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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