LED散熱模塊總熱阻測量與分析系統
1. 實驗系統的作用
大功率LED擁有一系列顯著的性能優勢，隨著其在多個照明領域的廣泛應用，已成為一種有望替代傳統光源的新型照明產品。然而，與近年來半導體照明產業的迅速崛起相比，對口專業的技術人才總量供給不足，高層次技能型人才更是嚴重匱乏，特別是對于即將開工投產的企業，人才的短缺問題已成燃眉之急。此外，由于LED的散熱能力可直接影響其性能指標、使用壽命和工作可靠性，因此，LED散熱性能的測量與分析至關重要。為了解決這一LED產業化發展中的瓶頸問題，在數十所已設立光源與照明相關專業的高校中均開設了LED散熱相關的課程，以培養學生散熱設計與分析理論知識與應用能力。
光源與照明專業作為新開設的LED相關本科專業，在課程學習方面需要大量的實驗操作以輔助理論學習，而在實驗和實踐教學方面，目前從市面上很難購得適合學生使用的設備，同時與之相近的工程熱物理等專業在實驗對象、理論原理與分析方法上存在很大不同，其實驗體系并不能應用在本專業。
在LED散熱性能分析中，總熱阻數值的大小能客觀衡量不同燈具結構及工況下的散熱能力，通常被視為一項關鍵的測量指標。目前，實驗室測量LED熱阻是利用LED光色熱電參數綜合性能測試系統，其原理是利用結溫與測試電壓間良好的線性關系(電壓溫度系數)，在不改變LED結構的情況下較準確地同時測得單顆LED的結溫、輸入電功率和發光功率。然而，在測試由多顆LED組成的燈具模塊時，則需預先將選定的單顆待測LED從電路中斷開，并以假負載連接原有電路，這樣一來PCB板將遭受破壞，且假負載的電熱特性對其它LED的影響也并不可知;再者，系統配備的積分球不能滿足本實驗對象發光功率的測試需求，且測溫探頭無法置于密閉的積分球內而不能得到真實的環境溫度;該設備屬于高值精密設備，使用者需經過長時間培訓方能準確操作，限制了其用于學生實驗的普及程度。
為了彌補現有測試方法的不足，本團隊設計開發出一套可實現LED散熱模塊總熱阻測量與分析的學生實驗系統，能通過改變LED驅動電流、空氣流速、環境溫度和散熱器結構參數等關鍵影響因素，獲取LED結溫和總熱阻的變化趨勢，加深學生對散熱設計與分析方法的學習和理解，提高實際動手和思考能力，培養創新意識，滿足LED散熱相關課程的實驗和實踐教學要求。
2. 主要部件與功能
LED散熱模塊總熱阻測量與分析系統主要包含：LED散熱模塊樣品、環境模擬箱、電源控制系統、溫度記錄儀和計算機(含自編數據處理軟件)等幾個部分。
其中，LED散熱模塊樣品以CREE公司生產的XLamp 7090XR-E型LED器件為光源，能適應200 mA~1000 mA大范圍的電流變化，使單顆LED對應的電功率覆蓋了0.6 W~3.7 W，因此選擇此款LED，只需通過電源控制系統調節LED的驅動電流，就可以得到一系列變化分明且穩定的工作狀態，從而提高各種工況下進行測量與分析的準確度。此外，實驗系統提供了5種不同結構類型和尺寸的鋁合金散熱器，能用于探討相同工況下不同散熱器結構參數對總熱阻的影響趨勢。
環境模擬箱采用透明亞克力材料制得，方便觀察內部運行情況，且具有很好的空氣密封性和絕熱能力。環境模擬箱主要是模擬出LED燈具安裝使用的現實環境，能提供0 m/s~10 m/s的空氣流速，以及室溫~45℃的環境溫度，且通過電源控制系統的功率調節，均能實現無級式連續調控?？諝饬魉俚臄抵?，可通過風壓表的示數經過簡單換算即可得出。
溫度記錄儀6個熱電偶探頭固定在6顆LED的底座內側，2個探頭固定在測試通道的上游區域，分別負責采集測試通道內的環境溫度和實驗樣品的參考點溫度，并通過串口線將測試數據傳至計算機中，進而通過為本實驗系統專門開發的一款自編應用軟件，對相關測量數據進行實時處理和存儲，并進行單因素影響趨勢的數據分析。
LED散熱模塊總熱阻測量與分析系統的主要功能可歸納為：
(1) 針對同一批次的LED樣品，讀取由SSP8810-S型測試儀測得的標定數據，繪制不同驅動電流情況下各關鍵物理量之間的變化曲線，并擬合出相互間的關系計算式，從而形成待測LED樣品的標定數據庫。
(2) 可方便更換5種不同結構類型和尺寸的鋁合金散熱器，并通過調整設定成不同的工作條件，如：驅動電流(200 mA~1000 mA)、空氣流速(0 m/s~10 m/s)、環境溫度(室溫~45℃)，從而探討各種情況對散熱性能的影響趨勢。
(3) 以設定的時間間隔實時采集測量節點的溫度數據，進而自動計算并實時顯示芯片結溫、總熱阻等各種關鍵物理量的數值隨采樣時間的變化曲線。
(4) 自動判定每一次測量過程是否達到了熱平衡，并能夠將測量過程及計算結果的數據，以固定的格式保存在規則命名的測量數據文件中，使用戶僅從文件名中就可了解各自的測量條件。
(5) 可選擇已保存的測量數據文件，重現繪制和查看各采樣通道的溫度、各關鍵物理量數值隨采樣時間變化的數據曲線。
(6) 針對相同LED燈珠所建立的測試項目，在設定可變單因素種類和固定因素數值后，能夠以芯片結溫和系統熱阻為雙縱軸，繪制出單因素對比分析數據圖，以供使用者進行直觀分析。
作品名稱：LED散熱模塊總熱阻測量與分析系統
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