來，還可以把這些監(jiān)察信號(hào)的數(shù)據(jù)存放在儀表內(nèi)部的大量儲(chǔ)存芯片內(nèi)。因此我們在實(shí)驗(yàn)過程中一邊實(shí)驗(yàn)一邊記錄數(shù)據(jù)然后將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理觀察所顯示的畫面分析實(shí)驗(yàn)效果與結(jié)果。

3 不同LED周圍溫度分布測量及結(jié)果分析

3.1實(shí)驗(yàn)步驟

取一個(gè)大紙板，在紙板中心位置確定一個(gè)圓心，做出半徑不同的同心圓。待測燈具放置在圓心處；實(shí)驗(yàn)時(shí)根據(jù)要求將溫度傳感器的探頭分別放在半徑不同或者半徑相同的圓上；記錄不同時(shí)間間隔、不同半徑圓處的溫度值。測量封閉空間時(shí)，在大紙板的外側(cè)罩一個(gè)剛好將紙板蓋住的大的紙箱，將紙箱上面做成透明面并留一個(gè)手可以伸進(jìn)去的孔；實(shí)驗(yàn)時(shí)將溫度傳感器的探頭從孔伸進(jìn)去放在需要測量的圓上；記錄不同時(shí)間間隔、不同半徑圓處的溫度值；對記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及分析，得出結(jié)論。

3.2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

按照3.1的實(shí)驗(yàn)步驟，得到以下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

4.3根據(jù)測量的數(shù)據(jù)繪制函數(shù)圖

根據(jù)表2的數(shù)據(jù)，我們繪制出了LED燈周圍溫度r=5cm時(shí)溫度隨半徑的變化曲線圖。

從圖中可以看到，半徑為5cm 時(shí)LED燈在8分鐘內(nèi)溫度逐漸變化，當(dāng)時(shí)間超過3分鐘時(shí)，LED等周圍溫度變化明顯減小，超過8分鐘時(shí)，LED燈周圍的溫度趨于穩(wěn)定，這說明LED燈周圍的溫度場分布已經(jīng)趨于穩(wěn)定。

根據(jù)表4的數(shù)據(jù)，我們繪制出LED燈在t=10min時(shí)溫度隨半徑的變化曲線圖。

從圖中可以看出，在t=10min時(shí)，LED燈周圍溫度隨著半徑的增大而逐漸減小。當(dāng)距離大于20cm，溫度變化逐漸緩慢，最終趨于恒定值（該恒定值與實(shí)驗(yàn)時(shí)的環(huán)境溫度相同）。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果與日常經(jīng)驗(yàn)近似相同，即：距離燈具越遠(yuǎn)，溫度梯度變化越小，測量值越接近環(huán)境溫度。

同樣，對所得到的封閉空間的數(shù)據(jù)表5和表6繪制出如下曲線圖。

從圖中可以看到，封閉空間測量的溫度值高于不封閉空間的溫度測量值，但是當(dāng)時(shí)間超過3分鐘時(shí)，LED等周圍溫度變化明顯減小，超過8分鐘時(shí)，LED燈周圍的溫度趨于穩(wěn)定，周圍溫度隨著半徑的增大而逐漸減小。當(dāng)距離大于20cm，溫度變化逐漸緩慢，最終趨于恒定值（該恒定值與實(shí)驗(yàn)時(shí)的環(huán)境溫度相同），即：距離燈具越遠(yuǎn)，溫度梯度變化越小，測量值越接近環(huán)境溫度。與前面我們得到的結(jié)論相同。

5 結(jié)論

借助溫度傳感器和LR200D無紙記錄儀，我們對三種不同形狀的LED燈進(jìn)行了工作時(shí)間周圍溫度的測量和分析。分別研究了溫度隨時(shí)間的變化、溫度隨離燈半徑的變化、封閉環(huán)境對溫度的影響，并將不同類型的LED燈進(jìn)行對比，得到以下結(jié)論：①燈具正常工作時(shí)，溫度隨時(shí)間的增加非均勻上升，且增加的幅度逐漸減小，最終溫度于一恒定溫度附近小幅度波動(dòng)。②隨著離燈具距離的增加，周圍溫度逐漸下降，最終穩(wěn)定于一固定值附近，這一穩(wěn)定值十分接近環(huán)境溫度。③在燈具周圍半徑為20cm的區(qū)域內(nèi)，溫度的變化較為明顯，20cm到25cm的范圍內(nèi)溫度變化逐漸趨于穩(wěn)定，25cm以外的范圍內(nèi)溫度基本無明顯變化。④封閉環(huán)境下燈具周圍溫度明顯高于不封閉環(huán)境。⑤不同形狀的LED燈雖然在具體數(shù)值上存在差異，但以上規(guī)律是基本一致的。

綜合所得結(jié)論可以發(fā)現(xiàn)，LED燈的安全范圍基本為以25cm為半徑的區(qū)域，而且在使用過程中要盡量保證寬敞，避免封閉性強(qiáng)的環(huán)境。

參考文獻(xiàn)：

[1]王聲學(xué)，吳廣寧，蔣偉，邊珊珊，李生林.LED原理及其照明應(yīng)用[J].燈與照明，2006，30（4）：32-35

[2]張彩鳳.淺談LED在日常生活中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代制造，2010（36）：190-191

[3]陳浩，鄧中華，余紅梅.熱電偶測溫系統(tǒng)原理及應(yīng)用[J].制造自動(dòng)化，2004，26（9）：68-71

[4]馬天艷，馬天虹.熱電偶測溫及其冷端溫度補(bǔ)償[J].工業(yè)計(jì)量，2005，15（6）：31-32

[5]鄭世昌.溫度傳感器[J].軟件，2008（3）：44-47

[6]趙海蘭，趙祥偉.智能溫度傳感器DS18B20的原理與應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2003，26（4）：32-34

[7]宋川川.大功率LED燈芯溫度場測試研究[D].2014

[8]戴煒鋒，王珺，李越生.大功率LED封裝的溫度場和熱應(yīng)力分布的分析[J].半導(dǎo)體光電，2008，29（3）：324-328

基金資助：全國大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目資助：不同形狀 LED 燈溫度場的測定與模擬（201510723656）。