LED在應(yīng)用中的問題及解決方法

在目前的實(shí)際應(yīng)用中，大功率LED存在的問題主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1.對(duì)保證LED工作條件和對(duì)電源技術(shù)性的認(rèn)知程度不足，造成產(chǎn)品在電源上的故障層出不窮。

2.對(duì)當(dāng)今LED路燈實(shí)用性道路的應(yīng)用概念不清，盲目的與大功率氣體放電燈“媲美”不計(jì)成本的制作超大功率LED路燈，造成不切合實(shí)際的價(jià)格昂貴的路燈產(chǎn)品難以推廣。

3.對(duì)道路照明要求感悟不足，科學(xué)性點(diǎn)光源光學(xué)配光難點(diǎn)及對(duì)色溫在道路照明中的重要性忽略，易造成眩光，斑馬效應(yīng)和在空氣污染嚴(yán)重，下雨有霧天氣的環(huán)境中，造成燈亮地面不夠亮的現(xiàn)象。

4.對(duì)道路照明要求模糊，實(shí)際使用維護(hù)的欠考慮，造成直接使用業(yè)主的抵制。

5.由于對(duì)LED光源工作條件的要求不甚了解造成光衰減嚴(yán)重甚至于死燈。

對(duì)LED光源的工作環(huán)境這個(gè)問題的討論，需具備了解LED的基本常識(shí);發(fā)光二極管其核心是PN結(jié)。因此它具有一般P-N結(jié)的I-N特性，即正向?qū)?，反向截止、擊穿特性。此外，在一定條件下，它還具有發(fā)光特性。在正向電壓下，電子由N區(qū)注入P區(qū)，空穴由P區(qū)注入N區(qū)。進(jìn)入對(duì)方區(qū)域的少數(shù)載流子(少子)一部分與多數(shù)載流子(多子)復(fù)合而發(fā)光，其現(xiàn)今大功率LED發(fā)光效率約為30%，70%將是熱能，需要將其散熱處理。大功率白光LED的結(jié)溫TJ在亮度衰減70%時(shí)與壽命的關(guān)系可看出：TJ=50℃時(shí)，壽命為90000小時(shí)，TJ=80℃時(shí)，壽命降到34000小時(shí)，TJ=115℃時(shí)，其壽命只有13300小時(shí)了。TJ在散熱設(shè)計(jì)中要提出最大允許結(jié)溫值TJmax，實(shí)際的結(jié)溫值TJ應(yīng)小于或等于要求的TJmax，即TJ≤TJmax。

對(duì)散熱材料的熱平衡速度要求重視度，造成光源的熱得不到有效的處理引起光衰減嚴(yán)重?，F(xiàn)在許多生產(chǎn)廠家大功率LED的熱沉散熱殼體應(yīng)用基本采用不同的合金鋁材料，其導(dǎo)熱系數(shù)不一，一些材料的散熱速率難以滿足LED工作條件。不可忽略的鋁基板及導(dǎo)熱硅膠，硅脂材料的導(dǎo)熱環(huán)節(jié)，使用材料的實(shí)際壽命質(zhì)量，將直接影響LED的工作散熱條件。如何減少中間環(huán)節(jié)，直接與熱沉散熱近距離接觸將熱量快速達(dá)到平衡的有效散熱，是現(xiàn)今高質(zhì)量的LED燈具產(chǎn)品開發(fā)需考慮的方向。

先從材料分析：

金屬的熱傳導(dǎo)系數(shù)表——銀 429銅 401金 317鋁 237鐵 80錫 67鉛 34.8銀熱傳導(dǎo)系數(shù)比較好，但缺點(diǎn)就是價(jià)格太高，純銅散熱效果則次之，但已經(jīng)算是非常優(yōu)秀的了。不過銅也有缺點(diǎn)：造價(jià)高、重量重、不耐腐蝕等。所以現(xiàn)在大多數(shù)散熱片都是采用輕盈堅(jiān)固的鋁材料制作的，其中鋁合金的熱傳導(dǎo)能力最好，好的風(fēng)冷散熱器一般采用鋁合金制作。至于銅，目前市場(chǎng)上也出現(xiàn)了純銅的散熱器，銅的導(dǎo)熱性能比起鋁要快的多，但銅的散熱沒有鋁快，銅可以快速的把熱量帶走，但無法在短時(shí)間內(nèi)把本身的熱量散去，另外銅的可氧化性是銅本身最大的弊病。當(dāng)銅一旦出現(xiàn)氧化狀態(tài)，從導(dǎo)熱和散熱方面都會(huì)大大的下降。

