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【摘 要】散热问题是影响LED灯具性能和寿命的一个重要方面。本文介绍一种新型的LED影视平板柔光灯散热结构设 计，使LED灯具的散热达到了比较好的效果。
【关键词】 散热；LED；舞台影视照明；灯具设计
文章编号： 10.3969/j.issn.1674-8239.2014.11.002
【Abstract】Heat dissipation is an important problem of performance and life of LED light. In this paper a new type of heat dissipation structure design in LED video tablet soft light was introduced， so as to lead in better effect of LED light heat dissipation.
【Key Words】heat dissipation； LED； stage film and television lighting； lighting design
引言
自从上世纪末白光LED诞生以来，LED照明技术得到了飞速的发展。目前LED照明在城市景观、LCD背光板、交通标志、汽车尾灯照明和广告招牌等方面有着广泛的应用。
在舞台影视照明领域，LED光源凭借其光效高、能耗低、寿命长、无污染等众多技术优势，也显示出超强的魅力。2003年，LED PAR灯在国内演艺设备行业首次亮相，标志着LED灯具作为一种新型的绿色光源产品，开始走入舞台影视照明领域。随着LED PAR灯在电视演播室的使用，各种各样的LED影视舞台灯具也迅速发展起来。2008年北京奥运会开闭幕式使用了大量的LED产品，LED灯具大放异彩。当今，LED灯具已经在舞台演出和影视照明领域不断前进，其取代传统光源灯具的趋势不可逆转。
1 散热性能对LED灯具的重要影响
LED是固态光源，发光芯片面积小，工作时通过芯片的电流密度大；而单颗LED芯片的功率比较小，所输出的光通量也较低，所以，在实际应用到照明设备时大多灯具要求由多颗LED光源组合而成，从而使得LED芯片密集度较大。又因为LED光源的光电转换率不高，大约只有15%～35%左右电能转为光输出，其余均转换成为热能，因此当大量LED光源集中工作时，将会产生大量的热能。如果不能使这些热量尽快有效地耗散，会致使LED光源结温上升，减少芯片出射的光子，使色温质量下降，加快芯片老化，缩短器件寿命。因此，对LED灯具散热结构进行热分析和优化设计就变得异常关键。
就LED光源而言，LED芯片与LED基板之间以及LED基板和散热器之间采用热传导的方式进行散热，散热器和大气环境之间采用热对流的方式进行散热。LED光源热量的75%是通过热传导的方式发出，基本不用考虑热辐射的散热情况。为了较好地控制LED的结温，良好的散热设计主要是从以下两方面考虑：一是改善LED发光器件的内部封装结构，提高发热芯片向基板传导热量的能力；二是提高外壳向外界散热的能力。
影视照明灯具是专业照明领域里要求比较高的一种灯具，其要求灯具在使用过程中不能出现色温漂移的现象，而且有很高的噪声要求。这就要求LED灯具设计时要充分考虑灯具的散热：只有具有良好的散热性能，才能保障LED芯片温度在恒定的范围内，而不至于在使用过程中产生色温漂移；在足够散热的条件下尽量减少散热噪声，最好是实现没有噪声的散热。
2 一种新型的散热结构设计
广州市珠江灯光科技有限公司新近推出了一款具有自主专利的LED影视平板柔光灯（如图1）。这款灯采用自然散热方式，不产生任何噪声，很好地满足了影视照明灯具的噪声要求。在散热结构方面，采用了一种新的结构设计，使LED的热量很好地通过空气对流散发到空气中，保证了LED能够在安全的温度范围内工作，从而确保灯具在使用过程中，不会因为温度过高而产生色温漂移和亮度衰减的问题。
2.1 结构
先看这款灯具散热部分的结构（如图2）：
从结构上看，光源部分采用16颗集成式LED光源，分成3组安装在凸起来的传热面上，每组之间就有一条整体的凹槽。在凹槽底部就是散热器的支撑板，支撑板把散热器分隔为两个区域：前面的LED光源安装区域和后面的散热片区域。同时，在凸起部位的两侧各留出一排缺口，切开散热器其中的一边看看缺口的位置（如图3）。还有就是从正面图看到中间凸起部位还有一排通孔。
2.2 设计原理剖析
从图3可以看到，缺口和通孔都是连通前后两个区域的作用。
