LED工矿灯的创新运用

王剑涛 章世贵

摘 要：在我国《国家中长期科学和技术发展规划纲要》中，LED灯等半导体照明产品被明确列入“重点领域及优先主题”。 LED工矿灯作为工业照明的发展趋势已经得到普遍认同，但目前市场上的产品研发过程中却忽略了在高温应用环境下的特殊技术要求。文章讨论了温度变化可能引起LED器件的失效问题，并依据大量实验和应用数据，总结了LED工业照明装置在高温高湿运行环境推广应用的特殊技术要求和设计指导意见，并提供了详细的指导性规范准则。

关键词：LED工矿灯 照度

中图分类号：TU7 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2012）12（a）-0-02

LED（Light Emitting Diode，发光二级管）即半导体照明灯，诞生于20世纪60年代，它是一种基于半导体PN结形成的用微弱的电能就能发光的高效固态光源，在一定的正向偏置电压和注入电流下，注入P区的空穴和注入N区的电子在扩散至有源区后经辐射复合而发出光子，将电能直接转化为光能。它是一种固态冷光源，具有环保无污染、耗电少、光效高、寿命长等特点。由于冶金行业特殊的工作需要，环境非常复杂，因此对照明产品提出了更高的要求，尤其针对作业场所的高温、高湿甚至粉尘，LED工矿灯在设计研发阶段必须充分考虑。

1 温度对LED的影响

（1）温度过高会对LED造成永久性破坏，LED工作温度超过芯片的承载温度，将会使LED的发光效率快速降低，产生明显的光衰，并造成损坏。LED多以透明环氧树脂封装，若结温超过故相转变温度（通常为125 ℃），封装材料会向橡胶状转变并且热膨胀系数骤升，从而导致LED开路和实效。（2）温度升高会缩短LED寿命。高温条件下，LED芯片材料内存在的缺陷快速繁衍，直至侵入发光区，形成大量的非辐射复合中心，严重降低LED发光效率；高温时透明环氧树脂会变性、发黄，影响透光性能；荧光粉在高温下的衰减十分严重，是影响LED光衰的一个主要原因。（3）温度升高降低LED发光效率。温度升高，禁带宽度减小，电子迁移率减小，内量子效率降低，荧光粉量子效率降低，出光减小，硅胶热折射率降低，都会直接导致LED发光效率的降低。（4）温度对LED发光波长有非常大的影响，在温度升高时，发光区材料的禁带宽度将减小，导致期间发光波长变长，颜色发生红移。

针对温度对LED的影响，我们在LED工矿灯设计时要充分考虑以下因素

1.1 灯珠选择上

（1）LED光效温度系数K最好在0.002以下，这样由温度引起的LED光输出降低才不会太大。例如InGaN类LED的K值约为0.0012，节温125 ℃时光输出相对结温25 ℃是降低月11%。

（2）尽量选用低热阻、高节温的芯片。由于环境温度和结温的近线性关系，在实际使用过程中，视产品实际使用的最高环境温度而定，也就是说，如果芯片节温如果是125 ℃，而最高环境温度为60 ℃，那么在室温环境下（25 ℃），芯片温度应当确保在125-35-10=80度以内。（图1）

1.2 结构设计上

（1）灯具外壳的表面处理有电泳、电镀、烤漆、喷漆多种，尽量采用金属电镀的方法，其散热效果最佳。（2）芯片与散热器的导热材料尽量选用不易挥发的材质，比如石墨导热片。（3）内部线缆、透镜材质等，选用耐高温材质。（4）随着环境温度的升高，产品外表面辐射换热量逐渐增大，辐射换热有所强化，辐射换热量占热源总热量的比例逐渐增大，所以应当适度加大产品的外接触面积。（5）从烟囱效应来看，对流散热的效果较之辐射散热来得更快，所以在结构设计上应当优先考虑LED工矿灯的整体通透性。

1.3 电源搭配上

（1）环境温度变化时，LED的正向压降If也会随之变化，大约-2 mV/ ℃左右，而If几毫安的波动，对LED寿命和光衰均会产生极大的影响，这在驱动设计时着重考虑。（2）考虑到电源自身温升及内部器件的耐温和寿命，在高温高湿环境中，建议考虑电源外置。（3）由于温度升高，电流也会随之升高，电源应当采用分路恒流。（图2）

笔者在2010年10月，针对唐山中厚板厂铸造车间的照明设计中，通过建立热仿真模型，进行了大量的理论计算，继而开发出对应的产品并进行了相关的实际测量，采用LED工矿灯，不但可以解决冶金行业的照明，而且还能在其恶劣的环境下确保使用。（图3）此款产品（专利号ZL201130147606.5）是200 W工矿灯，在灯伞设计上，参考了对流散热原理，角度和高度都是经过精确计算而来。散热器中的散热孔，兼顾了美学和流体学原理。灯具采用了5个40 W的发光模组（专利号ZL201130147605.0）组合而成，根据客户实际情况，进行了二次光学设计，匹配了最佳的透镜，使照明效果达到最佳。针对唐山中厚板厂LED工矿灯的运用，我们在方案实施后第二年，对实际使用效果进行了比对：（环境温度60 ℃、相对湿度80%、灯具高度16.5 m）（见表1）结果论证：LED工矿灯经过近一年的使用后，照度衰减小于3%，损坏率小于0.2%，完全可以在高温高湿的条件下正常工作。

2 结语

由实际结果来看，针对冶金行业的LED工矿灯，在高温高湿的环境下使用效果良好。

目前困扰LED发展的因素主要是成本偏高，而随着LED芯片技术的不断提升，光效也会有很大的提升空间，LED芯片的单位成本也会显著下降，进而对LED整灯的成本有着直接的推动作用。

从国内外政府的政策导向来看，大型工矿企业的节能减排工作任重道远，我们相信在不远的将来，更加优良的LED工矿灯必将引领工业照明的革命性潮流。

参考文献

[1] 王本龙，张希艳.大功率LED封装散热方式[J].中国照明，-2008（11）.

[2] 田传军，张希艳.温度对大功率LED照明系统光电参数的影响[J].发光学报 FEB，-2010，31（1）.

[3] 王健 黄先.温度和电流对白光LED发光效率的影响[J].发光学报APR，-2008（1）：29.

[4] 金尚忠，张树生.白光照明LED灯温度特性的研究[J].光源与照明，2004（4）.