LED燈條及燈珠散熱性能研究與提升策略

摘要：隨著LED技術(shù)的廣泛應(yīng)用，熱管理問(wèn)題引起了廣大研究者的關(guān)注。基于此，本文主要分析LED燈條和燈珠的工作原理及其散熱問(wèn)題，其次通過(guò)實(shí)驗(yàn)探討不同散熱設(shè)計(jì)對(duì)LED性能的影響，最后提出技術(shù)改進(jìn)策略，旨在提高LED產(chǎn)品的散熱效率，延長(zhǎng)壽命，降低能耗，以供參考。

關(guān)鍵詞：LED散熱性能；石墨烯散熱材料；LED燈條；LED燈珠；能耗優(yōu)化

DOI：10.12433/zgkjtz.20232830

發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED）是一種將電能轉(zhuǎn)化為光能的固態(tài)半導(dǎo)體設(shè)備，工作原理是利用PN結(jié)的電子與空穴復(fù)合發(fā)光的特性，具有體積小、壽命長(zhǎng)、能耗低、耐震性強(qiáng)以及響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，因此，在各種照明設(shè)備、顯示屏幕和電子設(shè)備等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

然而，LED在工作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量熱量，如果不能有效地導(dǎo)出這些熱量，LED的工作溫度將升高，不僅會(huì)影響LED的發(fā)光效率和顏色穩(wěn)定性，還可能縮短LED的使用壽命。因此，如何設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)有效的LED散熱系統(tǒng)是LED照明技術(shù)研究中的重要問(wèn)題。本文將通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方式，探討LED的散熱問(wèn)題，并對(duì)比分析不同散熱設(shè)計(jì)對(duì)LED性能的影響，旨在為L(zhǎng)ED照明設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造提供理論支持和實(shí)踐指南。

一、LED燈條和燈珠的工作原理

（一）LED散熱問(wèn)題的重要性

盡管LED以高效率、壽命長(zhǎng)和體積小等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用，但在工作過(guò)程中產(chǎn)生的大量熱量是個(gè)不容忽視的問(wèn)題。當(dāng)電流通過(guò)LED時(shí)，雖然大部分電能會(huì)轉(zhuǎn)化為光能，但也有相當(dāng)一部分能量會(huì)轉(zhuǎn)化為熱能，這是由于在能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中，存在一定比例的能量損耗。如果不能有效散發(fā)這些熱量，就會(huì)在LED燈珠或燈條內(nèi)部累積，導(dǎo)致工作溫度逐漸升高，影響LED的性能。首先，高溫會(huì)直接導(dǎo)致LED的發(fā)光效率下降。當(dāng)LED的溫度升高時(shí)，會(huì)增加內(nèi)部半導(dǎo)體材料的帶隙寬度，降低發(fā)光效率。其次，加速LED內(nèi)部材料的老化，縮短LED的使用壽命。最后，導(dǎo)致LED發(fā)生熱衰退現(xiàn)象，使LED的光輸出急劇下降，影響其使用性能。因此，有效的散熱對(duì)于保障LED性能和壽命至關(guān)重要。深入研究LED的散熱性能，提出有效的提升策略，可以有效控制LED的工作溫度，確保穩(wěn)定性和壽命，也能提高能源效率。理解并解決LED的散熱問(wèn)題，對(duì)于LED的生產(chǎn)商和使用者而言，不僅是提高LED性能、延長(zhǎng)使用壽命的重要途徑，也是實(shí)現(xiàn)綠色照明、降低能源消耗和保護(hù)環(huán)境的關(guān)鍵。此外，隨著LED技術(shù)在照明領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，解決散熱問(wèn)題不僅對(duì)保障產(chǎn)品質(zhì)量、提升用戶(hù)體驗(yàn)具有重要作用，還有利于推動(dòng)LED技術(shù)持續(xù)進(jìn)步和發(fā)展。

