LED周圍溫度場的測定

張修興

摘 要：LED（發光二極管）的散熱是衡量其質量與安全性的一個重要性能指標。我們利用LR200D無紙記錄儀和熱電偶對不同LED燈周圍不同半徑和不同時間的溫度進行測定與研究。結果表明，LED燈周圍半徑小于20cm時溫度場變化幅度比較大；燈具在啟用后8分鐘內溫度變化明顯，之后趨于恒定值。研究結果對生產、生活中LED燈具的設計與使用提供一定的指導。

關鍵詞：LED燈；LR200D無紙記錄儀；溫度分布

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.11.111

1 LED燈的工作原理

LED（light emitting diode），又稱發光二極管，是一種固態的半導體器件，它是可以直接把電轉化為光。它的心臟是一個半導體的晶片。晶片的一端附在一個支架上，一端是負極，另一端是連接電源的正極，讓整個晶片被環氧樹脂封裝起來。半導體晶片，它由兩部分組成。一部分是P型半導體，在里面空穴占主導地位，另一端是N型半導體，在這邊主要的是電子。但當兩種半導體連接起來的時候，它們之間就形成了一個P-N結。當電流通過導線，作用于這個晶片的時候，電子就會被推向P區，在P區里和空穴復合，然后以光子的形式發出能量，這就是LED發光的原理。

2 測溫方案與數據采集

在本次實驗中我們所用的測溫裝置是LR200D無紙記錄儀（如圖1-圖2所示）。此裝置是一種3英寸單色液晶顯示分辨率為320*200的高速高性能微處理器，它可以對測量現場的溫度、壓力、流量、電量等信號進行測量、控制和記錄。因為LR200D系列無紙記錄儀可以自由組態輸入標準電壓、標準電流、熱電偶、熱電阻、頻率等信號，還可以通過U盤或通訊方式與上位機進行數據交換。所以我們在實驗過程中主要通過控制其他變量測量不同LED燈周圍30cm內的的溫度變化。之后導出數據制作相應的溫度變化曲線圖。

3 不同LED周圍溫度分布測量及結果分析

3.1 實驗步驟

取一個大紙板，在紙板中心位置確定一個圓心，做出半徑不同的同心圓。待測燈具放置在圓心處；實驗時根據要求將溫度傳感器的探頭分別放在半徑不同或者半徑相同的圓上；記錄不同時間間隔、不同半徑圓處的溫度值。測量封閉空間時，在大紙板的外側罩一個剛好將紙板蓋住的大的紙箱，將紙箱上面做成透明面并留一個手可以伸進去的孔；實驗時將溫度傳感器的探頭從孔伸進去放在需要測量的圓上；記錄不同時間間隔、不同半徑圓處的溫度值；對記錄的數據進行處理及分析，得出結論。

3.2 實驗數據

按照3.1的實驗步驟，得到以下實驗數據。

對封閉區間的數據取平均值得到以下結果。

3.3 根據測量的數據繪制函數圖

根據表2的數據，我們繪制出了LED燈周圍溫度r=5cm時溫度隨半徑的變化曲線圖。

從圖中可以看到，半徑為5cm 時LED燈在8分鐘內溫度逐漸變化，當時間超過3分鐘時，LED等周圍溫度變化明顯減小，超過8分鐘時，LED燈周圍的溫度趨于穩定，這說明LED燈周圍的溫度場分布已經趨于穩定。

根據表4的數據，我們繪制出LED燈在t=10min時溫度隨半徑的變化曲線圖。

從圖中可以看出，在t=10min時，LED燈周圍溫度隨著半徑的增大而逐漸減小。當距離大于20cm，溫度變化逐漸緩慢，最終趨于恒定值（該恒定值與實驗時的環境溫度相同）。該實驗結果與日常經驗近似相同，即：距離燈具越遠，溫度梯度變化越小，測量值越接近環境溫度。

同樣，對所得到的封閉空間的數據表3和表4繪制出如下曲線圖。

從圖中可以看到，封閉空間測量的溫度值高于不封閉空間的溫度測量值，但是當時間超過3分鐘時，LED等周圍溫度變化明顯減小，超過8分鐘時，LED燈周圍的溫度趨于穩定，周圍溫度隨著半徑的增大而逐漸減小。當距離大于20cm，溫度變化逐漸緩慢，最終趨于恒定值（該恒定值與實驗時的環境溫度相同），即：距離燈具越遠，溫度梯度變化越小，測量值越接近環境溫度。與前面我們得到的結論相同。

4 結論

借助溫度傳感器和LR200D無紙記錄儀，我們對三種不同形狀的LED燈進行了工作時間周圍溫度的測量和分析。分別研究了溫度隨時間的變化、溫度隨離燈半徑的變化、封閉環境對溫度的影響。結果表明：燈具正常工作時，溫度隨時間的增加非均勻上升，且增加的幅度逐漸減小，最終溫度于一恒定溫度附近小幅度波動；隨著離燈具距離的增加，周圍溫度逐漸下降，最終穩定于一固定值附近，這一穩定值十分接近環境溫度；在燈具周圍半徑為20cm的區域內，溫度的變化較為明顯，20cm到25cm的范圍內溫度變化逐漸趨于穩定，25cm以外的范圍內溫度基本無明顯變化；封閉環境下燈具周圍溫度明顯高于不封閉環境。研究結果對LED的安全使用有一定的指導意義。

參考文獻：

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基金資助：渭南市科技局項目（2016KYJ-3-5）；渭南師范學院人才項目（15ZRRC06，15ZRRC14）