转贴解读：大功率LED 路灯散热及二次光学设计技术
发布: 2009-8-26 23:51 作者: 曹若杨 来源: 照明工程师社区 查看: 3723次
0]y y[JA _C编者按：随着社会发展的进步，节能减排成为了时代的强声国家大政方针的确立，又为LED应用发展提供了坚实的基础。科技部“十城万盏”路灯重大示范项目的实施，众多省市热情高涨的自主LED路灯项目，这如火如荼的燎原之势，明示了LED无可置疑的节能效果和其应用的强大生命力。但由于目前LED路灯尚缺少统一的技术标准和测量标准，没有某些强制性的性能指标，在群雄四起的时代，LED路灯质量的良莠不齐，在一些地方过早地使用，影响了社会和用户对LED灯具的信心。固此，加强技术研发持续提高LED路灯的整体综合质量，依然是LED应用业界的重中之重。照明工程师社区oB6H+w @0i E w G4HO
'K Q qZ.^(T{:^图1 大功率LED路灯照明工程师社区j)b:M!U6j2mI lq
l HK'I fi ?)d(Y\ 一、 LED路灯的散热照明工程师社区3K V]-? D%n
M2mp4H T~ I2w 在大功率LED路灯的整体设计过程中快速有效地散热是LED路灯重点解决的问题，因为LED光源的光衰和寿命与工作温度的高低有决定性关系。目前LED路灯主要采用热管散热和自然散热2种方式。照明工程师社区C+[?Xd5DwCP
pGH#Yc,P 热管广泛用于CPU的散热，效率高，但需配带热管和运动介质。还需要配合灯具结构作弯、压加工，制作和安装复杂，比较适合集成LED模组光源中使用，如50W、100W甚至更大功率的集成LED。由于在热管中加有运动介质，一旦介质泄漏即会造成整个热管系统失效，而导致LED结温急剧上升。此外，不管由于某种原因造成LED路灯失效，修理也较复杂,需要熟练的专业技术人员方可。照明工程师社区 m!x0FYz-b g7_t9Z%S
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2、自然散热照明工程师社区i \/`;M)r8`2C X
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自然散热是目前LED路灯比较常见的散热方式，具有制作简单，性能可靠，成本低廉的特点，但效率较低。如何提高散热效率是应用自然散热方式的关键所在，我认为首先要有良好的材质和导热界面，足够的散热面积和蓄热能力，在必须满足以上的几个条件的基础上，自然散热方式的灯具设计的真谛在于突出一个“快”字，也就是如何提高冷热空气的快速流动交换是关键，使路灯上的热量通过冷热空气的迅速移位而散发出去，从而达到事半功倍的效果。一味盲目简单地增加热容量和散热面积，只会将LED路灯做得重量很重外形不美的产品，这是走进了采用该种散热方式的认识和设计的误区。照明工程师社区z;IDq' bO k
照明工程师社区 G G_~!PKV Vp S
总之，大功率LED路灯的散热是一个系统工程，需要经过设计、试验和检测三部曲，只有这样才能做到正真的科学与合理。照明工程师社区_9@ Gy,_
照明工程师社区 Uqp cfZ V'SM N
图2 自然散热的热成像曲线图
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6Y2fy8|+?7Y8N R 我们制作的一款功率为140W的自然散热式大功率LED路灯经检测在25℃常温下，其LED结温温升为37℃，这样的数值在国内业界是不多见的，我们还在作进一步的优化,以得到更理想的结温温度。照明工程师社区 u;\b({p)}0\
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图3 大功率LED路灯结温温升曲线图
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目前LED热阻大约在8℃/W左右，随着电光转换效率的不断提高，LED热阻也将会继续下降，大大降低了采用自然散热路灯的设计难度，LED综合性能的不断提高加上精心科学的设计，自然散热方式才能真正体现出制造方便、价格低廉、性能可靠的优势，也必将是未来LED路灯散热的主流方式。
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9jT@!r6Y 二、LED路灯的二次配光照明工程师社区&S DK sj8[ ?#w r,J`8}8T
