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大功率LED光源散热处置之道——半导体系体例冷

颁发时候:2016-08-05   义务编辑:深圳市立洋光电子股分无限公司    0

  近几年来,跟着人们对半导体发光资料研讨的不时深切,大功率LED光源制作工艺的不时前进和新资料(氮化物晶体和荧光粉)的开辟和操纵,各类色彩的超高亮度LED取得了冲破性停顿,这使LED操纵范畴逾越至高效力照明光源市场成为可以或许。但是,LED照明体系的成长在很大水平上遭到散热题目的影响,对大功率LED而言,散热题目已成为限制其成长的一个瓶颈题目。


  而半(ban)导体系(xi)体例(li)冷手艺具备体积(ji)小、无须增加制冷剂、布局简略、无噪声和(he)不变(bian)靠得住等长(zhang)处,跟着半(ban)导体(ti)(ti)资(zi)料(liao)手艺的前进,和(he)高热(re)电(dian)转换资(zi)料(liao)的发明,操纵(zong)半(ban)导体(ti)(ti)系(xi)体(ti)(ti)例冷手艺来处置LED照(zhao)明体(ti)(ti)系(xi)的散热(re)题目,将具备(bei)很实际的意思。

  本(ben)文以单(dan)片(pian)(pian)机(ji)AT89C51为节(jie)制(zhi)焦(jiao)点,将半导体(ti)(ti)系(xi)(xi)体(ti)(ti)例(li)冷(leng)(leng)手艺引入到LED散热研讨(tao)中,接(jie)纳PID算法和(he)PWM调制(zhi)手艺完(wan)成对半导体(ti)(ti)系(xi)(xi)体(ti)(ti)例(li)冷(leng)(leng)片(pian)(pian)的输入电压的节(jie)制(zhi),进而完(wan)成了(le)对半导体(ti)(ti)系(xi)(xi)体(ti)(ti)例(li)冷(leng)(leng)功(gong)率的节(jie)制(zhi),经由过(guo)程尝试考证(zheng)了(le)该体(ti)(ti)例(li)的可行性(xing)。


  一、LED热量发生的缘由及热量对LED机能的影响


  LED 在(zai)正(zheng)向电(dian)压下(xia),电(dian)子从电(dian)源取得(de)能(neng)量,在(zai)电(dian)场的(de)驱动下(xia),降服PN 结的(de)电(dian)场,由N 区(qu)跃迁到P 区(qu),这(zhei)些电(dian)子与P 区(qu)的(de)空(kong)穴发(fa)生复(fu)合。由于漂移到P 区(qu)的(de)自在(zai)电(dian)子具备(bei)高于P 区(qu)价电(dian)子的(de)能(neng)量,复(fu)应时电(dian)子回到低能(neng)量态,过剩(sheng)的(de)能(neng)量以(yi)光(guang)子的(de)情势(shi)放出。但是,开(kai)释(shi)出的(de)光(guang)子只要(yao)30%~40%转化为光(guang)能(neng),其余的(de)60%~70%则以(yi)点振(zhen)动的(de)情势(shi)转化为热能(neng)。

  由于LED是半导体发光器件,而(er)半导体器件随温度的(de)变(bian)更本身(shen)发生变(bian)更,从而(er)其固有的(de)特征会发生较着的(de)变(bian)更。对LED结温的(de)降低会致使器件机能的(de)变(bian)更和衰减。这类变(bian)更首要表现(xian)在(zai)以下三个(ge)方面:


  1)削减LED的(de)外(wai)量子效力;


  2)延长(zhang)LED的寿命;


  3)形成LED收回光的(de)主波(bo)长(zhang)发(fa)生偏移,从而致使光源的(de)色彩发(fa)生偏移。


  大(da)功率(lv)LED普通都用跨(kua)越1W的电功率(lv)输入,其发生的热量(liang)很大(da),处置其散热题目是燃眉之急。


  二、半导体系体例冷道理


  半(ban)导(dao)(dao)体(ti)系体(ti)例(li)冷(leng)又称电子(zi)制(zhi)(zhi)冷(leng),或温(wen)差(cha)电制(zhi)(zhi)冷(leng),是从50年月成长起来的(de)一门(men)介于制(zhi)(zhi)冷(leng)手艺(yi)(yi)和(he)(he)半(ban)导(dao)(dao)体(ti)手艺(yi)(yi)边缘的(de)学科,与(yu)紧缩式制(zhi)(zhi)冷(leng)和(he)(he)接(jie)收式制(zhi)(zhi)冷(leng)并称为天(tian)下三大制(zhi)(zhi)冷(leng)体(ti)例(li)。半(ban)导(dao)(dao)体(ti)系体(ti)例(li)冷(leng)器的(de)根基(ji)器件是热电偶对,即把一只N型半(ban)导(dao)(dao)体(ti)和(he)(he)一只P型半(ban)导(dao)(dao)体(ti)毗连成热电偶通上(shang)直流(liu)电后,在接(jie)口处就会(hui)发生温(wen)差(cha)和(he)(he)热量的(de)转移。


