LED灯条及灯珠散热性能研究与提升策略

摘要：随着LED技术的广泛应用，热管理问题引起了广大研究者的关注。基于此，本文主要分析LED灯条和灯珠的工作原理及其散热问题，其次通过实验探讨不同散热设计对LED性能的影响，最后提出技术改进策略，旨在提高LED产品的散热效率，延长寿命，降低能耗，以供参考。

关键词：LED散热性能；石墨烯散热材料；LED灯条；LED灯珠；能耗优化

DOI：10.12433/zgkjtz.20232830

发光二极管（Light Emitting Diode，LED）是一种将电能转化为光能的固态半导体设备，工作原理是利用PN结的电子与空穴复合发光的特性，具有体积小、寿命长、能耗低、耐震性强以及响应速度快等特点，因此，在各种照明设备、显示屏幕和电子设备等领域得到了广泛应用。

然而，LED在工作过程中会产生大量热量，如果不能有效地导出这些热量，LED的工作温度将升高，不仅会影响LED的发光效率和颜色稳定性，还可能缩短LED的使用寿命。因此，如何设计和实现有效的LED散热系统是LED照明技术研究中的重要问题。本文将通过理论分析和实验验证的方式，探讨LED的散热问题，并对比分析不同散热设计对LED性能的影响，旨在为LED照明设备的设计和制造提供理论支持和实践指南。

一、LED灯条和灯珠的工作原理

（一）LED散热问题的重要性

尽管LED以高效率、寿命长和体积小等优点而被广泛应用，但在工作过程中产生的大量热量是个不容忽视的问题。当电流通过LED时，虽然大部分电能会转化为光能，但也有相当一部分能量会转化为热能，这是由于在能量转换过程中，存在一定比例的能量损耗。如果不能有效散发这些热量，就会在LED灯珠或灯条内部累积，导致工作温度逐渐升高，影响LED的性能。首先，高温会直接导致LED的发光效率下降。当LED的温度升高时，会增加内部半导体材料的带隙宽度，降低发光效率。其次，加速LED内部材料的老化，缩短LED的使用寿命。最后，导致LED发生热衰退现象，使LED的光输出急剧下降，影响其使用性能。因此，有效的散热对于保障LED性能和寿命至关重要。深入研究LED的散热性能，提出有效的提升策略，可以有效控制LED的工作温度，确保稳定性和寿命，也能提高能源效率。理解并解决LED的散热问题，对于LED的生产商和使用者而言，不仅是提高LED性能、延长使用寿命的重要途径，也是实现绿色照明、降低能源消耗和保护环境的关键。此外，随着LED技术在照明领域的应用越来越广泛，解决散热问题不仅对保障产品质量、提升用户体验具有重要作用，还有利于推动LED技术持续进步和发展。

（二）LED的基本工作原理

发光二极管（LED）是一种特殊的半导体器件，工作原理基于半导体物理的核心理论。在了解LED工作原理之前，需要先理解PN结和电子空穴复合的概念。在半导体中，N型材料和P型材料是两种基本的半导体。N型半导体有多余的自由电子，而P型半导体有空缺电子的位置，称为“空穴”。当N型和P型半导体连接在一起时，会形成一个PN结。在LED中，当通过电流驱动时，电子会从N型半导体区域通过PN结进入P型半导体区域。在P型区域，电子会找到空穴并与之复合。在复合过程中，电子从较高的能级跃迁到较低能级，差额的能量以光子的形式被释放，从而产生光，这就是LED发光的基本原理。复合发光的过程是在微观的量子力学层面发生的。具体的光子能量即发出的光的颜色取决于半导体材料的能带差，也就是电子在复合时从高能级跃迁到低能级释放出的能量。

（三）LED灯条和灯珠的设计和使用

LED灯条是一种常见的照明设备，广泛应用于家庭、商业、广告和舞台等多个领域。它的基本构造是由多个LED灯珠通过电路板串联或并联连接在一起，形成一条灯带。通常情况下，灯珠被均匀地布置在灯带上，通过电源驱动，可以提供连续、均匀的照明。在LED灯条中，每个灯珠都是一个单独的光源，都有自身的散热需求。每个灯珠在工作时都会产生热量，如果不进行有效散热，会使灯珠的温度升高，影响性能和寿命，因此，需要重视每个灯珠的散热。然而，仅关注单个灯珠的散热是不够的，在灯条设计中，所有灯珠的散热都需要作为一个整体考虑。所有灯珠的热量会集中在灯条上，如果没有有效的散热设计，会导致灯条的整体温度升高，影响灯条的性能和寿命。因此，需要考虑整体的散热问题，包括灯珠布局、灯条材料选择、散热设备设计等。

二、LED散热问题的影响

（一）散热对LED性能的影响

LED的发光效率与工作温度密切相关。研究表明，当LED的工作温度升高，发光效率会下降。这是因为高温会增加LED内部的非辐射复合，即电子与空穴的复合不再产生光，而是转化为热能，从而降低LED的发光效率。此外，LED的颜色稳定性也受到工作温度的影响。当LED的工作温度升高，光的波长会发生变化，导致颜色发生漂移，对于需要精确色控的照明应用（如舞台照明、电影拍摄等）而言是不能接受的。

实验中，使用同一款型号的LED灯珠，控制其工作在不同温度下，并测量发光效率和颜色。实验结果如下表所示：

环境温度会影响LED灯珠发光效率、色温和发光波长。由上表可知，随着环境温度的升高，LED灯珠的发光效率逐渐下降，色温和发光波长逐渐升高，说明LED的工作温度对发光性能具有显著影响。这也强调了LED散热管理的重要性。

