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LED灯发热的原因及计算公式

2018-02-04来源: 互联网 关键字:led灯  led

LED灯泡火爆市场,各大品牌网店价格眼花缭乱,贵也有贵的道理,便宜也有便宜的市场。今天小编来说说LED灯泡的缺点之一:发热。LED灯泡发热了怎么办?LED是会产生热量的,很多人就会以为LED是冷光源,这仅仅是指LED的发光原理而已。


综合电流注入效率、辐射发光量子效率、芯片外部光取出效率等,最终大概只有30-40%的输入电能转化为光能,其余60-70%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。


而芯片温度的升高,则会增强非辐射复合,进一步消弱发光效率。因为,人们主观上认为大功率LED没有热量,事实上确有。大量的热,以至于在使用过程中发生问题。加上很多初次使用大功率LED的人,对热问题又不懂如何有效地解决,使得产品可靠性成为主要问题。


具体来说,LED结温的产生是由于两个因素所引起的:


内部量子效率不高,也就是在电子和空穴复合时,并不能100%都产生光子,通常称为由“电流泄漏”而使PN区载流子的复合率降低。泄漏电流乘以电压就是这部分的功率,也就是转化为热能,但这部分不占主要成分,因为现在内部光子效率已经接近90%。


内部产生的光子无法全部射出到芯片外部而最后转化为热量,这部分是主要的,因为目前这种称为外部量子效率只有30%左右,大部分都转化为热量了。


就如前文所说虽然白炽灯的光效很低,只有151m/W左右,但是它几乎将所有的电能都转化为光能而辐射出去,因为大部分的辐射能是红外线,所以光效很低,但是却免除了散热的问题。


LED灯泡的散热解决方法:


解决LED灯泡的散热,主要从两个方面入手,封装前与封装后,可以理解为LED芯片散热与LED灯泡散热。LED芯片散热主要与衬底和电路的选择与工艺有关,本文暂不阐述。本文主要介绍LED灯泡的散热,因为任何LED都会制成灯具,所以LED芯片所产生的热量最后总是通过灯具的外壳散到空气中去。蕾雨斯灯饰照明认为如果散热不好,因为LED芯片的热容量很小,一点点热量的积累就会使得芯片的结温迅速提高,如果长时期工作在高温的状态,它的寿命就会很快缩短。然而这些热量要能够真正引导出芯片到达外部空气,要经过很多途径。具体来说,LED芯片所产生的热,从它的金属散热块出来,先经过焊料到铝基板的PCB,再通过导热胶才到铝散热器。所以LED酒店工程灯具的散热实际上包括导热和散热两个部分。


然而LED灯壳散热依据功率大小及使用场所,也会有不同的选择。现在主要有以下几种散热方法:


铝散热鳍片:这是最常见的散热方式,用铝散热鳍片做为外壳的一部分来增加散热面积。


导热塑料壳:在塑料外壳注塑时填充导热材料,增加塑料外壳导热、散热能力。


空气流体力学散热:空气流体力学利用灯壳外形,制造出对流空气,这是最低成本的加强散热方式。


风扇灯壳内部用长寿高效风扇加强散热:造价低,效果好。不过要换风扇就是麻烦些,也不适用于户外,这种设计较为少见。


导热管散热技术:导热管利用导热管技术,将热量由LED芯片导到外壳散热鳍片。在大型灯具,如路灯等这是常见的设计。


表面辐射散热处理灯壳表面做辐射散热处理:简单的就是涂抹辐射散热涂料,可以将热量用辐射方式带离灯壳表面。


LED灯计算公式


LED在正向电压下,电子从电源获得能量,在电场的驱动下,克服PN结的电场,由N区跃迁到P区,这些电子与P区的空穴发生复合。由于漂移到P区的自由电子具有高于P区价电子的能量,复合时电子回到低能量态,多余的能量以光子的形式放出。发出光子的波长与能量差Eg相关。可见,发光区主要在PN结附近,发光是由于电子与空穴复合释放能量的结果。一隻半导体二极体,电子在进入半导体区到离开半导体区的全部路程中,都会遇到电阻。简单地从原理上看,半导体二极体的物理结构简单地从原理上看,半导体二极体的物理结构源负极发出的电子和回到正极的电子数是相等的。普通的二极体,在发生电子-空穴对的复合是,由于能级差Eg的因素,释放的光子光谱不在可见光范围内。


电子在二极体内部的路途中,都会因电阻的存在而消耗功率。所消耗的功率符合电子学的基本定律:


P=I2R=I2(RN++RP)+IVTH


式中:RN是N区体电阻


VTH是PN结的开启电压


RP是P区体电阻


消耗的功率产生的热量为:


Q=Pt


式中:t为二极体通电的时间。


本质上,LED依然是一只半导体二极体。因此,LED在正向工作时,它的工作过程符合上面的叙述。它所它所消耗的电功率为:


PLED=ULED&TImes;ILED


式中:ULED是LED光源两端的正向电压:


ILED是流过LED的电流


这些消耗的电功率转化为热量放出:


Q=PLED&TImes;t


式中:t为通电时间


实际上,电子在P区与空穴复合时释放的能量,并不是由外电源直接提供的,而是由于该电子在N区时,在没有外电场时,它的能级就比P区的价电子能级高出Eg。当它到达P区后,与空穴复合而成为P区的价电子时,它就会释放出这麼多的能量。Eg的大小是由材料本身决定的,与外电场无关。外电源对电子的作用只是推动它做定向移动,并克服PN结的作用。


LED的产热量与光效无关;不存在百分之几的电功率产生光,其余百分之几的电功率产生热的关係。透过对大功率LED热的产生、热阻、结温概念的理解和理论公式的推导及热阻测量,我们可以研究大功率LED的实际封装设计、评估和产品应用。需要说明的是热量管理是在LED产品的发光效率不高的现阶段的关键问题,从根本上提高发光效率以减少热能的产生才是釜底抽薪之举,这需要芯片制造、LED封装及应用产品开发各环节技术的进步。

关键字:led灯  led

编辑:王磊 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/LED/article_2018020412483.html
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现任华润矽威科技(上海)有限公司市场部经理/高工,上海市传感技术学会理事、副秘书长。

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