LED照明热设计毕业论文

第三章 热设计的理论基础

3.1 LED照明热的产生

与传统光源一样，LED在工作期间也会产生热量，其多少取决于整体的发光效率。在外加电能量作用下，电子和空穴的辐射复合发生电致发光，在PN结附近辐射出来的光需经过芯片本身的半导体介质和封装介质才能抵达外界（空气）。综合电流注入效率、辐射发光量子效率、芯片外部取出效率等，最终大概有50%-60%输入电能转化为光能，其余40%-50%的能量主要以非辐射复合发生的点阵振动的形式转化热能。

3.2 散热的基础理论

凡是有温差的地方就有热量的传递。热量传递的两个基本规律是：热量从高温区流向低温区；高温区发出的热量必定等于低温区吸收的热量——达到一种热平衡状态。 3.2.1 热传导

气体导热是由气体分子不规则运动时相互碰撞的结果。金属导体主要靠自由电子的运动来完成。非导电固体中的导热通过晶体结构的振动实现的。液体中的导热机理主要靠弹性波的作用。

热传导基本定理是傅里叶定理：在纯导热中，单位时间内通过给定面积的热流量，正比于该地垂直于导热方向的截面积及其温度变化率。

热传导的计算公式：

Φc=-λA(ɑt/ɑx)

o

式中：Φc——热流量，W；λ——导热系数，W/(m2 C)；A——导热方向上的截

2o

面面积，m；ɑt/ɑx——X方向的温度变化率，C/m；负号表示热量传递的方向与温度梯度的方向相反。

导热系数是表示物质导热能力的物理量。对于不同的物质，其导热系数各不相同，影响其数值大小的主要因素是物质的种类和温度等。一些常用材料的导热系数如表下表所示：

表2-5 材料名称 铝 铍 铍铜 导热系数k 51 177 106.3 材料名称 硅 氧化铝 氧化铍 导热系数k 146 11.8 118

黄铜 122 碳化硼 39.4 铜 394 金刚石 630 金 291 环氧树脂 0.197 铁 66.9 导热环氧树脂 0.787 柯伐合金 16.5 云母 0.709 铅 34.3 聚酯树脂薄膜 0.197 镁 157 酚醛塑料 0.197 钼 130 硅润滑油 0.197 蒙乃尔耐蚀合金 19.7 硅橡胶 0.197 银 417 聚四氟乙烯 0.197 锌 102 硅脂 0.197 锡 63 321不锈钢 14.6 钛 15.7 410不锈钢 24 钨 197 低碳钢 66.9 热传导的改善： ① 减小热传路径长度；

芯片封装外壳在保证电机性能前提下尽量薄； 导热膏或者导热垫尽量薄；

散热片的导热底尽量薄； ② 选用导热系数高的材料； ③ 增加导热面积

a) 散热片吸收底面积增加，芯片有效散热面积增大，纵向热阻减小； b) 散热底板厚度增加，芯片有效散热面积增大，横向热阻减小。 3.2.2 热对流

对流是指流体各部分之间发生相对位移时所引起的热量传递过程。对流仅发生在流体中，且必然伴随着有导热现象。流体通过某物体表面时所发生的热交换过程，称为对流换热。若流体运动是借由温度差所造成的密度变化，产生浮力带动运动，此种热传送为自然对流；若是借由外在动力驱动流体运动将热带走，则称为强制对流，如风机等引起的。对流换热的计算公式为：

ΦD=hcA(tw-ts)

式中：hc——对流换热系数，W/(m2·oC)；A——对流换热面积，m2； tw——热表面温度，oC；ts——冷却流体温度，oC。

表2-6给出了几种最常见的对流换热方式的换热系数的大致范围。

表2-6 对流换热系数大致范围 对流换热方式 空气自然对流 气体强迫对流 水自然对流 水强迫对流 水沸腾 高压水蒸气强迫对流 换热系数（W/（m2·℃）） 3～10 20～100 200～1000 1000～15000 2500～25000 500～3500

水蒸气凝结 热对流改善: 1、增加流体换热系数（单位：W/m2.oC）； 2、增加换热面积。 3.2.3 热辐射

5000～15000 物体以电磁波方式传递能量的过程称为热辐射。辐射能在真空中传递能量，且有能量方式的转换，即热能转换为辐射能及从辐射能转换成热能。任意物体的热辐射能力表示为：

ΦF=εAσo(TW-TS)

式中：ε—物体的黑度；σo—斯蒂芬.波尔兹常数（5.67×10-8/m?k4）;A—辐射表面积，m2;T—物体表面的热力学温度，K。

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第四章 LED的指标

4.1 LED的主要性能指标

4.1.1 LED的颜色

LED的颜色是一个重要的指标，是每一个LED相关灯具产品必须标明，目前LED的颜色主要有红色、绿色、蓝色、青色、黄色、白色、暖白、琥珀色等其他的颜色，而颜色的不同也会引起相关参数有很大的变化。 4.1.2 LED的电流

LED的正向极限电流（IF）多在20MA，而且LED的光衰电流不能大于IF/3，大约15MA和18MA。LED的发光强度仅在一定范围内与IF成正比，当IF>20MA时，亮度增强已经无法用内眼分出来。因此LED的工作电流一般选在17-19MA左右比较合理，这些都是针对普通小功率LED而言。而大功率LED一般，0.5WLED(IF=150MA),1WLED(IF=350MA),3WLED(IF=750MA)等等。 4.1.3 LED的电压

我们通常所说的是LED正向电压，就是说LED的正极接电源正极，负极接电源负极。电压与颜色有关系，红、黄、黄绿的电压是1.8-2.4V之间。白、蓝、翠绿的电压是3.0-3.6V之间，可能同样一批LED的电压略微会有一些差异。 4.1.4 LED的反向电压VRm

所允许加的最大反向电压。超过此值，发光二极管可能被击穿损坏。 4.1.5 LED的色温

以绝对温度K来表示，即将一标准黑体加热，温度升高到一定程度时颜色开始由深红-浅红-橙黄-白-蓝，逐渐改变，某光源与黑体的颜色相同时，我们将黑体当时的绝对温度称为该光源之色温。 4.1.6 LED发光强度

单位坎德拉，即cd。光源在给定方向的单位立体角中发射的光通量定义为