LED照明技術(shù)的應用

工藝設計改造及檢測檢修 China Science Technology OverviewLED照明技術(shù)的應用李厥富(山東電子職業(yè)技術(shù)學(xué)院山東濟南250200)【摘要】LED技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步,特別是白光LED的研制成功使得LED照明進(jìn)入日常照明市場(chǎng)成為一種可能LED照明具有發(fā)光效率高,使用壽命長(cháng),體積小,低污染等優(yōu)點(diǎn)隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的提高和國家“綠色照明”¨政策的實(shí)施,LED照明器件的威本不斷降低,將來(lái)一定會(huì )取代白熾燈、日光燈等傳統照明燈具,成為照明市場(chǎng)的主流【關(guān)鍵詞】白光 LEDLED照明電路結構能效分析1LED照明技術(shù)簡(jiǎn)介用壽命。其典型電路結構如(圖1)LED即發(fā)光二極管,是一種半導體發(fā)光器件。自20世紀60年代,紅2.2DC-DC照明電路色LED研制成功以后,LED發(fā)光技術(shù)經(jīng)過(guò)近半個(gè)世紀的發(fā)展,科研人DC-DC照明電路多見(jiàn)于太陽(yáng)能-LED照明系統。常用在新建照員解決了白光LED的發(fā)光技術(shù)問(wèn)題。白光LED發(fā)光原理主要有兩種,明系統或照明系統的升級改造。太陽(yáng)能電池的技術(shù)進(jìn)步使太陽(yáng)能轉種是由4m的藍光和5m黃光二原色混合形成白光;另一種換效率不斷提高,利用太陽(yáng)能驅動(dòng)LED實(shí)現日常照明可以有效節約是由紅綠藍三原色混合形成白光。技術(shù)實(shí)現上有單芯片和多芯片不可再生能源,是“綠色照明”的發(fā)展方向。雖然太陽(yáng)能電池的輸出隨著(zhù)白光LED研究技術(shù)的不斷進(jìn)步,通過(guò)調整各原色混合比電壓是直流電壓,但會(huì )隨著(zhù)陽(yáng)光照射角度和強度的變化輸出電壓發(fā)例,可以獲得3500K至100色溫的白光來(lái)滿(mǎn)足不同場(chǎng)所的照明需生改變,需要對太陽(yáng)能電池的輸出進(jìn)行轉換調整,使之滿(mǎn)足LED照求,使得LED照明進(jìn)入日常照明成為一種可能。LED具有發(fā)光效率高,使用壽命長(cháng),體積小,低污染等優(yōu)點(diǎn)?，F2、3LED照明的電流控制電路階段LED照明器件成本比較高,相信隨著(zhù)LED研究水平和生產(chǎn)技術(shù)由于LED是非線(xiàn)性器件,具有負溫度系數,隨著(zhù)溫度升高,工作的改進(jìn)提高,LED照明器件成本將越來(lái)越低,未來(lái)一定會(huì )取代白熾電流不斷增大,如果不控制工作電流,會(huì )燒毀LED器件。在LED照明燈、日光燈等傳統照明燈具,成為照明市場(chǎng)的主流電路中必須采取措施對電流進(jìn)行控制調整。通常釆取串聯(lián)分壓電阻形式對電流進(jìn)行控制調整,成本低,結構簡(jiǎn)單,調整精度不高。在要2LED照明電路結構設計分析求較高的照明電路中可采取恒流源供電,對LED工作電流精確調LED照明器件核心是PN結,工作電壓通常在3-4.5V之間,由于整,成本較高,電路復雜。PN結是電流型器件,具有負溫度系數,因此LED照明器件的供電電本文僅討論串聯(lián)電阻分壓電路的計算和控制過(guò)程(如圖3)路需要淸足低電壓和恒流輸出,通過(guò)對其工作電壓和電流進(jìn)行控制(1)電阻R的確定。調整,防止溫度升高后電流變大燒毀LED照明器件。精確控制LED電阻R的值由電源電壓、LED典型工作電壓和LED的典型工作作電壓電流,使得LED照明器件工作在設計典型狀態(tài)(最佳狀態(tài),電流確定。保持較高的發(fā)光效率,可有效提高能源利用率,節約能源R=(V下面就幾種LED照明電路結構做簡(jiǎn)單介紹。