灯具散热那些事儿

2017-09-04

   众所周知,LED(Light Emitting Diode),发光二极管,是一种固态的半导体 器件,它可以直把电能转化为光能。LED的心脏是一个半导体的晶片,晶片的一端附着在一个支架上,是负极,另一端连电源的正极,整个晶片被环氧树脂封装起来。

 
  半导体晶片由两部分组成,一部分是P型半导体,在它里面空穴占主导地位,另一端是N型半导体,在这边主要是电子。但这两种半导体连起来的时候,它们之间就形成一个“P-N结”。当电流通过导线作用于这个晶片的时候,电子就会被推向P区,在P区里电子跟空穴合,然后就会以光子的形式发出能量,这就是LED发光的原理。而光的波长决定光的颜色,是由形成P-N结材料决定的。
 
  LED把电能转化为光能的过程中,电流流过LED元器件时,PN结的温度会上升,形成所谓的发光发热,即电流越高,温度越高,光的亮度就越高,看到这里很多人可能会说,既然如此,那为什么还要去控LED的温度呢?
 
  要了解此问题,我们先来看看过高的温度会对LED跟LED灯具造成怎样的影响。
 
  温度对LED的影响
 
  ①LED主要由支架、银胶、晶片、金线(铜线)、环氧树脂所组成的,其中除了支架和环氧树脂外,其余三种物料出现损害都能直导致LED停止工作,而过高的温度,正好就是以上三种物料的克星,在高温的环境下LED的光衰会增大,减少LED的使用寿命,更有过者甚至能在一瞬间把金线(铜线)烧毁导致LED直损坏。
 
  ②单体的LED并不能直满足使用需求,常常伴随者LED一同出现的还有LED电源(驱动),电源本身就是一个发热体,它有着自身的耐温要求,如若温度太高,会造成电源的失能甚至损害,从而导致LED灯具无法正常工作。
 
  所以,解决LED跟LED灯具的温度问题是刻不容缓的,也就是散热。
 
  散热原理
 
  传统意义上的散热就是所谓的传递热量,而传递热量的原理有以下三点:
 
  1  传导
 
  众所皆知,热是能通过介质传导的,它能从温度过高的位置传递到温度过低的位置,既然如此,那么材料的传导率、散热体结构造成的热阻以及形状大小都有可能对热传导进行干扰。
 
  2  辐射
 
  高中物理老师告诉我们,热是往上走的,其实这就是所谓的辐射,它很极限与周围的环境以及辐射体本身的材料。
 
  3  对流
 
  买楼房的人应该听过一字楼这个概念,销售一般会说这样的楼房是很凉快的,确实如此,所谓的对流就是通过气体或液体的流动来散热,它的散热速度一般取决于流动的速度,如若想在灯体上实现是很难的(考虑防水,安规等因数),不过也并非没有具体参考以下图示产品。
QQ截图20170904094352
  以上三点散热,现在用到灯具上最多的是热传导,同样这也是今天我们着重探讨的话题。
 
  热传导
 
  阅读以上文字的朋友应该注意到影响热传导的有三点,材料、结构、尺寸。
 
  1  材料
 
  说到材料,我们得由LED灯具的组成来说,首先一个最常见的LED灯具是由散热器(灯身)、LED、基板、电源驱动、光学元件组成的。其中发热体有LED、驱动两个,散热体有散热器、基板、或者铝的光学元件(导热量几乎可以忽略不计)。
 
  · 散热器
 
  LED灯具的散热器一般都是铝的,其中分为两大类,以AL6060等铝材为主的拉伸铝,以ADC12为主的压铸铝。其中ADC12的导热系数为96.7w/m ℃,AL6060等铝材为198~250w/m ℃不等,在导热上后者是优于前者的,看到这里有人可能会问,既然AL6060等铝材导热这么好,为什么还会有ADC12的出现呢?
 
  ①ADC12压铸铝,它以量产快,可以满足设计美观上的大致要求(几乎是你想到的造型都能呈现出来),不过因为可改动低,设计模具费用高,一般是采用在尺寸不是很大,不需要修改的产品上,同样的它也因为价格相对便宜,所以长期占据在外壳市场上。
 
  ②拉伸铝,导热性强,模具成本低一般是压铸模的十分之一,长度变化也很灵活,加工量产快,然而它不能完全占据外壳的市场原因有以下几点:硬度不足,容易变形、外观基本只能是拉伸型,变化少,满足不了市场外观要求。
 
  综合以上两点,可得出散热拉伸铝优于压铸铝,外观实用性后者优于前者,具体取决还要看设计的成本要求以及外观要求。
 
  · 基板
 
  除了外壳之外,基板也是重要的散热体之一,市面上常见的能用到LED灯具上的散热基板有铜基板、铝基板,其中导热性铜基板优于铝基板,不过优于价格相对高,很大部分的设计者或者企业都会选择铝基板作为散热板。
 
  2  结构
 
  ①外观上可以采用以下图示中鳍片设计。
  ②在设计初期,应当想好电子元器件的摆放,避免出现以下几种图示中的共热源情况。
  ③在结构的允许下,最好不要把电源的位置固定到光源底下,因为按热流通的原理,热是往上走的,在确实没办法控的情况下,最好把传导距离预留到3CM以上(至于为什么,请自行百度热传导相关知识)。设计平面如下图。
  3  尺寸
 
  这个就不细说了,例如一平方米的材料导出1W的热量,跟一平方米的材料导出100W的热量,这个概念很清楚,没有必要细说,在这里只能推荐是,在合理的范围内选用合理的尺寸。
 
  散热误区
 
  读以上的资料,很多人应该白热导对于灯具散热来说是至关重要的,所以很多人都会去选择更好的散热材料,从而迷信于那些所谓的价格高,没有经过多方验证的高科技材料,其实有实验得出,用普通的铝散热,经过多次测试,热沉的温度也就只比某些所谓的高科技散热材料高3-5°,也就是说,如果真能用到一种导热特好的材料,在热阻为零的情况下,只能把温度降低3-5°而已,但成本上就另谈其说了。
 
  除了材料,热管上面也存在很大的误区,首先来说说什么是热管,热导管(称热管)是一种具有快速均温特性的特殊材料,其中空的金属管体,使其具有质轻的特点,而其快速均温的特性,则使其具有优异的热超导性能;热管的运用范围相当广泛,最早期运用于航天领域,现早已普及运用于各式热交换器、冷却器、天然地热引用等,担任起快速热传导的角色,更是现今电子产品散热装置中最普遍高效的导热(非散热)元件。
 
  这段介绍听起来是很高大上,然而从热沉导出的热量最终需要通过空气对流把热带走的,如果没有散热鳍片的支撑,热管很快就会达到热平衡,温度同热沉一起上升,那就没有多大的意义了,而在热管上增加鳍片的话,最终还是用鳍片散热,而且鳍片和热管的触点反而不如其他的方式触的好,另外也会导致成本的提高,散热效果没有得到改善。所以在使用热管时,尽量要考虑其结构合理性,不能盲目使用。
 
  散热三点,传导、对流、辐射,其中传导跟对流我已经交代了,下来谈谈辐射,其实这对灯具散热来说是没有多大的意义的,然而很多的人都会听那些厂家说什么纳米辐射材料什么的,其实这对灯具来说,真的是忽略不计的。为什么?首先对于灯具来说,温度大概范围是50-80°左右,而在这种情况下,就算辐射材料达到黑体辐射的辐射能力,也最多可以起到散热的百分之几的比重,而且涂层本身就是妨碍热导的,从而影响到灯具的散热。
 
QQ截图20170904094319
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