（二）LED的基本工作原理

發(fā)光二極管（LED）是一種特殊的半導(dǎo)體器件，工作原理基于半導(dǎo)體物理的核心理論。在了解LED工作原理之前，需要先理解PN結(jié)和電子空穴復(fù)合的概念。在半導(dǎo)體中，N型材料和P型材料是兩種基本的半導(dǎo)體。N型半導(dǎo)體有多余的自由電子，而P型半導(dǎo)體有空缺電子的位置，稱(chēng)為“空穴”。當(dāng)N型和P型半導(dǎo)體連接在一起時(shí)，會(huì)形成一個(gè)PN結(jié)。在LED中，當(dāng)通過(guò)電流驅(qū)動(dòng)時(shí)，電子會(huì)從N型半導(dǎo)體區(qū)域通過(guò)PN結(jié)進(jìn)入P型半導(dǎo)體區(qū)域。在P型區(qū)域，電子會(huì)找到空穴并與之復(fù)合。在復(fù)合過(guò)程中，電子從較高的能級(jí)躍遷到較低能級(jí)，差額的能量以光子的形式被釋放，從而產(chǎn)生光，這就是LED發(fā)光的基本原理。復(fù)合發(fā)光的過(guò)程是在微觀的量子力學(xué)層面發(fā)生的。具體的光子能量即發(fā)出的光的顏色取決于半導(dǎo)體材料的能帶差，也就是電子在復(fù)合時(shí)從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)釋放出的能量。

（三）LED燈條和燈珠的設(shè)計(jì)和使用

LED燈條是一種常見(jiàn)的照明設(shè)備，廣泛應(yīng)用于家庭、商業(yè)、廣告和舞臺(tái)等多個(gè)領(lǐng)域。它的基本構(gòu)造是由多個(gè)LED燈珠通過(guò)電路板串聯(lián)或并聯(lián)連接在一起，形成一條燈帶。通常情況下，燈珠被均勻地布置在燈帶上，通過(guò)電源驅(qū)動(dòng)，可以提供連續(xù)、均勻的照明。在LED燈條中，每個(gè)燈珠都是一個(gè)單獨(dú)的光源，都有自身的散熱需求。每個(gè)燈珠在工作時(shí)都會(huì)產(chǎn)生熱量，如果不進(jìn)行有效散熱，會(huì)使燈珠的溫度升高，影響性能和壽命，因此，需要重視每個(gè)燈珠的散熱。然而，僅關(guān)注單個(gè)燈珠的散熱是不夠的，在燈條設(shè)計(jì)中，所有燈珠的散熱都需要作為一個(gè)整體考慮。所有燈珠的熱量會(huì)集中在燈條上，如果沒(méi)有有效的散熱設(shè)計(jì)，會(huì)導(dǎo)致燈條的整體溫度升高，影響燈條的性能和壽命。因此，需要考慮整體的散熱問(wèn)題，包括燈珠布局、燈條材料選擇、散熱設(shè)備設(shè)計(jì)等。

二、LED散熱問(wèn)題的影響

（一）散熱對(duì)LED性能的影響

LED的發(fā)光效率與工作溫度密切相關(guān)。研究表明，當(dāng)LED的工作溫度升高，發(fā)光效率會(huì)下降。這是因?yàn)楦邷貢?huì)增加LED內(nèi)部的非輻射復(fù)合，即電子與空穴的復(fù)合不再產(chǎn)生光，而是轉(zhuǎn)化為熱能，從而降低LED的發(fā)光效率。此外，LED的顏色穩(wěn)定性也受到工作溫度的影響。當(dāng)LED的工作溫度升高，光的波長(zhǎng)會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致顏色發(fā)生漂移，對(duì)于需要精確色控的照明應(yīng)用（如舞臺(tái)照明、電影拍攝等）而言是不能接受的。

實(shí)驗(yàn)中，使用同一款型號(hào)的LED燈珠，控制其工作在不同溫度下，并測(cè)量發(fā)光效率和顏色。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下表所示：

