工藝設(shè)計(jì)改造及檢測(cè)檢修 China Science Technology OverviewLED照明技術(shù)的應(yīng)用李厥富(山東電子職業(yè)技術(shù)學(xué)院山東濟(jì)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(zhǎng),體積小,低污染等優(yōu)點(diǎn)隨著科學(xué)技術(shù)的提高和國(guó)家“綠色照明”¨政策的實(shí)施,LED照明器件的威本不斷降低,將來一定會(huì)取代白熾燈、日光燈等傳統(tǒng)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(jié)構(gòu)能效分析1LED照明技術(shù)簡(jiǎn)介用壽命。其典型電路結(jié)構(gòu)如(圖1)LED即發(fā)光二極管,是一種半導(dǎo)體發(fā)光器件。自20世紀(jì)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)過近半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展,科研人DC-DC照明電路多見于太陽(yáng)能-LED照明系統(tǒng)。常用在新建照員解決了白光LED的發(fā)光技術(shù)問題。白光LED發(fā)光原理主要有兩種,明系統(tǒng)或照明系統(tǒng)的升級(jí)改造。太陽(yáng)能電池的技術(shù)進(jìn)步使太陽(yáng)能轉(zhuǎn)種是由4m的藍(lán)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(qū)動(dòng)LED實(shí)現(xiàn)日常照明可以有效節(jié)約是由紅綠藍(lán)三原色混合形成白光。技術(shù)實(shí)現(xiàn)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)能電池的輸出隨著白光LED研究技術(shù)的不斷進(jìn)步,通過調(diào)整各原色混合比電壓是直流電壓,但會(huì)隨著陽(yáng)光照射角度和強(qiáng)度的變化輸出電壓發(fā)例,可以獲得3500K至100色溫的白光來滿足不同場(chǎng)所的照明需生改變,需要對(duì)太陽(yáng)能電池的輸出進(jìn)行轉(zhuǎn)換調(diào)整,使之滿足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(zhǎng),體積小,低污染等優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)2、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LED研究水平和生產(chǎn)技術(shù)由于LED是非線性器件,具有負(fù)溫度系數(shù),隨著溫度升高,工作的改進(jìn)提高,LED照明器件成本將越來越低,未來一定會(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(tǒng)照明燈具,成為照明市場(chǎng)的主流電路中必須采取措施對(duì)電流進(jìn)行控制調(diào)整。通常釆取串聯(lián)分壓電阻形式對(duì)電流進(jìn)行控制調(diào)整,成本低,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,調(diào)整精度不高。在要2LED照明電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析求較高的照明電路中可采取恒流源供電,對(duì)LED工作電流精確調(diào)LED照明器件核心是PN結(jié),工作電壓通常在3-4.5V之間,由于整,成本較高,電路復(fù)雜。PN結(jié)是電流型器件,具有負(fù)溫度系數(shù),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(jì)算和控制過程(如圖3)路需要淸足低電壓和恒流輸出,通過對(duì)其工作電壓和電流進(jìn)行控制(1)電阻R的確定。調(diào)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(shè)計(jì)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(jié)約能源R=(V下面就幾種LED照明電路結(jié)構(gòu)做簡(jiǎn)單介紹。(2)電流控制過程分析2.1AC-DC照明電路LED導(dǎo)通后隨著PN結(jié)溫度升高,流過LED的電流增大,電阻R我國(guó)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)過轉(zhuǎn)換才能給LED供電,通常使用效率較(V1=V電x-V)降低,流過LED的電流降低,從而基本保持LED工高的開關(guān)電源作為AC-DC轉(zhuǎn)換部件。日常照明的燈具更換和升級(jí)作電流不變攻造多使用這種方式。小功率燈具可以將開關(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(nèi),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(zhuǎn)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(dǎo)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(yīng)用中會(huì)產(chǎn)生較大工作電流,線路損耗較大,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(guó)煤化工蓄能電池圖4先CNMH先并后串混聯(lián)·下轉(zhuǎn)第56頁(yè)542014年5月上第9期總第18期工藝設(shè)計(jì)改造及檢測(cè)檢修China Science Technology Overview數(shù)為1.0e-5W/(mm2·k),溫度為80℃。排氣歧管內(nèi)壁邊界即為FIRE軟件計(jì)算排氣歧管內(nèi)流場(chǎng)所得的溫度和換熱系數(shù)。FRE軟件輸出的數(shù)據(jù)需利用 MATLAB軟件編制程序,將不同轉(zhuǎn)角時(shí)流體表面的溫度和換熱系數(shù)信息映射到有限元網(wǎng)格上排氣歧管熱應(yīng)力計(jì)算中,設(shè)置邊界的節(jié)點(diǎn)位置見圖2,并約束圖示節(jié)點(diǎn)的全部自由度。通過設(shè)置 Predefined fields將排氣歧管上的溫度作為溫度邊界加入到應(yīng)力分析中。