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  一、立項(xiàng)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(hào)燈和液晶屏幕背光源等領(lǐng)域近些年來(lái)，隨著GaP、GaN系Ⅲ-V族化合物半導(dǎo)體的結(jié)晶成長(zhǎng)工藝技術(shù)及納米技術(shù)的進(jìn)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(kāi)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(chē)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(xué)原理，LED的光譜幾乎全部集中于可見(jiàn)光頻段，所以發(fā)光效率高達(dá)90％以上，因此，LED被譽(yù)為21世紀(jì)新光源，即將成為繼白熾燈、熒光燈、高強(qiáng)度氣體放電燈之后的第四代光源，被公認(rèn)為當(dāng)前十大前沿技術(shù)之一,LED光源這種新型照明光源必將會(huì)取代傳統(tǒng)照明光源，正帶動(dòng)著一場(chǎng)新的產(chǎn)業(yè)革命-照明革命

  二、當(dāng)前國(guó)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(zhǎng)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(chǎng)開(kāi)發(fā)中美、日、歐及中國(guó)臺(tái)灣省均推出了半導(dǎo)體照明計(jì)劃
 

  我國(guó)2001年863計(jì)劃立項(xiàng)，2003年緊急啟動(dòng)了"國(guó)家半導(dǎo)體照明工程"從2006年的"十一五"開(kāi)始，國(guó)家將把半導(dǎo)體照明工程作為一個(gè)重大工程進(jìn)行推動(dòng)當(dāng)前，我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)，能源緊張的矛盾日益顯現(xiàn)，我國(guó)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(wú)疑將較大幅度降低能源消耗，有效緩解目前我國(guó)電力供應(yīng)緊張的局面國(guó)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(diǎn)領(lǐng)域，在"十一五"期間，大力推進(jìn)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(guó)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(dǎo)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(dá)到國(guó)家道路照明標(biāo)準(zhǔn)，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(guó)雖有多家企業(yè)開(kāi)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(wèn)題解決了，所用LED數(shù)量要很多，小功率LED光衰強(qiáng)，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(shì)，少數(shù)用大功率LED作發(fā)光體的路燈產(chǎn)品由于沒(méi)有很好地解決功率達(dá)到一定量時(shí)，LED的散熱問(wèn)題；LED的散光和聚光控制問(wèn)題；路燈在路面照射面的照度范圍、型態(tài)和照度的均衡問(wèn)題；光電轉(zhuǎn)換效率太低，每瓦只有幾個(gè)流明等問(wèn)題

  因此產(chǎn)品性能還不盡如人意；高性能的產(chǎn)品價(jià)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(zhǎng)，采用安全電壓供電，不含有毒重金屬，，使用壽命長(zhǎng)，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?lái)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(biāo)

  測(cè)試項(xiàng)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(dòng)電路簡(jiǎn)單中復(fù)雜復(fù)雜中

  價(jià)格低價(jià)格低價(jià)格高價(jià)格高價(jià)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(diǎn)解決的問(wèn)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(shí)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(zhǎng)壽命的優(yōu)勢(shì)

  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(lái)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(jìn)步，大功率發(fā)光管內(nèi)部的熱阻越來(lái)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(shuō)，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(guò)150度就能長(zhǎng)期安全的工作這樣推算，外殼溫度135度時(shí)可以安全使用但是，由于外殼封裝材料的限制，實(shí)際使用中的管殼溫度最好不超過(guò)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(huì)快速老化長(zhǎng)期穩(wěn)定工作沒(méi)有問(wèn)題因此，沒(méi)有必要將半導(dǎo)體燈工作時(shí)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(dǎo)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(wèn)題是怎樣合理的把發(fā)光管產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)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(dòng)，就是燈體熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要解決的問(wèn)題
 

  （二）燈具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(dòng)器，電器室蓋板五部分組成見(jiàn)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(jiàn)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(hù)又是一個(gè)矛盾，針對(duì)這對(duì)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(hù)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(dǎo)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(dòng)電源，完成LED路燈的設(shè)計(jì)制作

  該款路燈的熱傳導(dǎo)和散熱效果均佳，能將LED所產(chǎn)生的熱量迅速的傳導(dǎo)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(dòng)的空氣帶走熱量，但是由于整個(gè)燈具是由多個(gè)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(hù)等級(jí)上達(dá)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(gè)平板上，無(wú)法對(duì)燈具進(jìn)行合理的配光，在實(shí)際使用中該款路燈的照明半徑無(wú)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(jiàn)下圖：

  b.傳統(tǒng)燈殼改制的LED路燈存在的問(wèn)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(gè)光源和驅(qū)動(dòng)電路裝入鋁合金燈殼中，雖然解決了燈具的防護(hù)等級(jí)問(wèn)題，但是整個(gè)光源是在密閉的燈殼中，燈具工作中所產(chǎn)生的熱量無(wú)法散發(fā)到空氣中帶走，導(dǎo)致LED模塊和驅(qū)動(dòng)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(dòng)器也因溫度超過(guò)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(jiǎn)單的用傳統(tǒng)燈頭裝入LED光源是行不通的見(jiàn)下圖：

  以上兩個(gè)方案都是無(wú)法同時(shí)滿足散熱與防護(hù)問(wèn)題而失敗，為此我們進(jìn)行下列的進(jìn)一步研究散熱問(wèn)題與產(chǎn)品的防護(hù)等級(jí)是一個(gè)矛盾，這是一個(gè)行業(yè)性的難題，項(xiàng)目產(chǎn)品在不降低產(chǎn)品的密封性和防護(hù)等級(jí)的前提下，又要保證良好的熱傳導(dǎo)，對(duì)流，發(fā)散，我們進(jìn)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(duì)散熱材料進(jìn)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(dǎo)熱性能好--相對(duì)其它固體材料，金屬具有更好的熱傳導(dǎo)能力；

  ②易于加工--延展性好，高溫相對(duì)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(jià)格也相對(duì)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(biāo)準(zhǔn)下表為散熱片慣用材料與常見(jiàn)金屬材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)
 

  上表中熱傳導(dǎo)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(kāi)爾文（1K＝1℃）時(shí)的熱傳導(dǎo)功率

  熱傳導(dǎo)系數(shù)自然是越高越好，但同時(shí)還需要兼顧到材料的機(jī)械性能與價(jià)格熱傳導(dǎo)系數(shù)很高的金、銀，由于質(zhì)地柔軟、密度過(guò)大、及價(jià)格過(guò)于昂貴而無(wú)法廣泛采用；鐵則由于熱傳導(dǎo)率過(guò)低，無(wú)法滿足高熱密度場(chǎng)合的性能需要，不適合用于制作高性能散熱片銅的熱傳導(dǎo)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(dǎo)系數(shù)較高、密度小、價(jià)格低而<