環(huán)境溫度會(huì)影響LED燈珠發(fā)光效率、色溫和發(fā)光波長(zhǎng)。由上表可知，隨著環(huán)境溫度的升高，LED燈珠的發(fā)光效率逐漸下降，色溫和發(fā)光波長(zhǎng)逐漸升高，說(shuō)明LED的工作溫度對(duì)發(fā)光性能具有顯著影響。這也強(qiáng)調(diào)了LED散熱管理的重要性。

（二）散熱對(duì)LED壽命的影響

對(duì)LED的壽命來(lái)說(shuō)，散熱是一個(gè)至關(guān)重要的因素。LED是一個(gè)微小的半導(dǎo)體元件，散熱面積有限，如果不能有效散發(fā)產(chǎn)生的熱量，LED的工作溫度將會(huì)迅速升高，影響半導(dǎo)體材料的性能以及LED的光學(xué)性能和電學(xué)性能。首先，溫度升高會(huì)導(dǎo)致LED的發(fā)光效率下降。當(dāng)溫度升高時(shí)，半導(dǎo)體的帶隙寬度會(huì)變小，導(dǎo)致發(fā)光效率下降，這也是高溫下工作的LED比在低溫下LED暗的原因。其次，會(huì)縮短LED的使用壽命。半導(dǎo)體材料在高溫下會(huì)加速老化，導(dǎo)致LED光衰加快，這也是高溫環(huán)境下LED壽命短于低溫環(huán)境下LED壽命的原因。因此，為了確保LED的性能和壽命，必須對(duì)LED進(jìn)行有效散熱，通過(guò)合理的散熱設(shè)計(jì)和散熱材料的選擇，提高LED的散熱性能，降低工作溫度。

（三）散熱對(duì)能耗的影響

散熱對(duì)LED的能耗也有重大影響。過(guò)高的工作溫度不僅會(huì)降低LED的發(fā)光效率，還會(huì)增加能耗，降低能源效率。對(duì)此，需要關(guān)注前向電壓和驅(qū)動(dòng)電流兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。首先，隨著溫度的升高，半導(dǎo)體的帶隙能（Bandgap Energy）會(huì)減小，導(dǎo)致前向電壓（Forward Voltage）降低，這就意味著在相同的電流下，LED將消耗更多的電能。其次，溫度的升高會(huì)使得半導(dǎo)體的載流子濃度增大，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電流（Drive Current）增大。在恒定電源電壓的情況下，會(huì)消耗更多的電能。

三、LED散熱性能的實(shí)驗(yàn)研究

（一）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)旨在通過(guò)比較不同散熱設(shè)計(jì)對(duì)LED性能的影響，尋找最佳的散熱策略。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)分為無(wú)散熱設(shè)計(jì)、傳統(tǒng)散熱設(shè)計(jì)和優(yōu)化散熱設(shè)計(jì)三個(gè)階段。

（1）無(wú)散熱設(shè)計(jì)：使用標(biāo)準(zhǔn)的LED燈條，沒(méi)有任何特殊的散熱設(shè)計(jì)，可以作為對(duì)照組，了解沒(méi)有散熱措施時(shí)LED的性能。

（2）傳統(tǒng)散熱設(shè)計(jì)：使用一種帶有基本散熱設(shè)計(jì)的LED燈條。用鋁制作，因?yàn)殇X是常用的散熱片材料，具有良好的導(dǎo)熱性能，相對(duì)便宜。把散熱片設(shè)計(jì)成類(lèi)似小型的“鰭片”，增加散熱表面積，提高散熱效率。將這種設(shè)計(jì)作為實(shí)驗(yàn)組，了解傳統(tǒng)散熱措施對(duì)LED性能的影響。

（3）優(yōu)化散熱設(shè)計(jì)：使用一種優(yōu)化的散熱設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)使用新型材料石墨烯，將石墨烯片剪裁成適合LED燈珠的尺寸，使用導(dǎo)熱膠將石墨烯片粘貼到LED燈珠的背面，再將整個(gè)LED燈條安裝在石墨烯散熱片上。將這種設(shè)計(jì)作為實(shí)驗(yàn)組，了解優(yōu)化散熱措施對(duì)LED性能的影響。

