LED照明技术的应用

工艺设计改造及检测检修 China Science Technology OverviewLED照明技术的应用李厥富(山东电子职业技术学院山东济南250200)【摘要】LED技术的发展进步,特別是白光LED的研制成功使得LED照明进入日常照明市场成为一种可能LED照明具有发光效率高,使用寿命长,体积小,低污染等优点随着科学技术的提高和国家“绿色照明”¨政策的实施,LED照明器件的威本不断降低,将来一定会取代白炽灯、日光灯等传统照明灯具,成为照明市场的主流【关键词】白光 LEDLED照明电路结构能效分析1LED照明技术简介用寿命。其典型电路结构如(图1)LED即发光二极管,是一种半导体发光器件。自20世纪60年代,红2.2DC-DC照明电路色LED研制成功以后,LED发光技术经过近半个世纪的发展,科研人DC-DC照明电路多见于太阳能-LED照明系统。常用在新建照员解决了白光LED的发光技术问题。白光LED发光原理主要有两种,明系统或照明系统的升级改造。太阳能电池的技术进步使太阳能转种是由4m的蓝光和5m黄光二原色混合形成白光;另一种换效率不断提高,利用太阳能驱动LED实现日常照明可以有效节约是由红绿蓝三原色混合形成白光。技术实现上有单芯片和多芯片不可再生能源,是“绿色照明”的发展方向。虽然太阳能电池的输出随着白光LED研究技术的不断进步,通过调整各原色混合比电压是直流电压,但会随着阳光照射角度和强度的变化输出电压发例,可以获得3500K至100色温的白光来满足不同场所的照明需生改变,需要对太阳能电池的输出进行转换调整,使之满足LED照求,使得LED照明进入日常照明成为一种可能。LED具有发光效率高,使用寿命长,体积小,低污染等优点。现2、3LED照明的电流控制电路阶段LED照明器件成本比较高,相信随着LED研究水平和生产技术由于LED是非线性器件,具有负温度系数,随着温度升高,工作的改进提高,LED照明器件成本将越来越低,未来一定会取代白炽电流不断增大,如果不控制工作电流,会烧毁LED器件。在LED照明灯、日光灯等传统照明灯具,成为照明市场的主流电路中必须采取措施对电流进行控制调整。通常釆取串联分压电阻形式对电流进行控制调整,成本低,结构简单,调整精度不高。在要2LED照明电路结构设计分析求较高的照明电路中可采取恒流源供电,对LED工作电流精确调LED照明器件核心是PN结,工作电压通常在3-4.5V之间,由于整,成本较高,电路复杂。PN结是电流型器件,具有负温度系数,因此LED照明器件的供电电本文仅讨论串联电阻分压电路的计算和控制过程(如图3)路需要淸足低电压和恒流输出,通过对其工作电压和电流进行控制(1)电阻R的确定。调整,防止温度升高后电流变大烧毁LED照明器件。精确控制LED电阻R的值由电源电压、LED典型工作电压和LED的典型工作作电压电流,使得LED照明器件工作在设计典型状态(最佳状态,电流确定。保持较高的发光效率,可有效提高能源利用率,节约能源R=(V下面就几种LED照明电路结构做简单介绍。(2)电流控制过程分析2.1AC-DC照明电路LED导通后随着PN结温度升高,流过LED的电流增大,电阻R我国照明用电是20交流电而LED照明器件一般使用低压直分压(Vg=I1D*R)增大,电源电压(V电)不变,使LED两端电压流电压供电,因此必须经过转换才能给LED供电,通常使用效率较(V1=V电x-V)降低,流过LED的电流降低,从而基本保持LED工高的开关电源作为AC-DC转换部件。日常照明的灯具更换和升级作电流不变攻造多使用这种方式。小功率灯具可以将开关电源集成在LED照明2.4LED在照明电路中的联接方式灯具内,直接替换原有灯具即可,安装方便,性能可靠。大功率灯具LED的连接方式有并联方式,串联方式和混联方式。由于单个的电路转换部分可以与LED照明器件分体安装,方便散热,提高使LED器件导通电压很低,全部采取并联方式将照明LED器件与直流电源相连,实际应用中会产生较大工作电流,线路损耗较大,降低能源使用效率。串联方式联接LED器件可以解决并联方式的缺陷,但低LED逆变吨D照明器件震荡电路样控制DC放电DC∥E太阳光能电器中国煤化工蓄能电池图4先CNMH先并后串混联·下转第56页542014年5月上第9期总第18期工艺设计改造及检测检修China Science Technology Overview数为1.0e-5W/(mm2·k),温度为80℃。排气歧管内壁边界即为FIRE软件计算排气歧管内流场所得的温度和换热系数。FRE软件输出的数据需利用 MATLAB软件编制程序,将不同转角时流体表面的温度和换热系数信息映射到有限元网格上排气歧管热应力计算中,设置边界的节点位置见图2,并约束图示节点的全部自由度。