基于LED的照明系统中使用的分析模型的可行性研究

户外LED照明系统不仅要承受雨水和灰尘，而且太阳辐射。在一般情况下，LED照明系统，计算与没有太阳能负载。这是一个有效的假设，如果照明系统只在夜间进行操作。当受到各种环境条件本文讨论的室外应用基于LED的照明系统的分析模型。

照明系统

该系统由一个安装在外壳中的可旋转的基于LED的灯夹具。外壳由上一个圆顶被置于一个铝车厢。 LED灯灯具是主动冷却散热片与25冷白光LED。 LED的结温需要为不同的正向电流来确定。内的外壳，元件，如电机，驱动器和一个LED电源单元(PSU)散热。

照明系统的素描的图像

 

 

图1：照明系统的示意图。

分析模型

甲热阻图推导来分析照明系统与圆顶向上或向下垂直安装，如图2的照明系统。假定照明系统不与地面接触良好。

热阻图图像

 

 

图2：在其电气等效给定的照明系统的热电阻的图。

尺寸

所述LED安装在200毫米×200毫米的金属芯基板(MCB)。该散热器底座的尺寸具有相同的区域作为MCB。散热器100毫米高，并且由两个风扇消散3 W一起冷却。散热片/风扇组合有0.6 K / W的热阻。

外壳为圆形，直径为400毫米和400毫米。

据推测，在外壳和圆顶的壁厚对分析的影响可以忽略。因此，该壁的导通电阻被忽略。

还假设，只有在外壳将热量传递到外部。

圆顶包括一个高200毫米，直的部分具有相同的直径与外壳。

环境条件

太阳能负载(直接，间接和漫)假定为适用于所述外壳和圆顶的一半以外的区域。

对于寿命条件，太阳能负载是700W /平方米，在20℃的周围。

的最大条件，太阳能负载是1020瓦/平方米，在40℃的周围。

太阳能吸收率的圆顶，αsolar穹顶，被假定为0.4。

太阳能吸收外壳，αsolar-CS，被假定为0.4。

外壳的发射率被假定为0.85。

计算将在无风，并与2米/秒使用5和传热系数为15W /平方米·K，分别的风速来完成。

LED的共有25冷白光LED将在350被评估为1000毫安。评估采用LUXEON Rebel的可靠性和寿命数据为B10，L70条件有40000小时的寿命要求。寿命条件B10，L70意味着，对于特定的寿命，LED的10%，预计在规定的结温度和正向电流失败。失效准则是当LED的光输出已经降低到其原始光的70%。

氮化铟镓LUXEON Rebel LED的预期寿命图像

 

 

图3：预期(B10，L70)寿命的氮化铟镓的LUXEON Rebel LEDs.1

所需的结温在使用寿命和最大温度条件下计算的。寿命条件从图3取，而最大的条件是从Reference.2寿命和最高温度使用公式1计算出的，并示于表1。虽然表1表明的寿命条件比最大的条件更严格对于某些正向电流额定值，无论是寿命和最大条件本文中进行评估。

方程1(1)

 

 

Forward Current, If [mA]	Tj,lifetime condition	Tamb	Tj,lifetime	ΔTj,lifetime
350	132.0	20.0	115.2	95.2
700	128.3	20.0	112.0	92.0
1000	126.0	20.0	110.1	90.1
Forward Current, If [mA]	Tj,max condition	Tamb	Tj,max	ΔTj,max
350	150.0	40.0	133.5	93.5
700	150.0	40.0	133.5	93.5
1000	150.0	40.0	133.5	93.5

表1：最大和寿命的结温required.1,2

LED可以被安装在FR4 PCB或金属芯基板。这些LED具有10 K / W的结至电路板的热阻。 LED的散热用方程2，其中，如果是在安培正向电流来计算，Vf为单位为伏特的电压和ηL是光效率。在研究中使用的值列在表2中。

方程2

(2)

 

Forward current [mA]	Estimated forward voltage [V]	Heat dissipation [W]
350	3.2	0.896
700	3.4	1.876
1000	3.5	2.8

表2：LED散热假设20%的光效。

电机与驱动器

的电机和驱动器被用在所述外壳以旋转照明系统。来自这些设备的总功耗被假定为10 W.