從對(duì)比上看，最好的散熱材料也并不是鋁材。銅和鋁的對(duì)比中形成了一種新型的工藝——銅鋁結(jié)合。所謂的銅鋁結(jié)合就是把銅和鋁用一定的工藝完美的結(jié)合到一塊， 讓銅快速的把熱量傳給鋁，再由大面積的鋁把熱量散去，這不但增充了鋁的導(dǎo)熱不及銅，還彌補(bǔ)了銅的散熱不如鋁，有機(jī)的結(jié)合從而達(dá)到急速傳熱快速散熱的效果。

多篇文章中都闡述了散熱是靠面積而不是看體積的大小，許多企業(yè)都了解了個(gè)中道理，殼體采用多層翅片散熱，但對(duì)熱沉散熱殼體的翅片忽略了防塵和積塵，日積 月累將會(huì)影響殼體的散熱效果。應(yīng)從在自然條件下規(guī)避積塵的最小化，不同方向的風(fēng)和雨的自然沖刷可易性和清除灰塵的粘敷性。保證熱沉殼體的散熱效果不受惡劣 環(huán)境的影響，散熱通道的暢通，做到真正的長(zhǎng)壽命。

在增加散熱面保證散熱效果的基礎(chǔ)上，解決了不同方向的風(fēng)和雨的自然沖刷可易性和清除灰塵的粘敷性的問題，保證了熱沉殼體的散熱效果不受惡劣環(huán)境的影響。

以現(xiàn)在的金屬加工技術(shù)來看，機(jī)械加工是不可能做出理想化的絕對(duì)的平整表面，即便是鏡面，也有很多細(xì)小的坑凹，只是肉眼不太容易發(fā)現(xiàn)，除了表面上存在坑凹外，還會(huì)有很多細(xì)小雜質(zhì)，如灰塵什么的。當(dāng)散熱器表面和芯片表面接觸時(shí)，存在的很多溝壑或空隙中都是空氣?？諝獾膶?dǎo)熱能力很差，因此必須用其它物質(zhì)來降低熱阻，否則散熱器的性能會(huì)大打折扣，甚至無法發(fā)揮作用。

作為解決辦法，導(dǎo)熱介質(zhì)就應(yīng)運(yùn)而生了，它的作用就是填充兩個(gè)接觸表面之間大大小小的空隙，增大發(fā)熱源與散熱片的接觸面積。導(dǎo)熱硅脂是我們最常見的導(dǎo)熱介質(zhì)。

導(dǎo)熱硅脂是用來填充鋁基板與散熱片之間的空隙的材料的一種，這種材料又稱之為熱界面材料。其作用是用來向散熱片傳導(dǎo)鋁基板散發(fā)出來的熱量，使鋁基板溫度保持在一個(gè)可以穩(wěn)定工作的水平，防止鋁基板因?yàn)樯岵涣级鴵p毀，并延長(zhǎng)使用壽命。

作為一種化學(xué)物質(zhì)，導(dǎo)熱硅脂有著一些反映自身特性的相關(guān)性能參數(shù)。了解這些參數(shù)的含義，大致上可以判斷一款導(dǎo)熱硅脂產(chǎn)品的性能高低。

導(dǎo)熱系數(shù)(Thermal CONductivity)，導(dǎo)熱系數(shù)的單位為W/m?K(或W/m?℃)，表示截面積為1平方米的柱體沿軸向1米距離的溫差為1開爾文(K=℃+273.15)時(shí)的熱傳導(dǎo)功率。數(shù)值越大，表明該材料的熱傳遞速度越快，導(dǎo)熱性能越好。

目前主流導(dǎo)熱硅脂的導(dǎo)熱系數(shù)均大于1W/m?K，優(yōu)秀的可達(dá)到6W/m?K以上，是空氣的200倍以上。但是和銅鋁這些金屬材料相比，導(dǎo)熱硅脂的導(dǎo)熱系數(shù) 只有它們的1/100左右，換而言之，在整個(gè)散熱系統(tǒng)中，硅脂層其實(shí)是散熱瓶頸之所在。對(duì)于一個(gè)散熱系統(tǒng)而言，不僅是散熱器的事，導(dǎo)熱介質(zhì)也是很重要的組 成部分：

散熱系統(tǒng)的總熱阻 = 散熱器熱阻 + 導(dǎo)熱介質(zhì)熱阻導(dǎo)熱硅脂作為我們最常用的導(dǎo)熱介質(zhì)，其重要性不言而喻了，要降低其熱阻，一方面取決于產(chǎn)品本身的性能， 另一方面取決于對(duì)產(chǎn)品的使用。因此我們要盡量選用那些導(dǎo)熱性能好熱阻低的導(dǎo)熱硅脂，并在使用上多加注意，在保證硅脂完全填充熱源和散熱器表面空隙前提下， 涂抹方式硅脂層盡可能地薄。