通过设置 Predefined fields将排气歧管上的温度作为温度边界加入到应力分析中。2计算结果图8排气管热应力局部放大图2.1内流场计算结果对于排气管内流场,本文只关心2160°至2880°转角(计算中的第四个周期)的结果,并将计算结果中的温度和换热系数结果按单元输出,如(图3),编制 MATLAB程序,将不同转角时流体表面的温度和换热系数信息映射到有限元网格上。2.2温度场计算结果可以看出,排气管高温区城主要集中在出气口附近,两边温度较低。排气管内壁与外壁之间存在一定的温度梯度,见(图4、5)。2.3热应力计算结果由于求解设置时法兰处加入的约束刚度较大,此处的应力是不准确的,为避免干扰,不考虑连接法兰处的应力,只显示管身的应力,见(图6、7)。可以明显看出,对于排气管身,应力集中在出口附近,放大图见(图8)。图9计算与实验比较图从图中可以清晰的看出,应力集中出现在底部,中间两个进气口分叉位置,与实际断裂位置吻合,见(图9)。比较两种设计可以发1.2.1内流场分析模型现,在加入筋板之后,可以在一定程度上减小底部高应力区的面积排气歧管内流场分析采用FRE软件进行分析,其目的是为排和大小,对改善排气管受力状况有一定助益。气歧管的传热分析提供必需的热边界条件。由于排气歧管内流场的3结语压力和温度随时间不断变化,需要进行瞬态分析,在这里使用最为直观的发动机转角( Crank- Angle)模式进行计算,并通过角度增量(1)在此案例中,计算结果与试验结果得到了很好的吻合,并通控制求解步长。求解最终角度设置为288°,为周期20的四倍这是过加入筋板改善高应力区的应力大小和面积故应采用加筋板的建为了让内流场进入一个尽可能稳定的循环工作状态,减小瞬态效议(2)利用流固耦合技术进行发动机排气歧管热应力计算分析是边界条件的设置为进出口边界条件为 AVL BOOST软件计算行之有效的方法,能够准确判断潜在危险区域,为排气歧管的结构所得,计算转速为2500/min,进口输入流量数据和温度数据,出口设计及故障判断提供了可靠的理论依据。输入总压和温度数据,其余为壁面边界条件,湍流模型采用k-ata-参考文献模型[1]程丁丁,雷基林,毕玉华,李阳.2D025柴油机活塞温度场测试及有限1.2.2有限元分析模型元分析[U]拖拉机与农用运输车,2010.37(5:60-65文对排气歧管进行的有限元分析包括传热分析和热应力分[2]田永祥张锡朝,张济勇柴油机活塞的温度场、热变形与应力三维析。即先对排气歧管进行传热分析,得到排气歧管上的温度分布之有限元分析[J内燃机工程,2004,251):63-65后将其映射到结构计算中,进行热应力计算。其有限元计算网格模[3]叶晓明,闵作兴,陈国华,等,柴油机活塞温度场试验研究及三维有型见图1.限元分析几[J].华中科技大学学报,2002,303):46-48对于传热边界,排气歧管外部使用自然对流散热边界,散热系……上接第54页200m/w。通过比较可以发现LED照明比白炽灯减少能耗90%左右,会要求驱动电压较高,并且会因为单只LED断路损坏影响整个回路比日光灯减少能耗50-60%,LED还具有寿命长、体积小、无污染、响的LED工作,造成照明故障混联方式可有效解决并联和串联的间应速度快、可控性高等诸多优点。以LED照明代替传统照明,实现题,常见的有先串后并和先并后串方式,是LED器件的常用联接方“绿色照明”,是大势所趋,是照明市场的发展方向。式。(图4、5)为3串3并混联和3并3串混联电路示意图。(1)先串后并混联方式:此种方式能保证每串中的LED工作电流4国家政策市场前景相同,光强亮度一致性好。多只串联的LED之间还互相起到限流调按照国家“中国绿色照明工程”发展计划安排,白炽灯将于2016整作用,LED工作电流保持稳定。缺点是单只LED损坏会造成本串年基本退出市场,日光灯因含有汞等剧毒物质不符合现代环保理整体不发光念,也必将被市场慢慢淘汰。科学技术的发展没有止境,LED照明灯(2)先并后串混联方式:此种方式对LE发光器件参数一致性要具必将随着科学技术的不断发展,解决LED器件显色性、光谱离散求较高,不然会因并联的LED工作电流不同形成LED亮度不一致;大功率器件散热等问题,市场单位成本逐步降低,成为照明市场的单只LED损坏也会因电流分流路数不同造成LED亮度不一致。为防主流PN结负温度系数效应烧毁并联的LED,宜在每个LED中串联一个参考文献限流电阻1]国家对高能耗3LED照明能效分析[2]周志敏,纪爱华中国煤化工月确时间表普通白炽灯光源效率只有8-24m/w,现在普遍使用的日光灯3]周志敏纪爱华CNMHG用光源效率也只有50-80m/w,而现阶段LED光源效率可达到100-4]陈传虞,刘明,陈家桢,LED驱动芯片工作原理与电路设计562014年5月上第9期总第189期