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  一、立項的背景和意義

  LED（LightEmittingDiode，稱發(fā)光二極管），屬于固態(tài)光源LED的應(yīng)用已有較悠久的歷史，以前主要應(yīng)用在各種電子設(shè)備的指示燈、大屏幕顯示器、信號燈和液晶屏幕背光源等領(lǐng)域近些年來，隨著GaP、GaN系Ⅲ-V族化合物半導體的結(jié)晶成長工藝技術(shù)及納米技術(shù)的進步，LED的光效和大功率集成技術(shù)都有了很大的提高，LED已經(jīng)開始在照明領(lǐng)域里初步應(yīng)用，出現(xiàn)了LED路燈、LED礦燈、LED應(yīng)急燈、LED車燈、LED景觀燈等多種以大功率LED為光源的照明燈具,

  LED發(fā)光原理為固體發(fā)光,按固體發(fā)光物理學原理，LED的光譜幾乎全部集中于可見光頻段，所以發(fā)光效率高達90％以上，因此，LED被譽為21世紀新光源，即將成為繼白熾燈、熒光燈、高強度氣體放電燈之后的第四代光源，被公認為當前十大前沿技術(shù)之一,LED光源這種新型照明光源必將會取代傳統(tǒng)照明光源，正帶動著一場新的產(chǎn)業(yè)革命-照明革命

  二、當前國內(nèi)外同類研究（技術(shù)）概況

  近幾年，隨著LED的發(fā)光效率增長100倍，成本下降10倍，其在照明領(lǐng)域的發(fā)展前景，吸引全球照明大廠家都先后加入LED光源及市場開發(fā)中美、日、歐及中國臺灣省均推出了半導體照明計劃
 

  我國2001年863計劃立項，2003年緊急啟動了"國家半導體照明工程"從2006年的"十一五"開始，國家將把半導體照明工程作為一個重大工程進行推動當前，我國經(jīng)濟快速增長，能源緊張的矛盾日益顯現(xiàn)，我國照明所消耗的電能約占電力總消耗量的1/6，因此提高照明產(chǎn)品的能效水平，無疑將較大幅度降低能源消耗，有效緩解目前我國電力供應(yīng)緊張的局面國家將貫徹節(jié)能優(yōu)先政策，并將"照明器具"列入節(jié)能重點領(lǐng)域，在"十一五"期間，大力推進綠色節(jié)能照明工程，LED路燈就是LED技術(shù)的重要節(jié)能應(yīng)用

  日前，由多名留美歸國博士創(chuàng)建的中微光電子（濰坊）有限公司研制成功100瓦大功率半導體發(fā)光二極管路燈照明系統(tǒng)，現(xiàn)已應(yīng)用于濰坊高新技術(shù)創(chuàng)業(yè)園，其照明范圍和亮度完全達到國家道路照明標準，壽命是傳統(tǒng)路燈的10~20倍，耗電量卻不到傳統(tǒng)路燈的20%

  三、本課題研究的內(nèi)容

  我國雖有多家企業(yè)開發(fā)生產(chǎn)LED城市照明路燈，但很多是用小功率LED陣列作發(fā)光體，散熱問題解決了，所用LED數(shù)量要很多，小功率LED光衰強，安裝成本高；城市照明LED路燈采用大功率LED是發(fā)展的趨勢，少數(shù)用大功率LED作發(fā)光體的路燈產(chǎn)品由于沒有很好地解決功率達到一定量時，LED的散熱問題；LED的散光和聚光控制問題；路燈在路面照射面的照度范圍、型態(tài)和照度的均衡問題；光電轉(zhuǎn)換效率太低，每瓦只有幾個流明等問題

  因此產(chǎn)品性能還不盡如人意；高性能的產(chǎn)品價位又居高不下，難以推廣普及

  四、研究的技術(shù)路線和方法

  （一）光源的選擇：

  光源比較：傳統(tǒng)照明光源主要有3大類：白熾燈、熒光燈和稀有氣體放電燈與這些光源相比，LED光源光效比較高，使用壽命長，采用安全電壓供電，不含有毒重金屬，，使用壽命長，采用安全電壓供電，不含有毒重金屬，顯色指數(shù)高，而且屬于新型光源，發(fā)展?jié)摿薮?，是未來傳統(tǒng)光源理想的替代品表1為幾種照明光源的性能比較

  表1幾種照明光源的性能指標

  測試項目白熾燈熒光燈高壓汞燈高壓鈉燈LED

  發(fā)光效率／(1m-w)16705010050

  壽命／kh28～106～2O245O

  顯色指數(shù)9575452385

  成本／(8-(klm))0.41．5552O

  驅(qū)動電路簡單中復雜復雜中

  價格低價格低價格高價格高價格低

  安全性一般一般差差高

  可靠性差差一般一般高

  亮度可調(diào)性好差好好好

  方向性差差差差好

  環(huán)保性一般汞污染汞污染汞污染好

  注：白熾燈發(fā)光效率為3Ow的數(shù)據(jù)

  散熱是LED路燈要重點解決的問題LED是冷光源，不象白熾燈那樣產(chǎn)生灼熱的高溫，但是，LED本身耐溫能力比較差，所以必須將發(fā)光管工作時產(chǎn)生的熱量有效的散發(fā)到空氣中去，保證芯片工作在安全的溫度環(huán)境下，這樣LED燈才能真正的體現(xiàn)出長壽命的優(yōu)勢