*Xi6Wl2s]$U LED的二次光学设计决定了LED路灯的配光及光输出效率。是评判LED路灯整灯质量最重要的组成部分之一。目前LED路灯所运用的LED大致为单颗集成式和单颗阵列式二种，单颗集成式LED模组有30W、50W、100W甚至有200W的，现在厂家用的透镜基本都是采用玻璃制作的，但玻璃加工难度大，批量制造一致性差，机床、模具和工人操作都会对加工精度产生影响。另外也不适宜用PMMA塑料制造，因为集成LED模组所用透镜体形大，为了能够达到配光的效果，内部结构之间的厚度会相差很悬殊，注塑成形后也会因收缩率不同而产生变形，因此难以达到准确配光。照明工程师社区]5FD`3_ XM
VSOJ^!W)N LED路灯矩形光斑的二次配光可以有几种技术来实现。我们采用其中的一种非对称自由曲面技术，透镜呈半球型，不同于现在见得很多的长条型透镜，该透镜具备自主知识产权。照明工程师社区)Op~` y0?i
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图4 大功率LED路灯透镜
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我们的LED路灯采用单颗1W阵列式方案，二次配光直接由单个LED光学元件完成，路灯灯头只要用矩形配光的模块作一个阵列式安装，即可达到理想的使用效果。照明工程师社区C;]O)fC
.rNeqV6P&D7{图5 大功率LED路灯配光图
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整体LED路灯经测试表明达到了比较好的配光效果，其均匀度为0.57。
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图6 大功率LED路灯照度模拟图
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]H|^(^Z4h;T tP 寄语：
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我和我的技术团队在三年多的大功率LED路灯研发过程中取得了一些成绩。共申请涉及大功率LED路灯专利20多件，其中国际专利1件。我深深领悟到大功率LED路灯的设计与制造，首先需要对于LED特性有一个深刻准确的理解，并且这种理解还需要始终贯穿整个过程。某种程度可以这样认为：对于LED特性准确的理解程度与所开发的产品品质成正比，理解的越“深”就越能掌控产品的品质。此外，大功率LED路灯的研发是多学科技术的的合成。最简单的例子就是一个内在质量好的LED路灯，还需要美学的支撑，一个造型优美的外型能让你的产品锦上添花，因为时代和社会都需要美。
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0]y y[JA _C编者按：随着社会发展的进步，节能减排成为了时代的强声国家大政方针的确立，又为LED应用发展提供了坚实的基础。科技部“十城万盏”路灯重大示范项目的实施，众多省市热情高涨的自主LED路灯项目，这如火如荼的燎原之势，明示了LED无可置疑的节能效果和其应用的强大生命力。但由于目前LED路灯尚缺少统一的技术标准和测量标准，没有某些强制性的性能指标，在群雄四起的时代，LED路灯质量的良莠不齐，在一些地方过早地使用，影响了社会和用户对LED灯具的信心。固此，加强技术研发持续提高LED路灯的整体综合质量，依然是LED应用业界的重中之重。照明工程师社区oB6H+w @0i E w G4HO
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l HK'I fi ?)d(Y\ 一、 LED路灯的散热照明工程师社区3K V]-? D%n
M2mp4H T~ I2w 在大功率LED路灯的整体设计过程中快速有效地散热是LED路灯重点解决的问题，因为LED光源的光衰和寿命与工作温度的高低有决定性关系。目前LED路灯主要采用热管散热和自然散热2种方式。照明工程师社区C+[?Xd5DwCP
pGH#Yc,P 热管广泛用于CPU的散热，效率高，但需配带热管和运动介质。还需要配合灯具结构作弯、压加工，制作和安装复杂，比较适合集成LED模组光源中使用，如50W、100W甚至更大功率的集成LED。由于在热管中加有运动介质，一旦介质泄漏即会造成整个热管系统失效，而导致LED结温急剧上升。此外，不管由于某种原因造成LED路灯失效，修理也较复杂,需要熟练的专业技术人员方可。照明工程师社区 m!x0FYz-b g7_t9Z%S
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2、自然散热照明工程师社区i \/`;M)r8`2C X
