LED燈具在不同環(huán)境中的溫升特性研究

胡李敏，徐明仲，吳彬青，汪章婉，張 雷，夏 譽(yù)，洪梅娟，韓燕華，茹 斌，余岳陽(yáng)，舒 勇

(杭州華普永明光電股份有限公司，浙江杭州 310015)

引言

發(fā)光二極管(LED)作為新一代固態(tài)照明光源，早已成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)[1，2]。與白熾燈和熒光燈相比，LED具有光效高、壽命長(zhǎng)、響應(yīng)快、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于LED燈具，需要集成多個(gè)LED以滿足所需的照明需求。但是，LED的光電轉(zhuǎn)換效率不高，一般只有部分電能轉(zhuǎn)化為光輸出，其余都轉(zhuǎn)化為熱能。熱量會(huì)使LED照明產(chǎn)品的溫度上升，縮短LED的使用壽命[3，4]。因此，對(duì)于大功率的LED照明產(chǎn)品，其散熱問(wèn)題是關(guān)鍵。

熱量從LED芯片產(chǎn)生，通過(guò)熱輻射、熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流三種方式進(jìn)行傳遞。LED自身沒(méi)有紅外線、紫外線，因此沒(méi)有輻射散熱功能，主要通過(guò)傳導(dǎo)和對(duì)流兩種途徑。一般來(lái)說(shuō)，LED燈具設(shè)有散熱器，散熱器是散熱的主要媒介。LED產(chǎn)生的熱能傳導(dǎo)到散熱器的表面，散熱器吸收熱量后通過(guò)對(duì)流的方式將熱量散發(fā)掉。在對(duì)流散熱的過(guò)程中，散熱面積會(huì)影響散熱效果。因此，LED燈具的散熱器背面會(huì)設(shè)置散熱鰭片來(lái)增加散熱面積，提升散熱效果。但是，有些人認(rèn)為在散熱器背面設(shè)置鰭片很容易堆積灰塵，從而影響散熱效果，應(yīng)該在散熱鰭片上方設(shè)置密封蓋，防止灰塵堆積。對(duì)此，我們持不同的看法，認(rèn)為設(shè)置密封蓋對(duì)散熱的影響更大。以下重點(diǎn)研究灰塵堆積和密封蓋對(duì)LED燈具溫升的影響。

1 理論分析與實(shí)驗(yàn)裝置

1)散熱分析。LED芯片的散熱方式主要是傳導(dǎo)和對(duì)流[5，6]，結(jié)溫Tj是衡量LED散熱性能的重要指標(biāo)[7，8]。結(jié)溫的表達(dá)式為

Tj=Rja×Pd+Ta

(1)

其中，Pd為耗散的功率，Rja為L(zhǎng)ED 器件PN結(jié)與環(huán)境溫度的總熱阻，Tj、Ta分別為L(zhǎng)ED 器件PN結(jié)的結(jié)點(diǎn)溫度和器件周?chē)沫h(huán)境溫度，式 (1) 表明，在同樣大小的功率下，芯片結(jié)溫升溫越小，LED產(chǎn)品的性能越好。

2)熱阻。熱阻指的是當(dāng)有熱量在物體上傳輸時(shí)，在物體兩端溫度差與熱源的功率之間的比值[9，10]。當(dāng)熱量流過(guò)兩個(gè)相接觸的固體的交界面時(shí)，界面本身對(duì)熱流呈現(xiàn)出明顯的熱阻，稱(chēng)為接觸熱阻。LED燈具的熱傳導(dǎo)路徑為：LED→PCB板→散熱器→空氣/環(huán)境，每個(gè)環(huán)節(jié)都存在熱阻，熱阻越大，傳遞到下一物質(zhì)的熱量越少，散熱效果就越差。

沙塵堆積和密封蓋相當(dāng)于熱傳導(dǎo)的途徑不同，從而導(dǎo)致熱阻不同，從原來(lái)的“散熱器→空氣”分別變成了“散熱器→沙塵→空氣”和“散熱器→空氣→密封蓋→空氣”。而沙子的導(dǎo)熱系數(shù)要比空氣的導(dǎo)熱系數(shù)高10倍左右，所以沙塵的熱阻更小，散熱效果更好。