2計(jì)算結(jié)果圖8排氣管熱應(yīng)力局部放大圖2.1內(nèi)流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果對(duì)于排氣管內(nèi)流場(chǎng),本文只關(guān)心2160°至2880°轉(zhuǎn)角(計(jì)算中的第四個(gè)周期)的結(jié)果,并將計(jì)算結(jié)果中的溫度和換熱系數(shù)結(jié)果按單元輸出,如(圖3),編制 MATLAB程序,將不同轉(zhuǎn)角時(shí)流體表面的溫度和換熱系數(shù)信息映射到有限元網(wǎng)格上。2.2溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果可以看出,排氣管高溫區(qū)城主要集中在出氣口附近,兩邊溫度較低。排氣管內(nèi)壁與外壁之間存在一定的溫度梯度,見(圖4、5)。2.3熱應(yīng)力計(jì)算結(jié)果由于求解設(shè)置時(shí)法蘭處加入的約束剛度較大,此處的應(yīng)力是不準(zhǔn)確的,為避免干擾,不考慮連接法蘭處的應(yīng)力,只顯示管身的應(yīng)力,見(圖6、7)。可以明顯看出,對(duì)于排氣管身,應(yīng)力集中在出口附近,放大圖見(圖8)。圖9計(jì)算與實(shí)驗(yàn)比較圖從圖中可以清晰的看出,應(yīng)力集中出現(xiàn)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(圖9)。比較兩種設(shè)計(jì)可以發(fā)1.2.1內(nèi)流場(chǎng)分析模型現(xiàn),在加入筋板之后,可以在一定程度上減小底部高應(yīng)力區(qū)的面積排氣歧管內(nèi)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(duì)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(nèi)流場(chǎng)的3結(jié)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的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)角( Crank- Angle)模式進(jìn)行計(jì)算,并通過角度增量(1)在此案例中,計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果得到了很好的吻合,并通控制求解步長(zhǎng)。求解最終角度設(shè)置為288°,為周期20的四倍這是過加入筋板改善高應(yīng)力區(qū)的應(yīng)力大小和面積故應(yīng)采用加筋板的建為了讓內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)入一個(gè)盡可能穩(wěn)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(jī)排氣歧管熱應(yīng)力計(jì)算分析是邊界條件的設(shè)置為進(jìn)出口邊界條件為 AVL BOOST軟件計(jì)算行之有效的方法,能夠準(zhǔn)確判斷潛在危險(xiǎn)區(qū)域,為排氣歧管的結(jié)構(gòu)所得,計(jì)算轉(zhuǎn)速為2500/min,進(jìn)口輸入流量數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù),出口設(shè)計(jì)及故障判斷提供了可靠的理論依據(jù)。輸入總壓和溫度數(shù)據(jù),其余為壁面邊界條件,湍流模型采用k-ata-參考文獻(xiàn)模型[1]程丁丁,雷基林,畢玉華,李陽(yáng).2D025柴油機(jī)活塞溫度場(chǎng)測(cè)試及有限1.2.2有限元分析模型元分析[U]拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車,2010.37(5:60-65文對(duì)排氣歧管進(jìn)行的有限元分析包括傳熱分析和熱應(yīng)力分[2]田永祥張錫朝,張濟(jì)勇柴油機(jī)活塞的溫度場(chǎng)、熱變形與應(yīng)力三維析。即先對(duì)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(nèi)燃機(jī)工程,2004,251):63-65后將其映射到結(jié)構(gòu)計(jì)算中,進(jìn)行熱應(yīng)力計(jì)算。其有限元計(jì)算網(wǎng)格模[3]葉曉明,閔作興,陳國(guó)華,等,柴油機(jī)活塞溫度場(chǎng)試驗(yàn)研究及三維有型見圖1.限元分析幾[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào),2002,303):46-48對(duì)于傳熱邊界,排氣歧管外部使用自然對(duì)流散熱邊界,散熱系……上接第54頁(yè)200m/w。通過比較可以發(fā)現(xiàn)LED照明比白熾燈減少能耗90%左右,會(huì)要求驅(qū)動(dòng)電壓較高,并且會(huì)因?yàn)閱沃籐ED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(zhǎng)、體積小、無污染、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(yīng)速度快、可控性高等諸多優(yōu)點(diǎn)。以LED照明代替?zhèn)鹘y(tǒng)照明,實(shí)現(xiàn)題,常見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(shì)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(guó)家政策市場(chǎng)前景相同,光強(qiáng)亮度一致性好。多只串聯(lián)的LED之間還互相起到限流調(diào)按照國(guó)家“中國(guó)綠色照明工程”發(fā)展計(jì)劃安排,白熾燈將于2016整作用,LED工作電流保持穩(wěn)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(xiàn)代環(huán)保理整體不發(fā)光念,也必將被市場(chǎng)慢慢淘汰。科學(xué)技術(shù)的發(fā)展沒有止境,LED照明燈(2)先并后串混聯(lián)方式:此種方式對(duì)LE發(fā)光器件參數(shù)一致性要具必將隨著科學(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(shù)不同造成LED亮度不一致。為防主流PN結(jié)負(fù)溫度系數(shù)效應(yīng)燒毀并聯(lián)的LED,宜在每個(gè)LED中串聯(lián)一個(gè)參考文獻(xiàn)限流電阻1]國(guó)家對(duì)高能耗3LED照明能效分析[2]周志敏,紀(jì)愛華中國(guó)煤化工月確時(shí)間表普通白熾燈光源效率只有8-24m/w,現(xiàn)在普遍使用的日光燈3]周志敏紀(jì)愛華CNMHG用光源效率也只有50-80m/w,而現(xiàn)階段LED光源效率可達(dá)到100-4]陳傳虞,劉明,陳家楨,LED驅(qū)動(dòng)芯片工作原理與電路設(shè)計(jì)562014年5月上第9期總第189期