大功率LED路燈初探

　　LED路燈散熱的好壞是決定其生命周期、發(fā)光效率的關(guān)鍵，其重量在路燈系統(tǒng)上也十分重要，它的價格在能否大面積替代傳統(tǒng)的路燈上也是不可忽視的因素。

　　1、前景展望

　　在當(dāng)今全球能源緊缺的環(huán)境下，節(jié)約能源已成為大勢所趨，半導(dǎo)體照明是一項節(jié)能、低碳環(huán)保的綠色產(chǎn)業(yè)，其發(fā)展方興未艾，受到國家的鼓勵和政策扶持。LED正以其節(jié)能、環(huán)保、光源健康和高壽命、環(huán)保無污染等各種優(yōu)點穩(wěn)健發(fā)展。目前，LED照明技術(shù)日趨成熟，這使得城市路燈照明節(jié)能改造成為可能。LED路燈，特別是大功率LED路燈，正以迅猛的速度沖擊傳統(tǒng)的路燈市場。

　　大功率LED光源壽命長，是高壓鈉燈壽命的4倍以上，使用10萬小時后，光衰低于30%,耗電僅為白熾燈的十分之一，可以在-40℃~70℃正常工作，不產(chǎn)生任何環(huán)境污染，維護成本低，使用時具有投光距離遠、泛光面積大的特點，徹底解決了傳統(tǒng)燈具存在的多種弊端。

　　2、問題分析

　　大功率LED路燈顧名思義是功率大于30瓦以上，采用新型LED半導(dǎo)體光源的路燈，盡管LED路燈的發(fā)展速度迅猛，但從長遠看LED燈具的散熱問題將是一個長期存在的問題。

　　一般情況下，LED光源工作時所產(chǎn)生的熱量占其消耗總功率的70%左右，它發(fā)光時所產(chǎn)生的熱量若無法導(dǎo)出，將會使LED結(jié)面溫度過高，進而影響產(chǎn)品生命周期、發(fā)光效率、穩(wěn)定性。

　　光衰是大功率LED路燈不能長期工作的主要原因，降低光衰的一個重要方法就是改進其散熱。目前大多數(shù)LED路燈的光衰是不能滿足使用要求的。有關(guān)實驗數(shù)據(jù)表明1200小時亮燈后的光衰，最好的為8%,最差的為26%,平均為14%.從傳熱學(xué)理論體系出發(fā)，我們可以使用的傳熱手段有：傳導(dǎo)、對流、輻射和相變傳熱（例如熱管）。因此在傳熱或者說散熱問題上，我們可以采取的措施是可見的、有限的。

　　重量在路燈系統(tǒng)上也十分重要，因為路燈高有9米，甚至12米，若太重危險性就增加，對于行人及過往車輛的安全構(gòu)成威脅，尤其遇到臺風(fēng)、地震都可能產(chǎn)生意外。

　　LED是一種單向電流型固態(tài)半導(dǎo)體發(fā)光器件，它是傳統(tǒng)二極管的一個分支，具有二極管的特性，用于照明時電流的調(diào)節(jié)精度要高、電流的紋波要穩(wěn)定，從而保證LED照明沒有閃爍和眩光。因次大功率LED光源產(chǎn)生的熱量大小跟恒流驅(qū)動的設(shè)計有直接關(guān)系，如果恒流驅(qū)動設(shè)計不好，有效功率不高，熱量非常高，什么散熱辦法都不能從根本上解決LED的壽命不夠長的問題。好的恒流驅(qū)動的設(shè)計是治本方法，能把散熱減到最低，而各種散熱方法只是治標不治本的方法，只是輔助解決問題，只有在解決好電路問題的前提下，再來考慮內(nèi)部散熱問題。

　　高導(dǎo)熱系數(shù)軟性硅膠導(dǎo)熱絕緣墊正被廣泛地應(yīng)用在LED照明、顯示器、計算機和電源等電子設(shè)備行業(yè)。表面構(gòu)造密合接觸，減少空氣熱阻抗，利用本身所具備的導(dǎo)熱特性，最大程度滿足器件的工藝傳熱要求，提升器件使用功率及延長使用壽命。軟性導(dǎo)熱硅膠絕緣墊是傳熱界面材料中的一種，產(chǎn)品厚度從0.5~5mm不等，是片狀材料，可根據(jù)發(fā)熱功率器件的大小及形狀任意裁切，具有良好的導(dǎo)熱能力和絕緣特性，其作用為填充發(fā)熱功率器件與散熱器之間間隙，是替代導(dǎo)熱硅脂、導(dǎo)熱膏加云母片（絕緣材料）的二元散熱系統(tǒng)的理想產(chǎn)品。特別是在無風(fēng)扇散熱設(shè)計中，因軟性硅膠導(dǎo)熱片導(dǎo)熱好，絕緣強，有一定的彈性，將芯片上的熱量，利用軟性硅膠導(dǎo)熱片等一直傳到產(chǎn)品外殼，通過金屬外殼散熱， 使用很方便。