(2)電流控制過(guò)程分析2.1AC-DC照明電路LED導通后隨著(zhù)PN結溫度升高,流過(guò)LED的電流增大,電阻R我國照明用電是20交流電而LED照明器件一般使用低壓直分壓(Vg=I1D*R)增大,電源電壓(V電)不變,使LED兩端電壓流電壓供電,因此必須經(jīng)過(guò)轉換才能給LED供電,通常使用效率較(V1=V電x-V)降低,流過(guò)LED的電流降低,從而基本保持LED工高的開(kāi)關(guān)電源作為AC-DC轉換部件。日常照明的燈具更換和升級作電流不變攻造多使用這種方式。小功率燈具可以將開(kāi)關(guān)電源集成在LED照明2.4LED在照明電路中的聯(lián)接方式燈具內,直接替換原有燈具即可,安裝方便,性能可靠。大功率燈具LED的連接方式有并聯(lián)方式,串聯(lián)方式和混聯(lián)方式。由于單個(gè)的電路轉換部分可以與LED照明器件分體安裝,方便散熱,提高使LED器件導通電壓很低,全部采取并聯(lián)方式將照明LED器件與直流電源相連,實(shí)際應用中會(huì )產(chǎn)生較大工作電流,線(xiàn)路損耗較大,降低能源使用效率。串聯(lián)方式聯(lián)接LED器件可以解決并聯(lián)方式的缺陷,但低LED逆變噸D照明器件震蕩電路樣控制DC放電DC∥E太陽(yáng)光能電器中國煤化工蓄能電池圖4先CNMH先并后串混聯(lián)·下轉第56頁(yè)542014年5月上第9期總第18期工藝設計改造及檢測檢修China Science Technology Overview數為1.0e-5W/(mm2·k),溫度為80℃。排氣歧管內壁邊界即為FIRE軟件計算排氣歧管內流場(chǎng)所得的溫度和換熱系數。FRE軟件輸出的數據需利用 MATLAB軟件編制程序,將不同轉角時(shí)流體表面的溫度和換熱系數信息映射到有限元網(wǎng)格上排氣歧管熱應力計算中,設置邊界的節點(diǎn)位置見(jiàn)圖2,并約束圖示節點(diǎn)的全部自由度。通過(guò)設置 Predefined fields將排氣歧管上的溫度作為溫度邊界加入到應力分析中。2計算結果圖8排氣管熱應力局部放大圖2.1內流場(chǎng)計算結果對于排氣管內流場(chǎng),本文只關(guān)心2160°至2880°轉角(計算中的第四個(gè)周期)的結果,并將計算結果中的溫度和換熱系數結果按單元輸出,如(圖3),編制 MATLAB程序,將不同轉角時(shí)流體表面的溫度和換熱系數信息映射到有限元網(wǎng)格上。2.2溫度場(chǎng)計算結果可以看出,排氣管高溫區城主要集中在出氣口附近,兩邊溫度較低。排氣管內壁與外壁之間存在一定的溫度梯度,見(jiàn)(圖4、5)。2.3熱應力計算結果由于求解設置時(shí)法蘭處加入的約束剛度較大,此處的應力是不準確的,為避免干擾,不考慮連接法蘭處的應力,只顯示管身的應力,見(jiàn)(圖6、7)?？梢悦黠@看出,對于排氣管身,應力集中在出口附近,放大圖見(jiàn)(圖8)。圖9計算與實(shí)驗比較圖從圖中可以清晰的看出,應力集中出現在底部,中間兩個(gè)進(jìn)氣口分叉位置,與實(shí)際斷裂位置吻合,見(jiàn)(圖9)。比較兩種設計可以發(fā)1.2.1內流場(chǎng)分析模型現,在加入筋板之后,可以在一定程度上減小底部高應力區的面積排氣歧管內流場(chǎng)分析采用FRE軟件進(jìn)行分析,其目的是為排和大小,對改善排氣管受力狀況有一定助益。氣歧管的傳熱分析提供必需的熱邊界條件。由于排氣歧管內流場(chǎng)的3結語(yǔ)壓力和溫度隨時(shí)間不斷變化,需要進(jìn)行瞬態(tài)分析,在這里使用最為直觀(guān)的發(fā)動(dòng)機轉角( Crank- Angle)模式進(jìn)行計算,并通過(guò)角度增量(1)在此案例中,計算結果與試驗結果得到了很好的吻合,并通控制求解步長(cháng)。