大功率LED照明燈具的配光與散熱研究分析

　　節(jié)能 半導體器件的發(fā)光現(xiàn)象從原理上來說可以大致分為三種：光致發(fā)光，電致發(fā)光，陰極射線發(fā)光，其中第一種發(fā)光形式是當一定數(shù)量的光線照射到半導體上面的時候，半導體本身的電子和空穴吸收了光的能量而發(fā)光的現(xiàn)象。第二種發(fā)光形式是當在半導體器件上施加正向電壓的時候，電子和空穴由于得到了能量而運動，進而激發(fā)了發(fā)光現(xiàn)象。陰極射線發(fā)光是當某些射線照射到半導體上面的時候，半導體的載流子吸收了能量，進而產生復合發(fā)光的發(fā)光現(xiàn)象。

　　LED本身也屬于半導體器件，LED的自發(fā)性發(fā)光是由于電子和空穴之間的復合運動而產生的。它的發(fā)光原理是基于電致發(fā)光的發(fā)光原理，而沒有采用與傳統(tǒng)光源諸如白熾燈，節(jié)能燈等相似的發(fā)光原理。LED最重要的部分是P-N結—個由N型半導體和P型半導體組成，并且在P型半導體和N型半導體之間形成一層薄薄的真空耗盡層。P-N結的發(fā)光過程大體上可以分為三個過程：其處于正向電壓下的載流子注入，復合輻射的方式，光能傳輸。體積非常小的半導體晶體全部被封裝在干凈的環(huán)氧樹脂之中，當其中的電子途徑晶片的時候，電子游離到空穴區(qū)并和它們復合，此時，空穴和電子同時消失并出現(xiàn)光子。電子與空穴由于復合運動產生的光子的能量與電子和空穴二者本身是成正比的。然而復合運動所產生的光子的能量同時又是和光子所產生的光的顏色是一一對應的，一般來講，在可見光的頻譜范圍之內，不同頻率的光譜所攜帶的能量是不同的。紫色光，藍色光所帶有的能量在通常的情況下是最多的，而紅色光，桔色光所帶有的能量往往是最少的。正是由于不同的材料之間帶隙的差別，才造成了不同的材料可以發(fā)出不同顏色的光的現(xiàn)象。

　　LED作為一種新型的固態(tài)冷光源，具有體積小，壽命長，發(fā)光效率高，等優(yōu)點。大功率LED照明燈具廣闊的市場前景引發(fā)了對于LED應用的研究高潮，特別是在大功率照明應用方面，但是由于LED芯片發(fā)出的光呈Lambertian分布，這樣的光場分布如果不經(jīng)過二次光學設計而直接應用到實際的大功率照明中應用的話，將會造成嚴重的光浪費，LED二次光學設計問題成了限制LED在照明應用方面進一步推廣的主要問題。傳統(tǒng)的照明設計方法不能進行錯誤預估的缺點，采用了將非成像光學理論，照明設計軟件和計算機編程相結合的方法來進行大功率LED照明燈具的二次光學設計，根據(jù)非成像光學中經(jīng)典的光學擴展度守恒以及邊緣光線原理，得到透鏡的曲面方程，然后利用Matlab編程計算出自由曲面透鏡的離散點，進行三維建模，并在Tracepro中進行仿真驗證了設計的正確性。而LED的基本封裝結構是將一塊結構是電致發(fā)光的半導體模塊封裝在環(huán)氧樹脂之中，通過引腳作為正負電極起到支撐的作用，LED結構主要由支架，銀膠，晶片，金線，環(huán)氧樹脂五種物料組成，一個已經(jīng)封裝好的大功率LED燈珠的結構如圖1所示：

　　圖1 大功率LED燈珠的結構

　　大功率LED照明燈具成像光學在成像光學設計中，光學系統(tǒng)是作為主要的成像工具，主要通過幾何光線的概念來研究光線傳播的規(guī)律，對于光線傳播中能量的傳遞產生的變化缺乏相應的研究，然而非成像光學則與成像光學是不同的，其從物理學的角度認為，光線在傳播的過程之中攜帶著相應的輻射能，那么光線傳播的方向也就是所對應的輻射能的傳播方向。因此，當從研究能量變化的角度出發(fā)，光學系統(tǒng)本身也是傳遞對應的輻射能量的介質，光線的傳播過程本身也就是是對應的能量的傳輸過程，非成像光學理論主要從這種能量傳播的規(guī)律的角度對整個光學系統(tǒng)進行研究。

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