　　3、現(xiàn)狀分析

　　目前LED路燈的現(xiàn)狀為以下幾種形式：

　?。?）采用LED路燈專用型材，再配以其它零件組成LED路燈，它比較適合于分散光源的LED燈，即單顆功率為1~3W,由數(shù)顆均勻分布組成不同功率的LED燈，這種形式散熱效果好，但重量大、成本高，大面積推廣難度較大。

　?。?）采用鑄造鋁合金將散熱片與燈殼鑄為一體，由于鑄造鋁合金傳熱性不夠好導(dǎo)致這種燈殼散熱不夠理想，且重量大、這種路燈一套模具費用大約20多萬元，初始投入高。

　　（3）鑄造鋁合金燈殼與型材散熱器相結(jié)合，這種形式散熱效果尚可，但同樣是重量大、需要開模具，初始投入高。

　?。?）利用傳統(tǒng)的路燈燈殼進行改造，將LED光源產(chǎn)生的熱量用導(dǎo)熱銅管引到燈殼外面散去，這種路燈初始投入低，散熱效果好，重量輕，成本低，比較適合大面積推廣，其缺點是外表美觀性不很理想。按照這種構(gòu)思，從2009年夏天開始，我們做了大量的實驗，取得了較好的效果，在炎熱的夏天，其光源芯片附近的最高溫度不超過50℃，2009年10月，我們公司已生產(chǎn)1000多部這種路燈、部分隧道燈、投光燈，主要銷售于隴南地區(qū)的宕昌縣、武都等地，至今照明效果很好。

　　4、散熱問題解決辦法

　　傳統(tǒng)的（高壓鈉）路燈燈殼均為模具壓鑄而成、品種多樣，改造為LED路燈，不僅節(jié)能可達70%左右，而且滿足了人們對路燈多樣化的需求，但如何改造是擺在人們面前的一大問題。我們經(jīng)過實踐探索，摸索出了一套方法，主要歸納為以下幾點：

　　（1）這種方法僅適合于LED光源發(fā)光體集中的形式，目前這種光源多為50W及100W兩種。

　?。?）我們將航天科技中的“導(dǎo)熱銅管”散熱技術(shù)應(yīng)用于大功率LED燈具，它可以將LED光源工作時產(chǎn)生的熱量迅速傳導(dǎo)于散熱片。LED光源下面是鋁基座，鋁基座上面加工成大半圓孔，“導(dǎo)熱銅管”穿與大半圓孔中，上表面輕輕敲平，粘上軟性硅膠導(dǎo)熱絕緣墊或者涂上導(dǎo)熱硅脂，再將LED光源緊固其上，這樣LED光源工作時產(chǎn)生的熱量就可通過“導(dǎo)熱銅管”傳導(dǎo)于散熱片上。一組散熱片用這樣的銅管2~3根為宜。下圖為這種方式散熱系統(tǒng)簡圖：

　?。?）散熱面積的大小對于散熱的好壞起著十分重要的作用，為了盡量增加散熱面積，我們采用0.5mm厚的防繡鋁板作為散熱片，散熱片上翻孔，使其與“導(dǎo)熱銅管”緊密接觸、加大傳熱面積，以達到較好的傳熱效果。

　?。?）一組這樣的散熱片約為30片左右，其片數(shù)由單個散熱片的面積大小及LED的功率大小決定。它的特點是散熱面積可以做得很大、重量卻較輕。散熱片暴露于路燈殼上面或側(cè)面，能夠很好的完成對流、輻射，將熱量散于空氣中。散熱片可以做成各種形狀，如鴿子、鳥的翅膀等。

　　（5）由于路燈殼體多為鑄鋁，也能夠起到一定的散熱作用，必須加以利用。因此鋁基座與燈殼之間也要涂導(dǎo)熱硅脂或粘貼軟性硅膠導(dǎo)熱絕緣墊，再用螺釘將鋁基座與燈殼聯(lián)接牢靠，使其起到較好的傳熱作用。如果路燈殼體內(nèi)有小的平臺沿或平面，可以架一塊厚鋁板，將鋁基座固定于鋁板上，涂上導(dǎo)熱硅脂等，使盡可能多的熱量傳導(dǎo)燈殼上散去。

　　總之，在大功率LED路燈設(shè)計應(yīng)用中，首先要設(shè)計或選用好的恒流源及光源，其次要充分利用路燈殼體進行散熱，再次設(shè)法將LED光源所產(chǎn)生的熱量迅速傳導(dǎo)到殼體外，用較大的散熱面積將熱量散去，并且路燈的重量不宜過大。