LED燈具在不同環境中的溫升特性研究

胡李敏，徐明仲，吳彬青，汪章婉，張 雷，夏 譽，洪梅娟，韓燕華，茹 斌，余岳陽，舒 勇

(杭州華普永明光電股份有限公司，浙江杭州 310015)

引言

發光二極管(LED)作為新一代固態照明光源，早已成為人們關注的焦點[1，2]。與白熾燈和熒光燈相比，LED具有光效高、壽命長、響應快、環保等優點。對于LED燈具，需要集成多個LED以滿足所需的照明需求。但是，LED的光電轉換效率不高，一般只有部分電能轉化為光輸出，其余都轉化為熱能。熱量會使LED照明產品的溫度上升，縮短LED的使用壽命[3，4]。因此，對于大功率的LED照明產品，其散熱問題是關鍵。

熱量從LED芯片產生，通過熱輻射、熱傳導、熱對流三種方式進行傳遞。LED自身沒有紅外線、紫外線，因此沒有輻射散熱功能，主要通過傳導和對流兩種途徑。一般來說，LED燈具設有散熱器，散熱器是散熱的主要媒介。LED產生的熱能傳導到散熱器的表面，散熱器吸收熱量后通過對流的方式將熱量散發掉。在對流散熱的過程中，散熱面積會影響散熱效果。因此，LED燈具的散熱器背面會設置散熱鰭片來增加散熱面積，提升散熱效果。但是，有些人認為在散熱器背面設置鰭片很容易堆積灰塵，從而影響散熱效果，應該在散熱鰭片上方設置密封蓋，防止灰塵堆積。對此，我們持不同的看法，認為設置密封蓋對散熱的影響更大。以下重點研究灰塵堆積和密封蓋對LED燈具溫升的影響。

1 理論分析與實驗裝置

1)散熱分析。LED芯片的散熱方式主要是傳導和對流[5，6]，結溫Tj是衡量LED散熱性能的重要指標[7，8]。結溫的表達式為

Tj=Rja×Pd+Ta

(1)

其中，Pd為耗散的功率，Rja為LED 器件PN結與環境溫度的總熱阻，Tj、Ta分別為LED 器件PN結的結點溫度和器件周圍的環境溫度，式 (1) 表明，在同樣大小的功率下，芯片結溫升溫越小，LED產品的性能越好。

2)熱阻。熱阻指的是當有熱量在物體上傳輸時，在物體兩端溫度差與熱源的功率之間的比值[9，10]。當熱量流過兩個相接觸的固體的交界面時，界面本身對熱流呈現出明顯的熱阻，稱為接觸熱阻。LED燈具的熱傳導路徑為：LED→PCB板→散熱器→空氣/環境，每個環節都存在熱阻，熱阻越大，傳遞到下一物質的熱量越少，散熱效果就越差。

沙塵堆積和密封蓋相當于熱傳導的途徑不同，從而導致熱阻不同，從原來的“散熱器→空氣”分別變成了“散熱器→沙塵→空氣”和“散熱器→空氣→密封蓋→空氣”。而沙子的導熱系數要比空氣的導熱系數高10倍左右，所以沙塵的熱阻更小，散熱效果更好。

3)實驗裝置。圖1是LED燈具溫升測試的實驗裝置圖，我們定制了一個整板式LED燈具作為實驗樣品，整板式LED燈具的散熱器為一體化結構，長×寬×高=275 mm×280 mm×39.5 mm，實驗樣品分別選取6個測試點進行溫升測試，并通過引線連接到數據采集器進行數據采集并記錄平均值。測試時，首先將樣品發光模塊點亮，記錄測試點的初始溫度；經過一段時間后模塊達到熱穩定(即各測試點的溫度變化小于1 ℃/h)后進行數據采集。環境溫度設定在10～30 ℃，變化不超過±1 ℃。

圖1 LED燈具溫升測試實驗裝置圖Fig.1 Diagram of the temperature rise testing of LED lighting fixture

2 實驗結果與討論

2.1 LED燈具在無蓋無塵條件下的溫升特性

圖2是LED燈具在無蓋無塵時的測試圖，分別測試了160 W、200 W、240 W三種功率的LED燈具溫升變化。取每種功率下6個測試點的平均值進行比較，圖3是不同功率下LED燈具在無蓋無塵條件下溫升的平均值對比圖。可以看出，160 W、200 W、240 W在無蓋無塵條件下的溫升分別為44.32 ℃、52.76 ℃、61.36 ℃，LED燈具的功率越大，溫升越高。

圖2 LED燈具在無蓋無塵時的溫升測試圖Fig.2 Diagram of temperature rise testing of LED lighting fixture without cover and dust