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自然散热是目前LED路灯比较常见的散热方式，具有制作简单，性能可靠，成本低廉的特点，但效率较低。如何提高散热效率是应用自然散热方式的关键所在，我认为首先要有良好的材质和导热界面，足够的散热面积和蓄热能力，在必须满足以上的几个条件的基础上，自然散热方式的灯具设计的真谛在于突出一个“快”字，也就是如何提高冷热空气的快速流动交换是关键，使路灯上的热量通过冷热空气的迅速移位而散发出去，从而达到事半功倍的效果。一味盲目简单地增加热容量和散热面积，只会将LED路灯做得重量很重外形不美的产品，这是走进了采用该种散热方式的认识和设计的误区。照明工程师社区z;IDq' bO k
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总之，大功率LED路灯的散热是一个系统工程，需要经过设计、试验和检测三部曲，只有这样才能做到正真的科学与合理。照明工程师社区_9@ Gy,_
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图2 自然散热的热成像曲线图
,k8c/U(@XRx*AF h~p
6Y2fy8|+?7Y8N R 我们制作的一款功率为140W的自然散热式大功率LED路灯经检测在25℃常温下，其LED结温温升为37℃，这样的数值在国内业界是不多见的，我们还在作进一步的优化,以得到更理想的结温温度。照明工程师社区 u;\b({p)}0\
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图3 大功率LED路灯结温温升曲线图
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目前LED热阻大约在8℃/W左右，随着电光转换效率的不断提高，LED热阻也将会继续下降，大大降低了采用自然散热路灯的设计难度，LED综合性能的不断提高加上精心科学的设计，自然散热方式才能真正体现出制造方便、价格低廉、性能可靠的优势，也必将是未来LED路灯散热的主流方式。
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9jT@!r6Y 二、LED路灯的二次配光照明工程师社区&S DK sj8[ ?#w r,J`8}8T
*Xi6Wl2s]$U LED的二次光学设计决定了LED路灯的配光及光输出效率。是评判LED路灯整灯质量最重要的组成部分之一。目前LED路灯所运用的LED大致为单颗集成式和单颗阵列式二种，单颗集成式LED模组有30W、50W、100W甚至有200W的，现在厂家用的透镜基本都是采用玻璃制作的，但玻璃加工难度大，批量制造一致性差，机床、模具和工人操作都会对加工精度产生影响。另外也不适宜用PMMA塑料制造，因为集成LED模组所用透镜体形大，为了能够达到配光的效果，内部结构之间的厚度会相差很悬殊，注塑成形后也会因收缩率不同而产生变形，因此难以达到准确配光。照明工程师社区]5FD`3_ XM
VSOJ^!W)N LED路灯矩形光斑的二次配光可以有几种技术来实现。我们采用其中的一种非对称自由曲面技术，透镜呈半球型，不同于现在见得很多的长条型透镜，该透镜具备自主知识产权。照明工程师社区)Op~` y0?i
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图4 大功率LED路灯透镜
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我们的LED路灯采用单颗1W阵列式方案，二次配光直接由单个LED光学元件完成，路灯灯头只要用矩形配光的模块作一个阵列式安装，即可达到理想的使用效果。照明工程师社区C;]O)fC
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整体LED路灯经测试表明达到了比较好的配光效果，其均匀度为0.57。
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图6 大功率LED路灯照度模拟图
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我和我的技术团队在三年多的大功率LED路灯研发过程中取得了一些成绩。共申请涉及大功率LED路灯专利20多件，其中国际专利1件。我深深领悟到大功率LED路灯的设计与制造，首先需要对于LED特性有一个深刻准确的理解，并且这种理解还需要始终贯穿整个过程。某种程度可以这样认为：对于LED特性准确的理解程度与所开发的产品品质成正比，理解的越“深”就越能掌控产品的品质。此外，大功率LED路灯的研发是多学科技术的的合成。最简单的例子就是一个内在质量好的LED路灯，还需要美学的支撑，一个造型优美的外型能让你的产品锦上添花，因为时代和社会都需要美。
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