被動式無耗能大功率LED降溫裝置

趙旖旎 方文杰

【摘要】針對現有大功率LED發熱量大，所產生的熱量不能及時散出而導致的結溫過高等問題，將對燈具壽命和發光效率造成嚴重影響。將溫差發電技術應用到大功率LED降溫裝置的設計中，提出了一款被動式無耗能大功率LED降溫裝置。通過實驗，實驗表明：散熱裝置能無額外耗能的降低燈具工作時的結溫溫度，在有效提高LED發光效率的同時延長了其使用壽命。本裝置可將LED壽命提高近兩倍，相對發光效率提高約20%。每盞燈每年可以省46486.4度電。相當于節約標準煤18.59456噸。同時可減少85.71%該類型LED的損耗。

【關鍵詞】降溫；LED；被動式；無耗能

1、引言

LED具有功耗低、體積小、可靠性高和響應快等優點，應用范圍廣泛。數據顯示，2007年全球照明市場LED的占有率為2%，2012年提升為11%，再到目前的17.6%，應用前景廣闊。

然而，大功率LED70-80%的輸入電量均轉化為熱能，產生的大量熱量嚴重影響燈具使用。當LED的結溫溫度超過最高臨界溫度時，會造成LED的永久性失效?，F有大功率LED外接散熱裝置的降溫方案主要有：風冷散熱、水冷散熱、熱管散熱和熱電散熱。均使用不便且成本較高。

基于此，我們設計了一種被動式無額外耗能大功率LED降溫裝置。

2、方案設計

本作品將溫差發電技術應用到大功率LED降溫裝置的設計中，利用半導體實現對大功率LED燈芯熱量的快速轉移，從而降低其工作時的結溫溫度，有效提高LED發光效率并較大的延長了其使用壽命。同時，通過對所產生的電能進行處理，使其驅動微型散熱器工作，進一步提高熱量轉移效率且無需額外耗能。另外，裝置結構上充分采用可拆分式設計，能夠快速完成對裝置各個部分的維修和更換。

3、結構設計

裝置由可拆分式兩半殼體、燈板及其供電適配器、半導體降溫模塊、無額外耗能風冷散熱模塊、固緊定位模塊五個部分組成。

3.1可拆分式兩半殼體

上下殼體之間通過螺栓連接。上殼體中間回字形凹槽實現對燈板的固定，防止意外滑動；通過殼體內側壁實現對半導體和翅片的水平限位，起到了良好的固定作用，確保燈板、半導體以及翅片之間相對位置保持不變，以保證實驗結果的穩定性；在上下殼體側壁均設有定位孔，通過螺栓實現定位孔與其他各個模塊的連接并完成各個模塊的固定安裝。

3.2燈板及其適配器

綜合考慮成本、功率、發熱量和應用范圍等因素，選擇72W的LED投射燈作為實驗對象。燈板由24顆3W黃白LED珠排布成矩形。

3.3半導體降溫模塊

半導體溫差發電片迅速將燈板熱量導出并與空氣進行熱交換從而降低燈板溫度，并利用燈板所發出的熱量產生電能供散熱器使用。經實驗驗證，該裝置中半導體冷熱兩端溫差為10℃時，即可實現散熱器的自啟動并持續工作。四片半導體片通過杜邦線串聯，它們之間的相對位置根據實驗中達到最佳效果時的位置確定，半導體溫差發電片熱端和大功率LED的燈板之間涂有一層導熱硅脂，具備一定的潤滑性和電絕緣性，從而保證電子元器件電氣性能的穩定。冷端同樣通過導熱硅脂實現與翅片的無縫結合，確保熱量及時傳遞至翅片并與空氣進行熱交換。

3.4無額外耗能風冷散熱模塊

在實際工作過程中，由于半導體本身與空氣進行換熱的速率有限，冷熱兩端的溫差不斷減小，燈板熱量導出速率降低，因此采用翅片加散熱器，以加快冷端與空氣的換熱速度。

3.4.1翅片散熱裝置。通過散熱對比實驗。選定80*80*27翅片。

3.4.2風冷散熱裝置。電能處理部分將半導體模組群所發出的電能進行收集處理，之后供給散熱風扇工作。散熱風扇加速翅片散熱速率，進而加快半導體冷端和空氣的換熱速率。

3.4.2.1散熱風扇。經過理論分析和實驗驗證后，匹配0.48W的直流低電壓啟動型散熱風扇作為此模塊的風冷降溫裝置，額定電壓12V、額定電流 0.12A。實驗驗證表明，燈板溫度基本恒定在70℃。

3.4.2.2電能處理部分。半導體兩端形成溫差輸出電能是低品質電源，且存在劇烈的電壓波動，電能處理部分將不穩定的持續變化的電能經過整流穩壓之后升壓輸出穩定且電壓值適宜的電能，之后供給微型散熱器工作。

3.5固緊定位模塊

固緊壓桿隨著調節螺栓上下移動，伸出端扣壓在翅片肋片上，當旋轉調節螺栓向下移動時，伸出端將翅片向下壓緊；當旋轉調節螺栓向上移動時，翅片松開。雙定位螺母實現對固緊壓桿的軸向限位。另外，固線卡完成對電路部分連線的固定。

4、電路設計

采用微功耗的LTC3105芯片，實現對半導體溫差發電片發電能量的收集。溫差發電從Vin引腳通入芯片，電能的一小部分儲存于電容C1中，用于供芯片工作，其余則經過升壓后輸出，直接為散熱器提供工作所需的電能。采用升壓芯片MT3680，將5V電壓升高至12V。

5、結束語

該作品裝置利用了大功率LED自身產生的熱量進行發電，并采用散熱風扇為冷端散熱，維持燈芯在適宜溫度下的動態平衡。除此之外，該作品能適應不同作業環境，操作拆卸方便，增加了其實際的應用前景。

參考文獻

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[3]葉劍鋒.半導體溫差發電系統研究及電熱式試驗臺設計[D].北京交通大學，2012.

作者簡介

趙旖旎（1995-），女，湖北武漢人，主要從事機械工程及自動化方面的研究。