文档介绍：LED道路照明光源的散热与配光应用
作者:福建嘉能光电魏青
一、立项的背景和意义
LED(Light Emitting Diode,称发光二极管),属于固态光源。LED的应用已有较悠久的历史,以前主要应用在各种电子设备的指示灯、大屏幕显示器、信号灯和液晶屏幕背光源等领域。近些年来,随着GaP、GaN系Ⅲ-V族化合物半导体的结晶成长工艺技术及纳米技术的进步,LED的光效和大功率集成技术都有了很大的提高,LED已经开始在照明领域里初步应用,出现了LED路灯、LED矿灯、LED应急灯、LED车灯、LED景观灯等多种以大功率LED为光源的照明灯具。
LED发光原理为固体发光,按固体发光物理学原理,LED的光谱几乎全部集中于可见光频段,所以发光效率高达90%以上,因此,LED被誉为21世纪新光源,即将成为继白炽灯、荧光灯、高强度气体放电灯之后的第四代光源,被公认为当前十大前沿技术之一, LED光源这种新型照明光源必将会取代传统照明光源,正带动着一场新的产业革命---照明革命。
二、当前国内外同类研究(技术)概况
近几年,随着LED的发光效率增长100倍,成本下降10倍,其在照明领域的发展前景,吸引全球照明大厂家都先后加入LED光源及市场开发中。美、日、欧及中国台湾省均推出了半导体照明计划。
我国2001年863计划立项,2003年紧急启动了“国家半导体照明工程”。从2006年的“十一五”开始,国家将把半导体照明工程作为一个重大工程进行推动。当前,我国经济快速增长,能源紧张的矛盾日益显现,我国照明所消耗的电能约占电力总消耗量的1/6,因此提高照明产品的能效水平,无疑将较大幅度降低能源消耗,有效缓解目前我国电力供应紧张的局面。国家将贯彻节能优先政策,并将“照明器具”列入节能重点领域,在“十一五”期间,大力推进绿色节能照明工程,LED路灯就是LED技术的重要节能应用。
日前,由多名留美归国博士创建的中微光电子(潍坊)有限公司研制成功100瓦大功率半导体发光二极管路灯照明系统,现已应用于潍坊高新技术创业园,其照明范围和亮度完全达到国家道路照明标准,寿命是传统路灯的10~20倍,耗电量却不到传统路灯的20%。
三、本课题研究的内容
我国虽有多家企业开发生产LED城市照明路灯,但很多是用小功率LED阵列作发光体,散热问题解决了,所用LED数量要很多,小功率LED光衰强,安装成本高;城市照明LED路灯采用大功率LED是发展的趋势,少数用大功率LED作发光体的路灯产品由于没有很好地解决功率达到一定量时,LED的散热问题;LED的散光和聚光控制问题;路灯在路面照射面的照度范围、型态和照度的均衡问题;光电转换效率太低,每瓦只有几个流明等问题。
因此产品性能还不尽如人意;高性能的产品价位又居高不下,难以推广普及。
四、研究的技术路线和方法
(一)光源的选择:
光源比较:传统照明光源主要有3大类:白炽灯、荧光灯和稀有气体放电灯。与这些光源相比,LED光源光效比较高,使用寿命长,采用安全电压供电,不含有毒重金属,,使用寿命长,采用安全电压供电,不含有毒重金属,显色指数高,而且属于新型光源,发展潜力巨大,是未来传统光源理想的替代品。表1为几种照明光源的性能比较。
表1 几种照明光源的性能指标
测试项目
白炽灯
 荧光灯
高压汞灯
 高压钠灯
LED
发光效率/(1m-w )
16
 70
50
 100
 50
寿命/kh
 2
 8~10
 6 ~ 2O
 24
 5O
显色指数
 95
 75
 45
 23
 85
成本/(8 -(klm) )
 
 5
 5
 2O
驱动电路
 简单
 中
 复杂
 复杂
 中
 
价格低
价格低
 价格高
 价格高
 价格低
安全性
一般
一般
 差
 差
 高
可靠性
差
 差
 一般
一般
 高
亮度可调性
好
 差
 好
好
好
方向性
差
 差
 差
 差
 好
环保性
一般
汞污染
汞污染
 汞污染
好
注:白炽灯发光效率为3O w的数据
散热是LED路灯要重点解决的问题。LED是冷光源,不象白炽灯那样产生灼热的高温,但是,LED本身耐温能力比较差,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,保证芯片工作在安全的温度环境下,这样LED灯才能真正的体现出长寿命的优势。
LED的管芯和涂覆的荧光粉都是在几百度的高温条件下生产出来的,本身有一定的耐温能力。但是,LED的外壳和管芯之间存在热阻,这个热阻使LED在使用时外壳和管芯之间出现温差,管芯的温度会高于