（二）散热对LED寿命的影响

对LED的寿命来说，散热是一个至关重要的因素。LED是一个微小的半导体元件，散热面积有限，如果不能有效散发产生的热量，LED的工作温度将会迅速升高，影响半导体材料的性能以及LED的光学性能和电学性能。首先，温度升高会导致LED的发光效率下降。当温度升高时，半导体的带隙宽度会变小，导致发光效率下降，这也是高温下工作的LED比在低温下LED暗的原因。其次，会缩短LED的使用寿命。半导体材料在高温下会加速老化，导致LED光衰加快，这也是高温环境下LED寿命短于低温环境下LED寿命的原因。因此，为了确保LED的性能和寿命，必须对LED进行有效散热，通过合理的散热设计和散热材料的选择，提高LED的散热性能，降低工作温度。

（三）散热对能耗的影响

散热对LED的能耗也有重大影响。过高的工作温度不仅会降低LED的发光效率，还会增加能耗，降低能源效率。对此，需要关注前向电压和驱动电流两个关键参数。首先，随着温度的升高，半导体的带隙能（Bandgap Energy）会减小，导致前向电压（Forward Voltage）降低，这就意味着在相同的电流下，LED将消耗更多的电能。其次，温度的升高会使得半导体的载流子浓度增大，导致驱动电流（Drive Current）增大。在恒定电源电压的情况下，会消耗更多的电能。

三、LED散热性能的实验研究

（一）实验设计

实验旨在通过比较不同散热设计对LED性能的影响，寻找最佳的散热策略。实验设计分为无散热设计、传统散热设计和优化散热设计三个阶段。

（1）无散热设计：使用标准的LED灯条，没有任何特殊的散热设计，可以作为对照组，了解没有散热措施时LED的性能。

（2）传统散热设计：使用一种带有基本散热设计的LED灯条。用铝制作，因为铝是常用的散热片材料，具有良好的导热性能，相对便宜。把散热片设计成类似小型的“鳍片”，增加散热表面积，提高散热效率。将这种设计作为实验组，了解传统散热措施对LED性能的影响。

（3）优化散热设计：使用一种优化的散热设计。这种设计使用新型材料石墨烯，将石墨烯片剪裁成适合LED灯珠的尺寸，使用导热胶将石墨烯片粘贴到LED灯珠的背面，再将整个LED灯条安装在石墨烯散热片上。将这种设计作为实验组，了解优化散热措施对LED性能的影响。

每个阶段都分别测量LED的发光效率、色温、寿命以及能耗。使用热成像技术直观显示LED的温度分布，以此理解不同散热设计的效果，找到更好的LED散热策略，提高LED的性能并延长寿命。

（二）实验结果与分析

如下表所示：

在实验中，使用热成像技术获取LED在不同阶段的温度分布图。从热成像图中，可以清晰看到散热设计对LED温度分布的影响。无散热设计的LED表面温度分布不均，有一些明显的热点。而在传统散热设计和优化散热设计中，LED的表面温度分布更均匀，没有明显的热点。结果如下表所示：

通过对比无散热设计、传统散热设计和优化散热设计的LED性能数据，可以得出以下结论：散热设计对LED性能具有显著影响。在无散热设计的情况下，LED的发光效率较低、色温较高、寿命较短、能耗较大。而在有散热设计的情况下，LED的性能指标将有所改善。优化散热设计的效果较好，比较传统散热设计和优化散热设计而言，优化散热设计可以进一步提高LED的发光效率，降低色温，延长寿命，降低能耗，说明使用新型材料（例如，石墨烯）可以进一步提高LED的散热性能。这一实验验证了优化散热设计可以有效提高LED的性能并延长寿命。在实际应用中，应尽可能使用优化散热设计，提高LED的性价比和可靠性。

四、结语

综上所述，散热设计对LED灯条和灯珠的性能产生了显著影响。无散热设计的LED在使用过程中出现了显著的性能下降，主要表现为发光效率降低、色温和波长发生漂移、寿命缩短以及能耗增加。传统的散热设计通过使用铝散热片，在一定程度上改善了LED的性能，但仍存在一些问题。例如，散热效率不足以保持LED在高光输出时的稳定性，尤其在连续使用中，热量累积可能会导致LED的性能下降。然而，本研究中的优化散热设计利用新型材料石墨烯，使得LED在持续工作过程中能保持更稳定的发光效率和色温。因此，新型的散热材料和设计方法对提升LED的性能和稳定性具有重要作用。未来的研究应更深入地探索和优化LED的散热设计，以实现更高效、更稳定、更环保的LED照明系统。同时，研究者和设计师也要考虑到实际应用中的成本和可行性，推动新型散热技术广泛应用。

参考文献：

[1]郁秋华，何于阎，程伟.大功率LED针肋翅片散热器散热性能研究[J].现代工业经济和信息化，2022，12（11）：226-228.

[2]乔继刚.大功率LED灯的散热性能分析[J].科技风，

2019（17）：185.

[3]殷浩洋，尹忠东.石墨烯复合材料对功率器件散热性

能影响的仿真与实验研究[J].电子元件与材料.2019，38

（07）：49-54.

[4]李志珂，陆廷念，施伟.高光效LED路灯设计方法及实践应用[J].中国照明电器，2021（05）：46-49.

[5]秦继恒，史珂，秦文军，等.不同散热方式对BIPV建筑

能耗影响的模拟分析[J].建筑热能通风空调，2021，40

（09）：36-39.

作者简介：顾美娟（1980），女，江苏省苏州市人，本科，从事LED技术研发工作。