3)實(shí)驗(yàn)裝置。圖1是LED燈具溫升測(cè)試的實(shí)驗(yàn)裝置圖，我們定制了一個(gè)整板式LED燈具作為實(shí)驗(yàn)樣品，整板式LED燈具的散熱器為一體化結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)×寬×高=275 mm×280 mm×39.5 mm，實(shí)驗(yàn)樣品分別選取6個(gè)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行溫升測(cè)試，并通過(guò)引線連接到數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并記錄平均值。測(cè)試時(shí)，首先將樣品發(fā)光模塊點(diǎn)亮，記錄測(cè)試點(diǎn)的初始溫度；經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后模塊達(dá)到熱穩(wěn)定(即各測(cè)試點(diǎn)的溫度變化小于1 ℃/h)后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。環(huán)境溫度設(shè)定在10～30 ℃，變化不超過(guò)±1 ℃。

圖1 LED燈具溫升測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.1 Diagram of the temperature rise testing of LED lighting fixture

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 LED燈具在無(wú)蓋無(wú)塵條件下的溫升特性

圖2是LED燈具在無(wú)蓋無(wú)塵時(shí)的測(cè)試圖，分別測(cè)試了160 W、200 W、240 W三種功率的LED燈具溫升變化。取每種功率下6個(gè)測(cè)試點(diǎn)的平均值進(jìn)行比較，圖3是不同功率下LED燈具在無(wú)蓋無(wú)塵條件下溫升的平均值對(duì)比圖?？梢钥闯?，160 W、200 W、240 W在無(wú)蓋無(wú)塵條件下的溫升分別為44.32 ℃、52.76 ℃、61.36 ℃，LED燈具的功率越大，溫升越高。

圖2 LED燈具在無(wú)蓋無(wú)塵時(shí)的溫升測(cè)試圖Fig.2 Diagram of temperature rise testing of LED lighting fixture without cover and dust

圖3 不同功率下LED燈具在無(wú)蓋無(wú)塵條件下溫升的平均值對(duì)比圖Fig.3 The average temperature rise of LED lighting fixture under different powers without cover and dust

圖4 LED燈具在有蓋無(wú)塵時(shí)的溫升測(cè)試圖Fig.4 Diagram of temperature rise testing of LED lighting fixture with cover and no dust

2.2 LED燈具在有蓋無(wú)塵條件下的溫升特性

圖4是LED燈具在有蓋無(wú)塵時(shí)的溫升測(cè)試圖，同樣地，測(cè)試了160 W、200 W、240 W三種功率下LED燈具6個(gè)測(cè)試點(diǎn)的溫升變化。圖5是不同功率下LED燈具在有蓋無(wú)塵條件下溫升的平均值對(duì)比圖。可以看出，LED燈具的溫升平均值相比無(wú)蓋無(wú)塵條件下的溫升均有明顯上升，分別增加了42.41 ℃、50.91 ℃、61.05 ℃。這是由于散熱器的熱量傳導(dǎo)到空氣之前增加了熱阻。散熱器的熱量會(huì)散發(fā)到密封蓋與散熱器之間的空氣中，但是這部分空氣沒(méi)有流動(dòng)性，無(wú)法與外部空氣交換，所以該部分熱量仍要通過(guò)密封蓋傳導(dǎo)到外部環(huán)境中，從而進(jìn)行散熱。因此，在LED燈具上設(shè)置密封蓋使得燈具的散熱效果變差。

圖5 不同功率下LED燈具在有蓋無(wú)塵條件下溫升的平均值對(duì)比圖Fig.5 The average temperature rise of LED lighting fixture under different powers with cover and no dust