  在电(dian)路上(shang)串(chuan)连起多(duo)少对半(ban)导(dao)体(ti)(ti)热(re)电(dian)偶对,而传(chuan)(chuan)热(re)方面是(shi)并联的(de)(de)(de),如许就构成了一个(ge)罕(han)见(jian)的(de)(de)(de)制冷热(re)电(dian)堆(dui)(dui)。借(jie)助于热(re)互换器等各(ge)类(lei)传(chuan)(chuan)热(re)手腕(wan),是(shi)热(re)电(dian)堆(dui)(dui)的(de)(de)(de)热(re)端不时散热(re)并且(qie)坚持必(bi)然(ran)的(de)(de)(de)温(wen)度,而把热(re)电(dian)堆(dui)(dui)的(de)(de)(de)冷端放到任务情况(kuang)中去吸(xi)热(re)降温(wen),这(zhei)便是(shi)半(ban)导(dao)体(ti)(ti)系体(ti)(ti)例冷的(de)(de)(de)道理。


  本文接(jie)纳半导体(ti)系(xi)体(ti)例冷是由(you)于与(yu)其余的(de)制(zhi)冷体(ti)系(xi)比拟,不机器(qi)动弹局(ju)部、无需制(zhi)冷剂、无净化(hua)靠得住性高(gao)、寿命长并且易于节制(zhi),体(ti)积和(he)功率(lv)都可以或许做的(de)很小,很是合适在LED无限(xian)的(de)任(ren)务(wu)空间(jian)里(li)操纵。


  三、体系整体设想计划


  LED散热节制(zhi)(zhi)(zhi)体系(xi)由温(wen)度设(she)定(ding)模(mo)块、复位(wei)模(mo)块、显现模(mo)块、温(wen)度收罗模(mo)块、节制(zhi)(zhi)(zhi)电(dian)路(lu)模(mo)块及制(zhi)(zhi)(zhi)冷模(mo)块构成。该体系(xi)以(yi)微处(chu)置器为节制(zhi)(zhi)(zhi)焦点(dian),与(yu)温(wen)度收罗模(mo)块通讯(xun)收罗被(bei)控工具的(de)实时温(wen)度,与(yu)温(wen)度设(she)定(ding)模(mo)块通讯(xun)设(she)定(ding)制(zhi)(zhi)(zhi)冷启动(dong)温(wen)度和(he)强迫冷温(wen)度。


  操纵C说话(hua)对未处(chu)置编程(cheng)可完(wan)成,当(dang)收(shou)(shou)罗的(de)(de)实时(shi)(shi)温度(du)小(xiao)于制冷(leng)启动(dong)温度(du)时(shi)(shi),无PWM调制波输(shu)入(ru),制冷(leng)模(mo)块处(chu)于闲置状况;当(dang)收(shou)(shou)罗的(de)(de)实时(shi)(shi)温度(du)大于制冷(leng)启动(dong)温度(du)但小(xiao)于强迫(po)冷(leng)温度(du)时(shi)(shi),输(shu)入(ru)必然占空比的(de)(de)PWM调制波,制冷(leng)模(mo)块启动(dong)小(xiao)功率的(de)(de)制冷(leng)体(ti)例(li);当(dang)收(shou)(shou)罗的(de)(de)实时(shi)(shi)温度(du)大于强迫(po)冷(leng)温度(du)时(shi)(shi),输(shu)入(ru)必然占空比的(de)(de)PWM调制波,制冷(leng)模(mo)块启动(dong)大功率的(de)(de)制冷(leng)体(ti)例(li)。


  四、硬件电路设想及其元件挑选


  该体系首要由(you)温度(du)(du)设(she)定、温度(du)(du)收(shou)罗、PWM节制电(dian)(dian)路及帮助电(dian)(dian)路(复位电(dian)(dian)路和显现电(dian)(dian)路)构成(cheng)。本计划接(jie)纳(na)廉价位、高(gao)机能的AT89C51作(zuo)为主(zhu)控芯(xin)片,完成(cheng)全部体系的逻辑节制功效;接(jie)纳(na)单(dan)线通(tong)讯的高(gao)精(jing)度(du)(du)温度(du)(du)传感(gan)DS18B20,完成(cheng)对被控工具LED芯(xin)片实时温度(du)(du)的收(shou)罗;


  同(tong)时设想(xiang)了4×3输(shu)入(ru)键盘,制冷启动(dong)温度和(he)强迫(po)冷温度由键盘输(shu)入(ru);设想(xiang)了PWM节(jie)制电(dian)路,完成对(dui)半导(dao)体系体例冷片TEC[5]的任务电(dian)压的节(jie)制,进而完成对(dui)半导(dao)体系体例冷片TEC制冷功率的节(jie)制,以到(dao)达(da)对(dui)LED芯片实(shi)时散(san)热的结果(guo)。


  PWM.节(jie)制(zhi)电(dian)(dian)路(lu)由光电(dian)(dian)耦合(he)器(qi)和一个Cuk电(dian)(dian)路(lu)[3]构成。在此节(jie)制(zhi)电(dian)(dian)路(lu)中,光电(dian)(dian)耦合(he)器(qi)可以或(huo)许有用按捺接地回(hui)路(lu)的(de)噪(zao)声(sheng),消弭(mi)地搅(jiao)扰(rao)(rao),进步了(le)全部体系的(de)抗搅(jiao)扰(rao)(rao)才能;光电(dian)(dian)耦合(he)器(qi)把输(shu)入(ru)(ru)端(单片机AT89C51)和输(shu)入(ru)(ru)端(半导体系体例冷(leng)片TEC)电(dian)(dian)气断绝,防止了(le)主控芯片AT89C51遭到不(bu)测(ce)危险(xian),有用掩(yan)护了(le)单片机AT89C51。


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