不同形状LED灯温度场的测定

李龙洲 李思雪

摘要：LED（发光二极管）的散热是衡量其质量与安全性的一个重要性能指标。我们利用LR200D无纸记录仪和热电偶对不同LED灯周围不同半径和不同时间的温度进行测定与研究。结果表明，LED灯周围半径小于20cm时温度场变化幅度比较大；灯具在启用后8分钟内温度变化明显，之后趋于恒定值。研究结果对生产、生活中LED灯具的设计与使用提供一定的指导。

关键词：LED灯；LR200D无纸记录仪；温度分布

1 LED灯的工作原理及分类

LED（light emitting diode），又称发光二极管，是一种固态的半导体器件，它是可以直接把电转化为光。它的心脏是一个半导体的晶片，LED燈。

晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端是连接电源的正极，让整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片，它由两部分组成。一部分是P型半导体，在里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要的是电子。但当两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成了一个P-N结。当电流通过导线，作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里和空穴复合，然后以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。

LED产品分类：

（1）根据形状不同，可分为梨形、球形、圆柱形、椭圆形、圆形、方形、尖形、飞碟形等。

（2）根据发光二极管的结构，可分为全环包封、金属底座环氧封装、陶瓷底座环氧封装及玻璃封装。

（3）根据发光管和工作电流，可分为普通亮度LED、高亮度LED和超高亮度LED。

（4）根据功率，可分为小功率LED、中功率LED、大功率LED。

（5）根据封装形式，可分为SMD（贴片）和DIP（直插）。

（6）根据应用，可分为家居LED照明灯具、商业LED照明灯具、工业LED照明灯具、LED道路照明灯具、LED景观照明、特种LED照明灯具等。

2 测温方案与数据采集

在本次实验中我们所用的测温装置是LR200D无纸记录仪（如图1-图2所示）。此装置是一种3英寸单色液晶显示分辨率为320*200的高速高性能微处理器，它可以对测量现场的温度、压力、流量、电量等信号进行测量、控制和记录。因为LR200D系列无纸记录仪可以自由组态输入标准电压、标准电流、热电偶、热电阻、频率等信号，还可以通过U盘或通讯方式与上位机进行数据交换。所以我们在实验过程中主要通过控制其他变量测量不同LED灯周围30cm内的的温度变化。之后导出数据制作相应的温度变化曲线图。

2.1 LR200D无纸记录仪简介

无纸记录仪主要由安装支架、USB接口、按键、液晶显示器、接线图、铭牌、电源端子、信号输入输出端子构成，如图3。

无纸记录仪是利用热电偶导线连接（如图4），在实验过程中按照使用说明准确连接好线路，选好通道将不同电偶线的探头置于不同的LED灯的指定位置进行多次测量并记录数据。使用过程中还应该注意测量回路要和电源回路以及接地回路分开、在电源回路中设置空气开关要将本表与总电源隔开，仪表电源有220VAC和24VDC两种，第一种供电空气开关规格为1A，第二种供电空气开关规格为3A。

图4 热电偶导线

2.2 数据采集处理

RL200D无纸记录仪利用高性能的微处理器进行数据处理不仅可以在显示屏上以多种画面显示出来，还可以把这些监察信号的数据存放在仪表内部的大量储存芯片内。因此我们在实验过程中一边实验一边记录数据然后将数据进行处理观察所显示的画面分析实验效果与结果。

3 不同LED周围温度分布测量及结果分析

3.1实验步骤

取一个大纸板，在纸板中心位置确定一个圆心，做出半径不同的同心圆。待测灯具放置在圆心处；实验时根据要求将温度传感器的探头分别放在半径不同或者半径相同的圆上；记录不同时间间隔、不同半径圆处的温度值。测量封闭空间时，在大纸板的外侧罩一个刚好将纸板盖住的大的纸箱，将纸箱上面做成透明面并留一个手可以伸进去的孔；实验时将温度传感器的探头从孔伸进去放在需要测量的圆上；记录不同时间间隔、不同半径圆处的温度值；对记录的数据进行处理及分析，得出结论。

3.2实验数据

按照3.1的实验步骤，得到以下实验数据。

4.3根据测量的数据绘制函数图

根据表2的数据，我们绘制出了LED灯周围温度r=5cm时温度随半径的变化曲线图。

从图中可以看到，半径为5cm 时LED灯在8分钟内温度逐渐变化，当时间超过3分钟时，LED等周围温度变化明显减小，超过8分钟时，LED灯周围的温度趋于稳定，这说明LED灯周围的温度场分布已经趋于稳定。

根据表4的数据，我们绘制出LED灯在t=10min时温度随半径的变化曲线图。

从图中可以看出，在t=10min时，LED灯周围温度随着半径的增大而逐渐减小。当距离大于20cm，温度变化逐渐缓慢，最终趋于恒定值（该恒定值与实验时的环境温度相同）。该实验结果与日常经验近似相同，即：距离灯具越远，温度梯度变化越小，测量值越接近环境温度。

同样，对所得到的封闭空间的数据表5和表6绘制出如下曲线图。

从图中可以看到，封闭空间测量的温度值高于不封闭空间的温度测量值，但是当时间超过3分钟时，LED等周围温度变化明显减小，超过8分钟时，LED灯周围的温度趋于稳定，周围温度随着半径的增大而逐渐减小。当距离大于20cm，温度变化逐渐缓慢，最终趋于恒定值（该恒定值与实验时的环境温度相同），即：距离灯具越远，温度梯度变化越小，测量值越接近环境温度。与前面我们得到的结论相同。

5 结论

借助温度传感器和LR200D无纸记录仪，我们对三种不同形状的LED灯进行了工作时间周围温度的测量和分析。分别研究了温度随时间的变化、温度随离灯半径的变化、封闭环境对温度的影响，并将不同类型的LED灯进行对比，得到以下结论：①灯具正常工作时，温度随时间的增加非均匀上升，且增加的幅度逐渐减小，最终温度于一恒定温度附近小幅度波动。②随着离灯具距离的增加，周围温度逐渐下降，最终稳定于一固定值附近，这一稳定值十分接近环境温度。③在灯具周围半径为20cm的区域内，温度的变化较为明显，20cm到25cm的范围内温度变化逐渐趋于稳定，25cm以外的范围内温度基本无明显变化。④封闭环境下灯具周围温度明显高于不封闭环境。⑤不同形状的LED灯虽然在具体数值上存在差异，但以上规律是基本一致的。

综合所得结论可以发现，LED灯的安全范围基本为以25cm为半径的区域，而且在使用过程中要尽量保证宽敞，避免封闭性强的环境。

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基金资助：全国大学生创新创业项目资助：不同形状 LED 灯温度场的测定与模拟（201510723656）。