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    基于大功率LED燈的配光與散熱技術研究

    2014-6-20 10:11:06??????點擊:
     1 背景

      半導體器件的發光現象從原理上來說可以大致分為三種:光致發光,電致發光,陰極射線發光,其中第一種發光形式是當一定數量的光線照射到半導體上面的時候,半導體本身的電子和空穴吸收了光的能量而發光的現象。第二種發光形式是當在半導體器件上施加正向電壓的時候,電子和空穴由于得到了能量而運動,進而激發了發光現象。


      陰極射線發光是當某些射線照射到半導體上面的時候,半導體的載流子吸收了能量,進而產生復合發光的發光現象。


      LED本身也屬于半導體器件,LED的自發性發光是由于電子和空穴之間的復合運動而產生的。它的發光原理是基于電致發光的發光原理,而沒有采用與傳統光源諸如白熾燈,節能燈等相似的發光原理。LED最重要的部分是P-N結-個由N型半導體和P型半導體組成,并且在P型半導體和N型半導體之間形成一層薄薄的真空耗盡層。P-N結的發光過程大體上可以分為三個過程:其處于正向電壓下的載流子注入,復合輻射的方式,光能傳輸。體積非常小的半導體晶體全部被封裝在干凈的環氧樹脂之中,當其中的電子途徑晶片的時候,電子游離到空穴區并和它們復合,此時,空穴和電子同時消失并出現光子。電子與空穴由于復合運動產生的光子的能量與電子和空穴二者本身是成正比的。然而復合運動所產生的光子的能量同時又是和光子所產生的光的顏色是一一對應的,一般來講,在可見光的頻譜范圍之內,不同頻率的光譜所攜帶的能量是不同的。紫色光,藍色光所帶有的能量在通常的情況下是最多的,而紅色光,桔色光所帶有的能量往往是最少的。正是由于不同的材料之間帶隙的差別,才造成了不同的材料可以發出不同顏色的光的現象。


      2 大功率LED照明燈具成像光學


      LED作為一種新型的固態冷光源,具有體積小,壽命長,發光效率高,節能環保等優點。大功率LED照明具廣闊的市場前景引發了對于LED應用的研究高潮,特別是在大功率照明應用方面,但是由于LED芯片發出的光呈Lambertian分布,這樣的光場分布如果不經過二次光學設計而直接應用到實際的大功率照明中應用的話,將會造成嚴重的光浪費,LED二次光學設計問題成了限制LED在照明應用方面進一步推廣的主要問題。傳統的照明設計方法不能進行錯誤預估的缺點,采用了將非成像光學理論,照明設計軟件和計算機編程相結合的方法來進行大功率LED照明燈具的二次光學設計,根據非成像光學中經典的光學擴展度守恒以及邊緣光線原理,得到透鏡的曲面方程,然后利用Matlab編程計算出自由曲面透鏡的離散點,進行三維建模,并在Tracepro中進行仿真驗證了設計的正確性。而LED的基本封裝結構是將一塊結構是電致發光的半導體模塊封裝在環氧樹脂之中,通過引腳作為正負電極起到支撐的作用,LED結構主要由支架,銀膠,晶片,金線,環氧樹脂五種物料組成,一個已經封裝好的大功率LED燈珠的結構如圖1所示:




      大功率LED照明燈具成像光學在成像光學設計中,光學系統是作為主要的成像工具,主要通過幾何光線的概念來研究光線傳播的規律,對于光線傳播中能量的傳遞產生的變化缺乏相應的研究,然而非成像光學則與成像光學是不同的,其從物理學的角度認為,光線在傳播的過程之中攜帶著相應的輻射能,那么光線傳播的方向也就是所對應的輻射能的傳播方向。因此,當從研究能量變化的角度出發,光學系統本身也是傳遞對應的輻射能量的介質,光線的傳播過程本身也就是是對應的能量的傳輸過程,非成像光學理論主要從這種能量傳播的規律的角度對整個光學系統進行研究。非成像光學理論應用的主要目的是研究整個照明系統,但是這個照明系統本身是對光線傳播過程中的光能的傳遞起到一種控制作用,而不是類似于成像光學理論中起到成像的作用,但是成像問題并不能被排除在非成像設計之外,非成像光學理論是主要是為了解決兩大類問題而產生的,一類是如何使所傳遞的能量最大化,另一類是如何在目標平面上得到符合照明要求的照度分布,此兩個問題在通用照明領域通常被稱作集光和照明。聚光器通??梢苑譃閮深?,一類稱為三維聚光器,另一類是二維聚光器,二維聚光器又可稱為線性聚光器,線性聚光器的匯聚比通常用橫斷面上的輸入與輸出尺寸的比值表示。對于二維聚光器和三維聚光器(具有軸對稱特性)來說,可以求得c的最大值,假設輸入和輸出媒介都有相同的折射率,當圓形光源在無窮遠處以iθ的發散角發射光線。當通過光學系統的時候,匯聚比的最大值maxC達到21/siniθ,當出射光的角度和出射面匯聚成像二次配光。光學擴展量具有一定的物理意義:光學擴展量可以用來評價光學元件對于整個光學系統的能量利用率的影響,也可以用來描述光束本身的特性,對于具體的光學元件而言,光學擴展量則代表了光學元件對于光束的收束能力,利用光學擴展量的概念,可以判斷出照明系統和成像系統的匹配程度。


