LED周圍溫度場(chǎng)的測(cè)定

張修興

摘 要：LED（發(fā)光二極管）的散熱是衡量其質(zhì)量與安全性的一個(gè)重要性能指標(biāo)。我們利用LR200D無紙記錄儀和熱電偶對(duì)不同LED燈周圍不同半徑和不同時(shí)間的溫度進(jìn)行測(cè)定與研究。結(jié)果表明，LED燈周圍半徑小于20cm時(shí)溫度場(chǎng)變化幅度比較大；燈具在啟用后8分鐘內(nèi)溫度變化明顯，之后趨于恒定值。研究結(jié)果對(duì)生產(chǎn)、生活中LED燈具的設(shè)計(jì)與使用提供一定的指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：LED燈；LR200D無紙記錄儀；溫度分布

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.11.111

1 LED燈的工作原理

LED（light emitting diode），又稱發(fā)光二極管，是一種固態(tài)的半導(dǎo)體器件，它是可以直接把電轉(zhuǎn)化為光。它的心臟是一個(gè)半導(dǎo)體的晶片。晶片的一端附在一個(gè)支架上，一端是負(fù)極，另一端是連接電源的正極，讓整個(gè)晶片被環(huán)氧樹脂封裝起來。半導(dǎo)體晶片，它由兩部分組成。一部分是P型半導(dǎo)體，在里面空穴占主導(dǎo)地位，另一端是N型半導(dǎo)體，在這邊主要的是電子。但當(dāng)兩種半導(dǎo)體連接起來的時(shí)候，它們之間就形成了一個(gè)P-N結(jié)。當(dāng)電流通過導(dǎo)線，作用于這個(gè)晶片的時(shí)候，電子就會(huì)被推向P區(qū)，在P區(qū)里和空穴復(fù)合，然后以光子的形式發(fā)出能量，這就是LED發(fā)光的原理。

2 測(cè)溫方案與數(shù)據(jù)采集

在本次實(shí)驗(yàn)中我們所用的測(cè)溫裝置是LR200D無紙記錄儀（如圖1-圖2所示）。此裝置是一種3英寸單色液晶顯示分辨率為320*200的高速高性能微處理器，它可以對(duì)測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)的溫度、壓力、流量、電量等信號(hào)進(jìn)行測(cè)量、控制和記錄。因?yàn)長R200D系列無紙記錄儀可以自由組態(tài)輸入標(biāo)準(zhǔn)電壓、標(biāo)準(zhǔn)電流、熱電偶、熱電阻、頻率等信號(hào)，還可以通過U盤或通訊方式與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。所以我們?cè)趯?shí)驗(yàn)過程中主要通過控制其他變量測(cè)量不同LED燈周圍30cm內(nèi)的的溫度變化。之后導(dǎo)出數(shù)據(jù)制作相應(yīng)的溫度變化曲線圖。

3 不同LED周圍溫度分布測(cè)量及結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)步驟

取一個(gè)大紙板，在紙板中心位置確定一個(gè)圓心，做出半徑不同的同心圓。待測(cè)燈具放置在圓心處；實(shí)驗(yàn)時(shí)根據(jù)要求將溫度傳感器的探頭分別放在半徑不同或者半徑相同的圓上；記錄不同時(shí)間間隔、不同半徑圓處的溫度值。測(cè)量封閉空間時(shí)，在大紙板的外側(cè)罩一個(gè)剛好將紙板蓋住的大的紙箱，將紙箱上面做成透明面并留一個(gè)手可以伸進(jìn)去的孔；實(shí)驗(yàn)時(shí)將溫度傳感器的探頭從孔伸進(jìn)去放在需要測(cè)量的圓上；記錄不同時(shí)間間隔、不同半徑圓處的溫度值；對(duì)記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及分析，得出結(jié)論。

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

按照3.1的實(shí)驗(yàn)步驟，得到以下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

對(duì)封閉區(qū)間的數(shù)據(jù)取平均值得到以下結(jié)果。

3.3 根據(jù)測(cè)量的數(shù)據(jù)繪制函數(shù)圖

根據(jù)表2的數(shù)據(jù)，我們繪制出了LED燈周圍溫度r=5cm時(shí)溫度隨半徑的變化曲線圖。

從圖中可以看到，半徑為5cm 時(shí)LED燈在8分鐘內(nèi)溫度逐漸變化，當(dāng)時(shí)間超過3分鐘時(shí)，LED等周圍溫度變化明顯減小，超過8分鐘時(shí)，LED燈周圍的溫度趨于穩(wěn)定，這說明LED燈周圍的溫度場(chǎng)分布已經(jīng)趨于穩(wěn)定。

根據(jù)表4的數(shù)據(jù)，我們繪制出LED燈在t=10min時(shí)溫度隨半徑的變化曲線圖。

從圖中可以看出，在t=10min時(shí)，LED燈周圍溫度隨著半徑的增大而逐漸減小。當(dāng)距離大于20cm，溫度變化逐漸緩慢，最終趨于恒定值（該恒定值與實(shí)驗(yàn)時(shí)的環(huán)境溫度相同）。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果與日常經(jīng)驗(yàn)近似相同，即：距離燈具越遠(yuǎn)，溫度梯度變化越小，測(cè)量值越接近環(huán)境溫度。

同樣，對(duì)所得到的封閉空間的數(shù)據(jù)表3和表4繪制出如下曲線圖。

從圖中可以看到，封閉空間測(cè)量的溫度值高于不封閉空間的溫度測(cè)量值，但是當(dāng)時(shí)間超過3分鐘時(shí)，LED等周圍溫度變化明顯減小，超過8分鐘時(shí)，LED燈周圍的溫度趨于穩(wěn)定，周圍溫度隨著半徑的增大而逐漸減小。當(dāng)距離大于20cm，溫度變化逐漸緩慢，最終趨于恒定值（該恒定值與實(shí)驗(yàn)時(shí)的環(huán)境溫度相同），即：距離燈具越遠(yuǎn)，溫度梯度變化越小，測(cè)量值越接近環(huán)境溫度。與前面我們得到的結(jié)論相同。

4 結(jié)論

借助溫度傳感器和LR200D無紙記錄儀，我們對(duì)三種不同形狀的LED燈進(jìn)行了工作時(shí)間周圍溫度的測(cè)量和分析。分別研究了溫度隨時(shí)間的變化、溫度隨離燈半徑的變化、封閉環(huán)境對(duì)溫度的影響。結(jié)果表明：燈具正常工作時(shí)，溫度隨時(shí)間的增加非均勻上升，且增加的幅度逐漸減小，最終溫度于一恒定溫度附近小幅度波動(dòng)；隨著離燈具距離的增加，周圍溫度逐漸下降，最終穩(wěn)定于一固定值附近，這一穩(wěn)定值十分接近環(huán)境溫度；在燈具周圍半徑為20cm的區(qū)域內(nèi)，溫度的變化較為明顯，20cm到25cm的范圍內(nèi)溫度變化逐漸趨于穩(wěn)定，25cm以外的范圍內(nèi)溫度基本無明顯變化；封閉環(huán)境下燈具周圍溫度明顯高于不封閉環(huán)境。研究結(jié)果對(duì)LED的安全使用有一定的指導(dǎo)意義。

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基金資助：渭南市科技局項(xiàng)目（2016KYJ-3-5）；渭南師范學(xué)院人才項(xiàng)目（15ZRRC06，15ZRRC14）