LED工礦燈的創新運用

王劍濤 章世貴

摘 要：在我國《國家中長期科學和技術發展規劃綱要》中，LED燈等半導體照明產品被明確列入“重點領域及優先主題”。 LED工礦燈作為工業照明的發展趨勢已經得到普遍認同，但目前市場上的產品研發過程中卻忽略了在高溫應用環境下的特殊技術要求。文章討論了溫度變化可能引起LED器件的失效問題，并依據大量實驗和應用數據，總結了LED工業照明裝置在高溫高濕運行環境推廣應用的特殊技術要求和設計指導意見，并提供了詳細的指導性規范準則。

關鍵詞：LED工礦燈 照度

中圖分類號：TU7 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2012）12（a）-0-02

LED（Light Emitting Diode，發光二級管）即半導體照明燈，誕生于20世紀60年代，它是一種基于半導體PN結形成的用微弱的電能就能發光的高效固態光源，在一定的正向偏置電壓和注入電流下，注入P區的空穴和注入N區的電子在擴散至有源區后經輻射復合而發出光子，將電能直接轉化為光能。它是一種固態冷光源，具有環保無污染、耗電少、光效高、壽命長等特點。由于冶金行業特殊的工作需要，環境非常復雜，因此對照明產品提出了更高的要求，尤其針對作業場所的高溫、高濕甚至粉塵，LED工礦燈在設計研發階段必須充分考慮。

1 溫度對LED的影響

（1）溫度過高會對LED造成永久性破壞，LED工作溫度超過芯片的承載溫度，將會使LED的發光效率快速降低，產生明顯的光衰，并造成損壞。LED多以透明環氧樹脂封裝，若結溫超過故相轉變溫度（通常為125 ℃），封裝材料會向橡膠狀轉變并且熱膨脹系數驟升，從而導致LED開路和實效。（2）溫度升高會縮短LED壽命。高溫條件下，LED芯片材料內存在的缺陷快速繁衍，直至侵入發光區，形成大量的非輻射復合中心，嚴重降低LED發光效率；高溫時透明環氧樹脂會變性、發黃，影響透光性能；熒光粉在高溫下的衰減十分嚴重，是影響LED光衰的一個主要原因。（3）溫度升高降低LED發光效率。溫度升高，禁帶寬度減小，電子遷移率減小，內量子效率降低，熒光粉量子效率降低，出光減小，硅膠熱折射率降低，都會直接導致LED發光效率的降低。（4）溫度對LED發光波長有非常大的影響，在溫度升高時，發光區材料的禁帶寬度將減小，導致期間發光波長變長，顏色發生紅移。

針對溫度對LED的影響，我們在LED工礦燈設計時要充分考慮以下因素

1.1 燈珠選擇上

（1）LED光效溫度系數K最好在0.002以下，這樣由溫度引起的LED光輸出降低才不會太大。例如InGaN類LED的K值約為0.0012，節溫125 ℃時光輸出相對結溫25 ℃是降低月11%。

（2）盡量選用低熱阻、高節溫的芯片。由于環境溫度和結溫的近線性關系，在實際使用過程中，視產品實際使用的最高環境溫度而定，也就是說，如果芯片節溫如果是125 ℃，而最高環境溫度為60 ℃，那么在室溫環境下（25 ℃），芯片溫度應當確保在125-35-10=80度以內。（圖1）

1.2 結構設計上

（1）燈具外殼的表面處理有電泳、電鍍、烤漆、噴漆多種，盡量采用金屬電鍍的方法，其散熱效果最佳。（2）芯片與散熱器的導熱材料盡量選用不易揮發的材質，比如石墨導熱片。（3）內部線纜、透鏡材質等，選用耐高溫材質。（4）隨著環境溫度的升高，產品外表面輻射換熱量逐漸增大，輻射換熱有所強化，輻射換熱量占熱源總熱量的比例逐漸增大，所以應當適度加大產品的外接觸面積。（5）從煙囪效應來看，對流散熱的效果較之輻射散熱來得更快，所以在結構設計上應當優先考慮LED工礦燈的整體通透性。

1.3 電源搭配上

（1）環境溫度變化時，LED的正向壓降If也會隨之變化，大約-2 mV/ ℃左右，而If幾毫安的波動，對LED壽命和光衰均會產生極大的影響，這在驅動設計時著重考慮。（2）考慮到電源自身溫升及內部器件的耐溫和壽命，在高溫高濕環境中，建議考慮電源外置。（3）由于溫度升高，電流也會隨之升高，電源應當采用分路恒流。（圖2）

筆者在2010年10月，針對唐山中厚板廠鑄造車間的照明設計中，通過建立熱仿真模型，進行了大量的理論計算，繼而開發出對應的產品并進行了相關的實際測量，采用LED工礦燈，不但可以解決冶金行業的照明，而且還能在其惡劣的環境下確保使用。（圖3）此款產品（專利號ZL201130147606.5）是200 W工礦燈，在燈傘設計上，參考了對流散熱原理，角度和高度都是經過精確計算而來。散熱器中的散熱孔，兼顧了美學和流體學原理。燈具采用了5個40 W的發光模組（專利號ZL201130147605.0）組合而成，根據客戶實際情況，進行了二次光學設計，匹配了最佳的透鏡，使照明效果達到最佳。針對唐山中厚板廠LED工礦燈的運用，我們在方案實施后第二年，對實際使用效果進行了比對：（環境溫度60 ℃、相對濕度80%、燈具高度16.5 m）（見表1）結果論證：LED工礦燈經過近一年的使用后，照度衰減小于3%，損壞率小于0.2%，完全可以在高溫高濕的條件下正常工作。

2 結語

由實際結果來看，針對冶金行業的LED工礦燈，在高溫高濕的環境下使用效果良好。

目前困擾LED發展的因素主要是成本偏高，而隨著LED芯片技術的不斷提升，光效也會有很大的提升空間，LED芯片的單位成本也會顯著下降，進而對LED整燈的成本有著直接的推動作用。

從國內外政府的政策導向來看，大型工礦企業的節能減排工作任重道遠，我們相信在不遠的將來，更加優良的LED工礦燈必將引領工業照明的革命性潮流。

參考文獻

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