此散热系统中，LED的基板是灯具散热系统的传热载体，也是笔者能够接触到的最热的部位。从LED芯片传到基板上的热量，大部分通过散热器传导到散热片上扩散到空气中，而在基板周围的空气受到高温基板的影响，温度也迅速上升。后面区域的温度是通过基板传导到散热片上的热量而上升的，所以其温度上升要比前面区域慢。这样，就导致以支撑板为分隔的前后两个区域存在温度差，而缺口和通孔就是连通这两个有温差的区域的。根据空气流通的原理，当两个区域存在温差时，就会通过这些缺口和通孔进行冷热空气交换，这样就靠自身的结构让空气流动起来（如图4）。前面提到的凹槽就是为了使空气能够在LED周围形成循环流动的风道，让空气流动的范围达到整个区域。
因为前后两个区域对传来的热量存在时间差，所以在灯具使用的过程中，它们永远无法达到真正的热平衡，会一直进行冷热空气的流动热交换。因此这两个区域的空气流动是永远不会停止的。
也是因为有了永不停止的热交换空气流动，使得灯具的散热效果大大提升。研发人员在设计过程中做了多种情况的温度测试，最终结果就是现在的结构达到最好的散热效果。在模拟的空气冷热交换流动图（如图5）中可以看到，通孔起到了非常重要的作用。
2.3 测试
为了验证这种结构的有效性，研发人员反复地做了一项对比测试：将两组灯具，第一组是按照本文所述的结构设计，第二组是将所有的缺口和通孔都封起来，放在相同条件（温度为31.5℃、湿度为55%、无风扇）下的恒温恒湿箱进行测试，灯具热平衡后，利用红外测温仪测量出两组结构的热分布情况（仪器数据显示见图6、图7）。从中可见，第二组的最高温度点达到了55.7℃，而第一组的最高温度点仅50.7℃。即第二组无论是最高温度、平均温度还是最低温度，都比第一组高5℃左右。数据见表1。这个测试充分证明了此种散热结构的有效性。
从以上实例可以很清楚地看到，这款产品在结构设计上，充分考虑了空气力学方面的相关特性，在结构上巧妙地利用这些特性，使LED的散热达到了比较好的效果，为以后同类LED灯具的散热设计提供了很好的参考。
作者简介：
黄文升，汕头大学机电系毕业，广州市珠江灯光科技有限公司研发项目经理，工程师，主要从事LED舞台照明产品的研发，特别对LED的光质、光学、散热及灯具系统集成方面研究多年，获得多项专利。主导设计的《模块化主题演艺系统集成技术研发及典型应用——多媒体数字灯的研发与应用》获得文化部科技提升计划项目专家验收通过。
【关键词】 散热；LED；舞台影视照明；灯具设计
文章编号： 10.3969/j.issn.1674-8239.2014.11.002
【Abstract】Heat dissipation is an important problem of performance and life of LED light. In this paper a new type of heat dissipation structure design in LED video tablet soft light was introduced， so as to lead in better effect of LED light heat dissipation.
【Key Words】heat dissipation； LED； stage film and television lighting； lighting design
引言
自从上世纪末白光LED诞生以来，LED照明技术得到了飞速的发展。目前LED照明在城市景观、LCD背光板、交通标志、汽车尾灯照明和广告招牌等方面有着广泛的应用。
在舞台影视照明领域，LED光源凭借其光效高、能耗低、寿命长、无污染等众多技术优势，也显示出超强的魅力。2003年，LED PAR灯在国内演艺设备行业首次亮相，标志着LED灯具作为一种新型的绿色光源产品，开始走入舞台影视照明领域。随着LED PAR灯在电视演播室的使用，各种各样的LED影视舞台灯具也迅速发展起来。2008年北京奥运会开闭幕式使用了大量的LED产品，LED灯具大放异彩。当今，LED灯具已经在舞台演出和影视照明领域不断前进，其取代传统光源灯具的趋势不可逆转。
1 散热性能对LED灯具的重要影响
LED是固态光源，发光芯片面积小，工作时通过芯片的电流密度大；而单颗LED芯片的功率比较小，所输出的光通量也较低，所以，在实际应用到照明设备时大多灯具要求由多颗LED光源组合而成，从而使得LED芯片密集度较大。又因为LED光源的光电转换率不高，大约只有15%～35%左右电能转为光输出，其余均转换成为热能，因此当大量LED光源集中工作时，将会产生大量的热能。如果不能使这些热量尽快有效地耗散，会致使LED光源结温上升，减少芯片出射的光子，使色温质量下降，加快芯片老化，缩短器件寿命。因此，对LED灯具散热结构进行热分析和优化设计就变得异常关键。