每個(gè)階段都分別測(cè)量LED的發(fā)光效率、色溫、壽命以及能耗。使用熱成像技術(shù)直觀顯示LED的溫度分布，以此理解不同散熱設(shè)計(jì)的效果，找到更好的LED散熱策略，提高LED的性能并延長(zhǎng)壽命。

（二）實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

如下表所示：

在實(shí)驗(yàn)中，使用熱成像技術(shù)獲取LED在不同階段的溫度分布圖。從熱成像圖中，可以清晰看到散熱設(shè)計(jì)對(duì)LED溫度分布的影響。無(wú)散熱設(shè)計(jì)的LED表面溫度分布不均，有一些明顯的熱點(diǎn)。而在傳統(tǒng)散熱設(shè)計(jì)和優(yōu)化散熱設(shè)計(jì)中，LED的表面溫度分布更均勻，沒(méi)有明顯的熱點(diǎn)。結(jié)果如下表所示：

通過(guò)對(duì)比無(wú)散熱設(shè)計(jì)、傳統(tǒng)散熱設(shè)計(jì)和優(yōu)化散熱設(shè)計(jì)的LED性能數(shù)據(jù)，可以得出以下結(jié)論：散熱設(shè)計(jì)對(duì)LED性能具有顯著影響。在無(wú)散熱設(shè)計(jì)的情況下，LED的發(fā)光效率較低、色溫較高、壽命較短、能耗較大。而在有散熱設(shè)計(jì)的情況下，LED的性能指標(biāo)將有所改善。優(yōu)化散熱設(shè)計(jì)的效果較好，比較傳統(tǒng)散熱設(shè)計(jì)和優(yōu)化散熱設(shè)計(jì)而言，優(yōu)化散熱設(shè)計(jì)可以進(jìn)一步提高LED的發(fā)光效率，降低色溫，延長(zhǎng)壽命，降低能耗，說(shuō)明使用新型材料（例如，石墨烯）可以進(jìn)一步提高LED的散熱性能。這一實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了優(yōu)化散熱設(shè)計(jì)可以有效提高LED的性能并延長(zhǎng)壽命。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)盡可能使用優(yōu)化散熱設(shè)計(jì)，提高LED的性?xún)r(jià)比和可靠性。

四、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，散熱設(shè)計(jì)對(duì)LED燈條和燈珠的性能產(chǎn)生了顯著影響。無(wú)散熱設(shè)計(jì)的LED在使用過(guò)程中出現(xiàn)了顯著的性能下降，主要表現(xiàn)為發(fā)光效率降低、色溫和波長(zhǎng)發(fā)生漂移、壽命縮短以及能耗增加。傳統(tǒng)的散熱設(shè)計(jì)通過(guò)使用鋁散熱片，在一定程度上改善了LED的性能，但仍存在一些問(wèn)題。例如，散熱效率不足以保持LED在高光輸出時(shí)的穩(wěn)定性，尤其在連續(xù)使用中，熱量累積可能會(huì)導(dǎo)致LED的性能下降。然而，本研究中的優(yōu)化散熱設(shè)計(jì)利用新型材料石墨烯，使得LED在持續(xù)工作過(guò)程中能保持更穩(wěn)定的發(fā)光效率和色溫。因此，新型的散熱材料和設(shè)計(jì)方法對(duì)提升LED的性能和穩(wěn)定性具有重要作用。未來(lái)的研究應(yīng)更深入地探索和優(yōu)化LED的散熱設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)更高效、更穩(wěn)定、更環(huán)保的LED照明系統(tǒng)。同時(shí)，研究者和設(shè)計(jì)師也要考慮到實(shí)際應(yīng)用中的成本和可行性，推動(dòng)新型散熱技術(shù)廣泛應(yīng)用。

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作者簡(jiǎn)介：顧美娟（1980），女，江蘇省蘇州市人，本科，從事LED技術(shù)研發(fā)工作。