LED电源单元(PSU)

LED功率供应单元也将散热和由公式3，其中N是LED的数量和ηPSU是PSU的效率，这是假​​定为85%给出。

方程3

(3)

 

计算过程

此分析的第一计算步骤是确定的外壁的温度。这可以通过应用绕所述外壳的控制量来完成。施加稳态能量平衡，等式4，以控制体积产量公式5，这被迭代求解外壳壁温，TEN。请注意，在计算中，温度以开尔文和不摄氏度。这是因为辐射方程使用温度以开尔文，计算热通量。

周围的围墙控制音量图片

 

 

图4：各地围墙控制音量。

方程4

(4)

 

方程5

(5)

 

在哪里

方程6

(6) [!--empirenews.page--]

 

方程7

(7)

 

式(8)

(8)

 

方程9

(9)

 

方程式10

(10)

 

方程式11

(11)

 

方程式12

(12)

 

在公式11中的因子FEN就是增加了外壳的表面积。超过100的任何增加，这个因素意味着，外壳表面也成为波浪状或波纹。因此，它具有较高的表面积比以前。

第二步骤是计算散热器温度。这是通过将控制量到散热器完成的，如图5施加一个能量平衡方程，以控制体积得到公式13中，然后求解散热器温度，THS。内部空气被假定为充分混合。因此，在公式14中的传热系数被假设为8瓦/平方米·K。

围绕散热器控制音量图片

 

 

图5：围绕散热器控制音量。

方程式13

(13)

 

方程式14

(14)

 

性图的图像从散热器到LED的结

 

 

图6：从散热器至LED结抗性图。

结温度可以计算施加传导电阻从LED结到散热片，如公式15然后可以重新安排，以公式16来计算LED的结温。

方程式15

(15)

 

方程式16

(16)

 

几个研究已经完成分析的照明系统的各种参数。这些研究的总结列于表3。

将要进行的研究表3汇总

 

 

表3：研究的总结被执行。

结果

计算结果如表4为不同的案例研究。图7(a)表示组件之间的温度差。这给出的最大温度差的视觉指示并且其中可以改进。图7(c)表示施加到系统从各种来源的绝对值的热能。在图7(D)的值是类似的(c)中，但给定为总数的百分比。

为基线模型中，研究表明，LED结温度是上述说明书时LED被在700 mA(S3和S4)和1000 mA的(S5和S6)中运行。当改进的模型进行了分析，结果发现，该结温度仍高于规范1000毫安。然而，对于700个毫安，人们发现，结温度是在规定范围内。当其它温度进行了检查，结果发现，空气温度为99℃。这将是太高的风扇，电源，电机和驱动程序。考虑135℃，2的最大LED储存温度可以得出结论，该LED的组件，例如封装，是在太高的温度下进行。

结果表4摘要

 

 

表4：结果总结。

系统部件之间的温度差的图像

 

 

图7：作为太阳能吸收率(b)和热能施加到在绝对值(c)所示的系统和总(D)的百分比的函数的系统的组分(a)，结温温差。

虽然以前的研究已经表明，700个毫安的LED不是为基准模型可行的，还研究了改变的在外壳壁的太阳能吸收率的影响的改进的模型。虽然热负荷到系统已经减少了272瓦(S11)到188 W(S15)，空气温度保持太热。此外，它们被认为是太亮用于表面以具有0.2的吸收率。随着时间的推移，该反光将由灰尘层，风生粉尘砂纸的表面而降低。

看一下图7的温度差曲线图(a)在S11中，最大温差为外壳和周围环境之间。它被示于图7(d)该太阳能负载到外壳是总热负荷到系统的50%。因为外壳太阳能负载是总负荷的50%，则建议的太阳能屏蔽被用来减少外壳和周围环境之间的温度差。太阳能护罩的缺点是，风将具有系统在一个较小的效果时，没有太阳能屏蔽存在。在S16中，它表明，在结温17℃的降低，当系统是在2米/秒的风。

第二大的温度差是在外壳和内部空气之间。为了降低该温度差，在外壳内的空气必须能够沿着所述外壳和圆顶的所有表面移动。这会增加热传导系数，可以通过莫名其妙外壳的内部来完成。然而，这必须由计算流体动力学分析。

为基线研究，它表明，在350mA(S1)中，结温是在规定范围内为条件的寿命。然而，空气温度是相当高的最大条件(S2)。这是通过使用上级模型(S7)的改善。