  LED的管芯和涂覆的熒光粉都是在幾百度的高溫條件下生產(chǎn)出來的，本身有一定的耐溫能力

  由于發(fā)光管生產(chǎn)技術(shù)的進步，大功率發(fā)光管內(nèi)部的熱阻越來越低，目前1瓦的發(fā)光管的熱阻普遍在15度/瓦以下，也就是說，給1瓦的發(fā)光管加1瓦的電功率，管芯比管殼的溫度只高15度按照目前發(fā)光管管芯材料的耐溫水平，管芯溫度不超過150度就能長期安全的工作這樣推算，外殼溫度135度時可以安全使用但是，由于外殼封裝材料的限制，實際使用中的管殼溫度最好不超過70度，這樣管芯溫度只有85度，發(fā)光管的透明封裝材料也不會快速老化長期穩(wěn)定工作沒有問題因此，沒有必要將半導體燈工作時的溫度降得很低，但必須減小發(fā)光管外殼和燈體外殼之間的熱阻，這樣就可以以比較小的體積和比較低的成本生產(chǎn)穩(wěn)定工作的半導體燈

  要有效的散熱，減小燈的體積和生產(chǎn)成本，燈體必須有合理的散熱結(jié)構(gòu)問題是怎樣合理的把發(fā)光管產(chǎn)生的熱量傳導到外殼上，怎樣有效的增大外殼和空氣的接觸面，并且有利于空氣在外殼表面上的流動，就是燈體熱結(jié)構(gòu)設(shè)計要解決的問題
 

  （二）燈具結(jié)構(gòu)設(shè)計研究：

  1．燈具結(jié)構(gòu)：

  a.組成結(jié)構(gòu)：我們的LED路燈由鋁合金壓鑄燈體，LED模塊，鋼化玻璃透光罩，AC/DC恒流驅(qū)動器，電器室蓋板五部分組成見下圖：

  b.功能結(jié)構(gòu)：散熱燈體，光源室，電器室三部分組成見下圖：

  2．散熱研究：

  要做好LED路燈首先要做好燈具的散熱，然而散熱和燈具的安全防護又是一個矛盾，針對這對需要共生的矛盾我們做如下研究：

  a.LED加散熱板與燈具防護研究：利用鋁合金型材組合的路燈，我們將一塊AA6063；305mm×500mm的平板散熱器型材和不銹鋼外框組合，將LED焊接在鋁基板上制作成模塊，在模塊的底部涂抹導熱膏用螺絲固定于鋁合金型材散熱器平板上，罩上PC光源外罩，連接驅(qū)動電源，完成LED路燈的設(shè)計制作

  該款路燈的熱傳導和散熱效果均佳，能將LED所產(chǎn)生的熱量迅速的傳導到散熱器上，再由裸露在空氣中的散熱鰭片散發(fā)到空氣中，由流動的空氣帶走熱量，但是由于整個燈具是由多個部分連接組合而成，產(chǎn)品一致性差，在防滲水安全上僅靠防水膠是極不可靠的，所以在防護等級上達不到（GB7000.1-2002;GB7000.5-2005）的要求更主要的是所有的LED均安裝在一個平板上，無法對燈具進行合理的配光，在實際使用中該款路燈的照明半徑無法滿足路燈的照明范圍，而且外觀呆板，故本方案不成熟不宜采用見下圖：

  b.傳統(tǒng)燈殼改制的LED路燈存在的問題：利用傳統(tǒng)路燈燈頭改制的LED路燈，雖然采用了鋁型材做散熱器，將整個光源和驅(qū)動電路裝入鋁合金燈殼中，雖然解決了燈具的防護等級問題，但是整個光源是在密閉的燈殼中，燈具工作中所產(chǎn)生的熱量無法散發(fā)到空氣中帶走，導致LED模塊和驅(qū)動電路在極惡劣的環(huán)境中工作，工作溫度急劇升高，LED隨著溫度的升高而出現(xiàn)死燈和光衰，驅(qū)動器也因溫度超過而燒毀，大大降低了燈具的可靠性和使用壽命故此方案是不成熟的要做好LED路燈簡單的用傳統(tǒng)燈頭裝入LED光源是行不通的見下圖：

  以上兩個方案都是無法同時滿足散熱與防護問題而失敗，為此我們進行下列的進一步研究散熱問題與產(chǎn)品的防護等級是一個矛盾，這是一個行業(yè)性的難題，項目產(chǎn)品在不降低產(chǎn)品的密封性和防護等級的前提下，又要保證良好的熱傳導，對流，發(fā)散，我們進行了如下的研究：

  c.散熱材料的選擇：為了做好LED路燈，首先我們對散熱材料進行選擇，目前散熱器所采用的基本為金屬材料，這主要出于三方面的考慮：

  ①導熱性能好--相對其它固體材料，金屬具有更好的熱傳導能力；

  ②易于加工--延展性好，高溫相對穩(wěn)定，可采用各種加工工藝；

  ③易獲取--雖然金屬也屬不可再生資源，但供貨量大，不需特殊工序，價格也相對低廉；依此確定了散熱片所用材料類型，具體種類的確定同樣需以此為標準下表為散熱片慣用材料與常見金屬材料的熱傳導系數(shù)
 

  上表中熱傳導系數(shù)的單位為W/mK，即截面積為1平方米的柱體沿軸向1米距離的溫差為1開爾文（1K＝1℃）時的熱傳導功率

  熱傳導系數(shù)自然是越高越好，但同時還需要兼顧到材料的機械性能與價格熱傳導系數(shù)很高的金、銀，由于質(zhì)地柔軟、密度過大、及價格過于昂貴而無法廣泛采用；鐵則由于熱傳導率過低，無法滿足高熱密度場合的性能需要，不適合用于制作高性能散熱片銅的熱傳導系數(shù)同樣很高，可礙于硬度不足、密度較大、成本稍高、加工難度大等不利條件，在散熱片中使用較少鋁作為地殼中含量最高的金屬，因熱傳導系數(shù)較高、密度小、價格低而<