2.3 LED燈具在無(wú)蓋有塵條件下的溫升特性

戶外燈具散熱還需要考慮外部環(huán)境對(duì)其的影響，例如長(zhǎng)期使用，會(huì)有灰塵等，相對(duì)于有密封蓋的LED燈具，無(wú)密封蓋的LED燈具背面的散熱鰭片確實(shí)更容易堆積灰塵。本實(shí)驗(yàn)中，在燈具散熱器背部填滿沙塵來(lái)模擬散熱鰭片堆積滿灰塵的極端狀態(tài)。圖6是LED燈具在無(wú)蓋有塵時(shí)的溫升測(cè)試圖。同樣地，測(cè)試了160 W、200 W、240 W三種功率下LED燈具6個(gè)測(cè)試點(diǎn)的溫升變化。圖7是不同功率下LED燈具在無(wú)蓋有塵條件下溫升的平均值對(duì)比圖?？梢钥闯觯琇ED燈具的溫升平均值相比無(wú)蓋無(wú)塵條件下的溫升也有明顯上升，分別增加了15.8 ℃、20.39 ℃、24.06 ℃。這是由于沙塵覆蓋在散熱器的表面，散熱器的熱量無(wú)法直接傳遞到空氣中，熱量需要通過(guò)沙塵再傳遞到空氣中，沙塵使得散熱的熱阻增加了，散熱效果變差。

圖6 LED燈具在無(wú)蓋有塵時(shí)的溫升測(cè)試圖Fig.6 Diagram of temperature rise testing of LED lighting fixture with dust and no cover

圖7 樣品被沙塵覆蓋在不同功率下溫升平均值對(duì)比圖Fig.7 The average temperature rise of LED lighting fixture under different powers with cover and no dust

2.4 密封蓋和沙塵對(duì)LED燈具溫升影響的比較

從圖5和圖7可知，密封蓋和沙塵均會(huì)影響LED燈具散熱。圖8是LED燈具在不同功率不同條件下溫升數(shù)據(jù)對(duì)比圖?？芍煌β氏翷ED燈具的溫升相比于無(wú)蓋無(wú)塵環(huán)境，在有蓋無(wú)塵時(shí)增加的溫升是無(wú)蓋有塵時(shí)增加的溫升的2.5倍。比較來(lái)看，密封蓋比沙塵對(duì)燈具散熱的影響更大。因?yàn)槊芊馍w和沙塵對(duì)燈具散熱來(lái)講均增加了熱阻，散熱器無(wú)法和外部環(huán)境的空氣直接接觸散熱。而沙子的導(dǎo)熱系數(shù)要比空氣的導(dǎo)熱系數(shù)要高10倍左右，所以雖然散熱器表面堆滿了沙，仍然可以將大部分熱量傳給沙子再傳遞到外部環(huán)境中；而有密封蓋時(shí)，散熱器只能把小部分熱量傳給蓋子內(nèi)部的空氣然后再通過(guò)密封蓋傳遞到外部空氣中，散熱效果更差。

圖8 LED燈具在不同功率不同條件下溫升數(shù)據(jù)對(duì)比圖Fig.8 The diagram of the temperature rise of LED lighting fixture under different powers and conditions

3 結(jié)論

本文主要研究了LED燈具在不同條件下的溫升特性，在LED燈具散熱器背部設(shè)置密封蓋以及堆積沙塵來(lái)模擬不同環(huán)境，通過(guò)比較溫升的大小，了解不同環(huán)境對(duì)LED燈具散熱的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)置密封蓋時(shí)的LED溫升比沙塵堆積時(shí)的LED溫升高很多，相比于無(wú)蓋無(wú)塵的環(huán)境，在有蓋無(wú)塵時(shí)增加的溫升是無(wú)蓋有塵時(shí)增加的溫升的2.5倍，密封蓋比沙塵對(duì)燈具散熱的影響更大。因此，LED燈具背部設(shè)置散熱鰭片并不需要擔(dān)心堆積灰塵會(huì)影響散熱，實(shí)際的環(huán)境下灰塵也不可能將散熱鰭片堆滿，所以灰塵對(duì)LED燈具散熱的影響是較小的。本文建議在實(shí)際生產(chǎn)中，LED燈具不要設(shè)置密封蓋，并且在燈具上可以多開(kāi)設(shè)散熱孔增加空氣對(duì)流，提升散熱效果。