就LED光源而言，LED芯片与LED基板之间以及LED基板和散热器之间采用热传导的方式进行散热，散热器和大气环境之间采用热对流的方式进行散热。LED光源热量的75%是通过热传导的方式发出，基本不用考虑热辐射的散热情况。为了较好地控制LED的结温，良好的散热设计主要是从以下两方面考虑：一是改善LED发光器件的内部封装结构，提高发热芯片向基板传导热量的能力；二是提高外壳向外界散热的能力。
影视照明灯具是专业照明领域里要求比较高的一种灯具，其要求灯具在使用过程中不能出现色温漂移的现象，而且有很高的噪声要求。这就要求LED灯具设计时要充分考虑灯具的散热：只有具有良好的散热性能，才能保障LED芯片温度在恒定的范围内，而不至于在使用过程中产生色温漂移；在足够散热的条件下尽量减少散热噪声，最好是实现没有噪声的散热。
2 一种新型的散热结构设计
广州市珠江灯光科技有限公司新近推出了一款具有自主专利的LED影视平板柔光灯（如图1）。这款灯采用自然散热方式，不产生任何噪声，很好地满足了影视照明灯具的噪声要求。在散热结构方面，采用了一种新的结构设计，使LED的热量很好地通过空气对流散发到空气中，保证了LED能够在安全的温度范围内工作，从而确保灯具在使用过程中，不会因为温度过高而产生色温漂移和亮度衰减的问题。
2.1 结构
先看这款灯具散热部分的结构（如图2）：
从结构上看，光源部分采用16颗集成式LED光源，分成3组安装在凸起来的传热面上，每组之间就有一条整体的凹槽。在凹槽底部就是散热器的支撑板，支撑板把散热器分隔为两个区域：前面的LED光源安装区域和后面的散热片区域。同时，在凸起部位的两侧各留出一排缺口，切开散热器其中的一边看看缺口的位置（如图3）。还有就是从正面图看到中间凸起部位还有一排通孔。
2.2 设计原理剖析
从图3可以看到，缺口和通孔都是连通前后两个区域的作用。
此散热系统中，LED的基板是灯具散热系统的传热载体，也是笔者能够接触到的最热的部位。从LED芯片传到基板上的热量，大部分通过散热器传导到散热片上扩散到空气中，而在基板周围的空气受到高温基板的影响，温度也迅速上升。后面区域的温度是通过基板传导到散热片上的热量而上升的，所以其温度上升要比前面区域慢。这样，就导致以支撑板为分隔的前后两个区域存在温度差，而缺口和通孔就是连通这两个有温差的区域的。根据空气流通的原理，当两个区域存在温差时，就会通过这些缺口和通孔进行冷热空气交换，这样就靠自身的结构让空气流动起来（如图4）。前面提到的凹槽就是为了使空气能够在LED周围形成循环流动的风道，让空气流动的范围达到整个区域。
因为前后两个区域对传来的热量存在时间差，所以在灯具使用的过程中，它们永远无法达到真正的热平衡，会一直进行冷热空气的流动热交换。因此这两个区域的空气流动是永远不会停止的。
也是因为有了永不停止的热交换空气流动，使得灯具的散热效果大大提升。研发人员在设计过程中做了多种情况的温度测试，最终结果就是现在的结构达到最好的散热效果。在模拟的空气冷热交换流动图（如图5）中可以看到，通孔起到了非常重要的作用。
2.3 测试
为了验证这种结构的有效性，研发人员反复地做了一项对比测试：将两组灯具，第一组是按照本文所述的结构设计，第二组是将所有的缺口和通孔都封起来，放在相同条件（温度为31.5℃、湿度为55%、无风扇）下的恒温恒湿箱进行测试，灯具热平衡后，利用红外测温仪测量出两组结构的热分布情况（仪器数据显示见图6、图7）。从中可见，第二组的最高温度点达到了55.7℃，而第一组的最高温度点仅50.7℃。即第二组无论是最高温度、平均温度还是最低温度，都比第一组高5℃左右。数据见表1。这个测试充分证明了此种散热结构的有效性。
从以上实例可以很清楚地看到，这款产品在结构设计上，充分考虑了空气力学方面的相关特性，在结构上巧妙地利用这些特性，使LED的散热达到了比较好的效果，为以后同类LED灯具的散热设计提供了很好的参考。
作者简介：
黄文升，汕头大学机电系毕业，广州市珠江灯光科技有限公司研发项目经理，工程师，主要从事LED舞台照明产品的研发，特别对LED的光质、光学、散热及灯具系统集成方面研究多年，获得多项专利。主导设计的《模块化主题演艺系统集成技术研发及典型应用——多媒体数字灯的研发与应用》获得文化部科技提升计划项目专家验收通过。