圖3 不同功率下LED燈具在無蓋無塵條件下溫升的平均值對比圖Fig.3 The average temperature rise of LED lighting fixture under different powers without cover and dust

圖4 LED燈具在有蓋無塵時的溫升測試圖Fig.4 Diagram of temperature rise testing of LED lighting fixture with cover and no dust

2.2 LED燈具在有蓋無塵條件下的溫升特性

圖4是LED燈具在有蓋無塵時的溫升測試圖，同樣地，測試了160 W、200 W、240 W三種功率下LED燈具6個測試點的溫升變化。圖5是不同功率下LED燈具在有蓋無塵條件下溫升的平均值對比圖。可以看出，LED燈具的溫升平均值相比無蓋無塵條件下的溫升均有明顯上升，分別增加了42.41 ℃、50.91 ℃、61.05 ℃。這是由于散熱器的熱量傳導到空氣之前增加了熱阻。散熱器的熱量會散發到密封蓋與散熱器之間的空氣中，但是這部分空氣沒有流動性，無法與外部空氣交換，所以該部分熱量仍要通過密封蓋傳導到外部環境中，從而進行散熱。因此，在LED燈具上設置密封蓋使得燈具的散熱效果變差。

圖5 不同功率下LED燈具在有蓋無塵條件下溫升的平均值對比圖Fig.5 The average temperature rise of LED lighting fixture under different powers with cover and no dust

2.3 LED燈具在無蓋有塵條件下的溫升特性

戶外燈具散熱還需要考慮外部環境對其的影響，例如長期使用，會有灰塵等，相對于有密封蓋的LED燈具，無密封蓋的LED燈具背面的散熱鰭片確實更容易堆積灰塵。本實驗中，在燈具散熱器背部填滿沙塵來模擬散熱鰭片堆積滿灰塵的極端狀態。圖6是LED燈具在無蓋有塵時的溫升測試圖。同樣地，測試了160 W、200 W、240 W三種功率下LED燈具6個測試點的溫升變化。圖7是不同功率下LED燈具在無蓋有塵條件下溫升的平均值對比圖。可以看出，LED燈具的溫升平均值相比無蓋無塵條件下的溫升也有明顯上升，分別增加了15.8 ℃、20.39 ℃、24.06 ℃。這是由于沙塵覆蓋在散熱器的表面，散熱器的熱量無法直接傳遞到空氣中，熱量需要通過沙塵再傳遞到空氣中，沙塵使得散熱的熱阻增加了，散熱效果變差。

圖6 LED燈具在無蓋有塵時的溫升測試圖Fig.6 Diagram of temperature rise testing of LED lighting fixture with dust and no cover

圖7 樣品被沙塵覆蓋在不同功率下溫升平均值對比圖Fig.7 The average temperature rise of LED lighting fixture under different powers with cover and no dust

2.4 密封蓋和沙塵對LED燈具溫升影響的比較

從圖5和圖7可知，密封蓋和沙塵均會影響LED燈具散熱。圖8是LED燈具在不同功率不同條件下溫升數據對比圖。可知，不同功率下LED燈具的溫升相比于無蓋無塵環境，在有蓋無塵時增加的溫升是無蓋有塵時增加的溫升的2.5倍。比較來看，密封蓋比沙塵對燈具散熱的影響更大。因為密封蓋和沙塵對燈具散熱來講均增加了熱阻，散熱器無法和外部環境的空氣直接接觸散熱。而沙子的導熱系數要比空氣的導熱系數要高10倍左右，所以雖然散熱器表面堆滿了沙，仍然可以將大部分熱量傳給沙子再傳遞到外部環境中；而有密封蓋時，散熱器只能把小部分熱量傳給蓋子內部的空氣然后再通過密封蓋傳遞到外部空氣中，散熱效果更差。

圖8 LED燈具在不同功率不同條件下溫升數據對比圖Fig.8 The diagram of the temperature rise of LED lighting fixture under different powers and conditions

3 結論

本文主要研究了LED燈具在不同條件下的溫升特性，在LED燈具散熱器背部設置密封蓋以及堆積沙塵來模擬不同環境，通過比較溫升的大小，了解不同環境對LED燈具散熱的影響。實驗結果表明，設置密封蓋時的LED溫升比沙塵堆積時的LED溫升高很多，相比于無蓋無塵的環境，在有蓋無塵時增加的溫升是無蓋有塵時增加的溫升的2.5倍，密封蓋比沙塵對燈具散熱的影響更大。因此，LED燈具背部設置散熱鰭片并不需要擔心堆積灰塵會影響散熱，實際的環境下灰塵也不可能將散熱鰭片堆滿，所以灰塵對LED燈具散熱的影響是較小的。本文建議在實際生產中，LED燈具不要設置密封蓋，并且在燈具上可以多開設散熱孔增加空氣對流，提升散熱效果。