      3 大功率LED照明燈具透鏡模型


      對于理想的光學系統而言,當不考慮反射,折射,散射等損失的情況下,則光束經過該光學系統之后光學擴展度守恒,在非成像光學設計之中,這是在設計過程之中需要考慮的一個非常重要的因素,要從兩個方面來講,對于光源來說,光學擴展度越小越好,然而對于光學元件來說,情況卻恰恰相反,光學擴展度對于光學元件而言應該是越大越好,當然光學擴展度也并不是越大越好的,因為隨著光學擴展度的增加并不一定能為整個光學系統帶來相同程度的能量效率的提高,反而會引起光學系統設計復雜度和生產成本的大幅度提升,因此當進行非成像光學系統設計的時候,應該合理的利用光學擴展度這個概念,控制光線的走勢,實現光學擴展度的守恒,以便獲得理想的光能利用率并且滿足照明均勻性指標的要求將該曲線繞旋轉一周即可得到透鏡實體模型,大功率LED照明燈具透鏡模型的外表面即為所求的自由曲面如圖2所示。




      4 大功率LED散熱器的設計


      大功率LED照明燈具的傳熱是物質在溫度差作用下所發生的熱量傳遞過程,無論在一個物體內部或者一些物體之間,只要存在溫差,熱量就將以某一種或某幾種方式自發地從高溫處傳向低溫處。熱量傳遞有三種基本方式:熱傳導(導熱)、熱對流、熱輻射與傳統光源相比,LED的突出特點是體積小、結構緊湊、方便嵌入各種燈具。作為光源的載體,燈具的散熱設計對LED發揮其優勢至關重要。若燈具的散熱效率設計較高,不但可以延長LED的使用壽命,還可以減輕燈具的重量,拓展其應用范圍。反之,則會影響LED優勢的發揮,甚至成為其應用的瓶頸。


      因此本章重點討論散熱器的設計。我們知道散熱方式通常有兩種:第一種是主動式散熱,即通過外加風扇、水冷或者熱管回路、微通道致冷、半導體致冷等強迫致冷的方法等來進行散熱,其特點是散熱效率高,散熱器體積小,結構緊湊。缺點是會增加額外的功耗,并且考慮到燈具有防護等級等要求,還會增加燈具設計的難度;第二種是被動式散熱,主要依靠空氣的自然對流,通過散熱片將熱源產生的熱量自然散發到空氣中,其散熱的效果與散熱片大小相關。這種方式結構簡單,但散熱效率比較低。對于照明系統來說,由于該散熱方式容易和燈具結構相結合,結構相對比較簡單,并且不需要額外的功耗,同時出于加工、材料成本,維護系數等方面的綜合考慮,所以使用被動散熱的整體成本相對較低。目前主流方向還是采取第二種方式,通過合理設計散熱器來最大限度的滿足照明系統的散熱要求,同時最大限度地節約成本。本公司銷售的一款大功率LED路燈散熱器進行具體的優化設計,該散熱器由兩個相同的模塊構成。大功率LED照明燈具的優化設計散熱器的外觀如圖3所示。




      5 總結


      大功率LED是近幾年來研究應用的熱點之一,尤其是大功率LED芯片出現以后,大功率LED應用于照明領域大有替代傳統照明的趨勢。目前LED仍然面臨驅動電源設計、配光設計和散熱設計方面的問題。本文針對朗伯型大功率白光LED進行了二次光學設計,分別設計實現均勻圓斑和均勻矩形斑的自由曲面透鏡。同時本文亦對大功率LED散熱進行了研究,闡述了運用ANSYS優化功能編寫程序對大功率LED平板散熱器的優化過程,并給出了一個具體產品的設計過程。

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