求解最終角度設置為288°,為周期20的四倍這是過(guò)加入筋板改善高應力區的應力大小和面積故應采用加筋板的建為了讓內流場(chǎng)進(jìn)入一個(gè)盡可能穩定的循環(huán)工作狀態(tài),減小瞬態(tài)效議(2)利用流固耦合技術(shù)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機排氣歧管熱應力計算分析是邊界條件的設置為進(jìn)出口邊界條件為 AVL BOOST軟件計算行之有效的方法,能夠準確判斷潛在危險區域,為排氣歧管的結構所得,計算轉速為2500/min,進(jìn)口輸入流量數據和溫度數據,出口設計及故障判斷提供了可靠的理論依據。輸入總壓和溫度數據,其余為壁面邊界條件,湍流模型采用k-ata-參考文獻模型[1]程丁丁,雷基林,畢玉華,李陽(yáng).2D025柴油機活塞溫度場(chǎng)測試及有限1.2.2有限元分析模型元分析[U]拖拉機與農用運輸車(chē),2010.37(5:60-65文對排氣歧管進(jìn)行的有限元分析包括傳熱分析和熱應力分[2]田永祥張錫朝,張濟勇柴油機活塞的溫度場(chǎng)、熱變形與應力三維析。即先對排氣歧管進(jìn)行傳熱分析,得到排氣歧管上的溫度分布之有限元分析[J內燃機工程,2004,251):63-65后將其映射到結構計算中,進(jìn)行熱應力計算。其有限元計算網(wǎng)格模[3]葉曉明,閔作興,陳國華,等,柴油機活塞溫度場(chǎng)試驗研究及三維有型見(jiàn)圖1.限元分析幾[J].華中科技大學(xué)學(xué)報,2002,303):46-48對于傳熱邊界,排氣歧管外部使用自然對流散熱邊界,散熱系……上接第54頁(yè)200m/w。通過(guò)比較可以發(fā)現LED照明比白熾燈減少能耗90%左右,會(huì )要求驅動(dòng)電壓較高,并且會(huì )因為單只LED斷路損壞影響整個(gè)回路比日光燈減少能耗50-60%,LED還具有壽命長(cháng)、體積小、無(wú)污染、響的LED工作,造成照明故障混聯(lián)方式可有效解決并聯(lián)和串聯(lián)的間應速度快、可控性高等諸多優(yōu)點(diǎn)。以L(fǎng)ED照明代替傳統照明,實(shí)現題,常見(jiàn)的有先串后并和先并后串方式,是LED器件的常用聯(lián)接方“綠色照明”,是大勢所趨,是照明市場(chǎng)的發(fā)展方向。式。(圖4、5)為3串3并混聯(lián)和3并3串混聯(lián)電路示意圖。(1)先串后并混聯(lián)方式:此種方式能保證每串中的LED工作電流4國家政策市場(chǎng)前景相同,光強亮度一致性好。多只串聯(lián)的LED之間還互相起到限流調按照國家“中國綠色照明工程”發(fā)展計劃安排,白熾燈將于2016整作用,LED工作電流保持穩定。缺點(diǎn)是單只LED損壞會(huì )造成本串年基本退出市場(chǎng),日光燈因含有汞等劇毒物質(zhì)不符合現代環(huán)保理整體不發(fā)光念,也必將被市場(chǎng)慢慢淘汰?？茖W(xué)技術(shù)的發(fā)展沒(méi)有止境,LED照明燈(2)先并后串混聯(lián)方式:此種方式對LE發(fā)光器件參數一致性要具必將隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,解決LED器件顯色性、光譜離散求較高,不然會(huì )因并聯(lián)的LED工作電流不同形成LED亮度不一致;大功率器件散熱等問(wèn)題,市場(chǎng)單位成本逐步降低,成為照明市場(chǎng)的單只LED損壞也會(huì )因電流分流路數不同造成LED亮度不一致。為防主流PN結負溫度系數效應燒毀并聯(lián)的LED,宜在每個(gè)LED中串聯(lián)一個(gè)參考文獻限流電阻1]國家對高能耗3LED照明能效分析[2]周志敏,紀愛(ài)華中國煤化工月確時(shí)間表普通白熾燈光源效率只有8-24m/w,現在普遍使用的日光燈3]周志敏紀愛(ài)華CNMHG用光源效率也只有50-80m/w,而現階段LED光源效率可達到100-4]陳傳虞,劉明,陳家楨,LED驅動(dòng)芯片工作原理與電路設計562014年5月上第9期總第189期