值得大家注意的是普通導(dǎo)熱硅脂在高溫環(huán)境中使用一段時(shí)間后會(huì)出現(xiàn)“干化”或“硬化”現(xiàn)象，將會(huì)大大影響散熱效果。因此在鋁基板與熱沉之間的導(dǎo)熱環(huán)節(jié)需重視。

有關(guān)人士正研究在熱沉材料上進(jìn)行特殊的陶瓷化處理直接安裝線路，經(jīng)過這樣的優(yōu)化后將會(huì)根本解決散熱的導(dǎo)熱環(huán)節(jié)。

從國(guó)內(nèi)現(xiàn)有參與制作LED路燈的企業(yè)廠家來看，大部分是沒有制作過路燈，對(duì)路燈制作的技術(shù)具體要求較模糊，互相參照模仿，以常規(guī)傳統(tǒng)“蛇頭”形狀制作具 多。當(dāng)今LED路燈矩形狀的重量與風(fēng)阻影響著路燈的改造安裝，在光學(xué)配光和維護(hù)要求上與其常規(guī)氣體放電燈燈具相比難度較大，特別是直接的使用方業(yè)主反應(yīng)強(qiáng) 烈，給應(yīng)用推廣帶來了困難。

我從國(guó)家電光源檢 測(cè)中心得到的相關(guān)信息，在諸多廠家送檢產(chǎn)品中就在IP防護(hù)這一項(xiàng)目上，絕大多數(shù)存在問題，而且意識(shí)不到問題的所在，認(rèn)為我們的產(chǎn)品在水里都浸泡過也沒有問 題，怎么到檢測(cè)中心就出問題?相信也有些產(chǎn)品在使用一段時(shí)間暴露出光源腔體存有水氣。我看到許多廠家在檢測(cè)中心排隊(duì)送檢的產(chǎn)品，感到心痛，很多彎路是可以 避免的。在燈體密封結(jié)構(gòu)上，在密封圈的材料選用上，飛利浦的燈具在這方面就做了專門的研究。

在路燈造型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，不要跟著傳統(tǒng)路燈的模樣走。路燈的功能是要達(dá)到道路照明的要求，可以發(fā)揮LED光源的任意組合強(qiáng)項(xiàng)，可制作成“變形金剛”的特 點(diǎn)，能真正做到“白天觀景，夜晚觀燈”的城市景觀效果。道路照明要求的是;一定的照度和路面均勻度與平均照度，常規(guī)照明燈具反 射器的缺憾在路面平均照度上難以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。在燈具出光效率的有效利用上，傳統(tǒng)路燈的效率標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)≥70%為合格，但實(shí)際上有一部分溢散光不能準(zhǔn)確地控制 在照射面上并且無法利用，造成光污染，有效利用率約50%，而LED路燈的光學(xué)配光可以準(zhǔn)確控制光線方向，有效利用率達(dá)60%以上。

從當(dāng)今大功率LED路燈點(diǎn)光源及光效的特點(diǎn)來看，要滿足道路照明的要求，必須要把有效的光強(qiáng)利用到有效的照明范圍，道路照明的燈桿間距基本在30—40m，要保證道路的平均照度要求，其點(diǎn)光源LED燈具配光要使得路面沒有斑馬效應(yīng)，需進(jìn)行相應(yīng)的二次光學(xué)系統(tǒng)配套設(shè)計(jì)。

高質(zhì)量的大功率LED路燈用模塊化配套的二次光學(xué)系統(tǒng)可以有效控制路燈照明的平均照度，10米高時(shí)為34米×12米近似矩形光斑，光斑形狀與均勻度均能滿足道路照明要求。

從以上兩點(diǎn)可以看出，只要LED路燈二次光學(xué)設(shè)計(jì)合理，投向目標(biāo)照射面的有效光通量和傳統(tǒng)路燈基本接近。

目前LED路燈的配光技術(shù)已經(jīng)有了很大的發(fā)展，有些廠家已經(jīng)開發(fā)出良好的二次配光系統(tǒng)，而不再是單純依靠光源排列來配光，但綜合看，配光還不能做到完全合 理，有些在道路內(nèi)側(cè)的配光較亮，均勻度也能滿足要求，但人行道側(cè)環(huán)境光的亮度明顯不足，SR值明顯不符合要求，還是廠家設(shè)計(jì)人員對(duì)道路照明標(biāo)準(zhǔn)的要求理解 不夠。

LED路燈的色溫問題：

目前大功率LED路燈基本上是采用5000K 左右所在色溫的白光。作為道路照明光源，視覺感過分陰冷，同時(shí)遠(yuǎn)視時(shí)觀察能力會(huì)下降，在這方面路燈使用單位最有發(fā)言權(quán)，3000K左右的黃光或暖白光是比較適合道路照明的，因此日光色的LED路燈不適合做路燈使用。