通过传热模拟分析LED灯泡设计

在我的青年时代，我花了很多时间参加体育练习和游戏。随着年龄的增长，我的练习和游戏时间安排在晚上和晚上。通常，我将在黑暗中踢足球比赛。但是，当我踏上田野时，它几乎和白天一样明亮……

计入现场和场外的LED技术

与该领域接壤的灯光使我和我的团队能够继续我们的比赛深夜。

晚上光线充足的足球场。乔纳森·彼得森（Jonathan Petersson）的照片Unplash。

我的经历并不是独一无二的：几十年来，世界各地的运动队一直在晚上进行比赛和练习。但是，近年来，您可能已经注意到，其中一些领域的照明比以前更好。这是为什么？

为了更可持续，许多体育组织选择用发光二极管（LED）技术代替其体育场中的传统照明系统。LED灯泡不仅比传统的白炽灯泡更节能，而且更明亮。根据美国环境保护局（EPA），“绿色运动”的好处包括：

• 保存生物多样性
• 降低运营成本
• 为绿色产品和服务创建和扩展市场乐动体育app无法登录
• 和更多

LED玉米灯泡通常用于点燃各种室外（和室内）运动体育场和法院的一种LED灯泡。就像运动员将日常生活和体育练习纳入一个时间表一样，LED灯泡必须将许多功能适合一个系统。通过模拟，工程师可以调查并更好地了解LED技术背后的机制。我们将在今天的博客文章中探讨一个例子。

多功能的LED灯泡

走进五金店，经过露台家具，烤架和室外动力设备的展示后，您可能会发现一部分LED玉米灯泡整齐地塞在一个专用于灯具的过道中。在这里，您会看到它们的尺寸，样式和成本范围。它们通常由一到200个微小发光的二极管组成，它们排成一列并固定在金属或环氧结构上。合适的是，LED玉米鳞茎以它们相似的蔬菜命名：玉米棒。

一个LED玉米灯泡。Dmitry G的图像 - 自己的作品。获得许可CC BY-SA 3.0， 通过Wikimedia Commons。

LED玉米灯泡的独特形状可能吸引了消费者的眼睛，但正是他们的能源效率使它们成为高强度放电（HID）和白炽灯泡的流行替代品。与白炽灯泡相比，LED预计能量减少了75％，其寿命最长长达25倍。（参考文献1）

为了增加它们的多功能性，这些灯泡的颜色温度从2700K到6000k。LED灯泡的色温代表其光的颜色。带有高开尔文（5500k – 6500k）的灯泡将是鲜艳的白色，而开尔文（2700–3000k）的灯泡将是温暖的白色。

由于LED玉米灯泡具有多种样式，因此它们适用于室外和室内应用，从车库和仓库到高速公路和体育场，都阐明了一切。

设计LED的挑战

尽管通常认为LED比传统灯泡更有效，但它们在将电力转化为光方面仍然没有100％的效率。他们的一些加热时电源会发出。这种热量会被困在灯泡的脖子上，这会导致灯泡中的电子组件（例如芯片）随着时间的流逝而降解。结果，有些人注意到LED持续了一生中承诺的一生。所以，热管理设计LED灯泡是一个重要的考虑因素。

传热建模可用于优化LED灯泡设计的几何形状和材料，并估算灯泡内发生的最高温度。在这里，我们将探索LED玉米灯泡的热模型。

在comsolMultiphysics®中建模LED灯泡

LED灯泡冷却教程模型

LED灯泡冷却教程模型通过考虑到LED芯片的加热，从浮力驱动的气流和环境周围环境中的辐射来估计LED玉米灯泡的温度。此外，它还通过考虑能量传输和动量传输之间的耦合来计算LED灯泡内部和外部的非等热气流。

模型概述

建模的灯泡由：

• 透明的丙烯酸塑料，顶部有6个孔
• 8个支撑18芯片的侧PCB
• 支持12个LED芯片的顶级PCB
• 钢基

灯泡的总功率为5瓦。

在下面，您可以查看四分之一的LED灯泡几何形状的两个不同角度。请注意，由环氧树脂制成的LED芯片以橙色显示。由铝制成的PCB以棕色显示。

LED灯泡几何形状的前视图，突出了LED芯片在侧PCB上的位置（左）。视图显示LED芯片在顶部PCB上的位置（右）。

建模结果

这固体和流体中的传热和层流接口用于计算灯泡内外气流的温度分布和速度幅度。

如下结果所示，本研究中的LED芯片达到了〜76°C的最高温度。自然流动对流的最大速度幅度为〜0.2 m/s。

LED芯片中的温度分布在灯泡中，标称功率为5瓦（左）。灯泡内外的气流的速度场大小（右）。

注意：与5.5版相比，该LED灯泡模型的计算时间在COMSOL多物理学的5.6版中短10％。学到更多这里。

LED灯泡模型中温度分布（表面图）和速度（箭头和流线）的仿真结果。

研究现实生活中的LED灯泡设计

在教程文档中，我们做了以前从未做过的事情：将模拟结果与我们进行的现实生活实验进行比较！

在我们的实验中，两个LED灯泡具有与教程模型中建模的LED灯泡相似的特性，固定在垂直板上。它们通过230 V AC国内电流提供动力。两个灯泡内部的温度均使用基本红外摄像头计算。〜72°C是观察到的最高温度（接近教程中观察到的最高温度）。

我们的实验设置。

像模型一样，该实验中使用的两个玉米灯泡都有一个塑料屏蔽罩，这有助于保护其二极管免受外部条件的影响，例如灰尘。

尽管需要进行更详细的实验来在模型和现实之间提供精确的定量协议，但该实验是概念证明。具体而言，它突显了LED灯泡的冷却受到其方向的影响，无论是垂直还是水平的。这些结果与LED灯泡冷却教程模型的结果非常吻合。

现在轮到你了…

在这里，我们讨论了如何通过传热模拟分析LED灯泡的热管理。通过单击下面的按钮来尝试LED灯泡冷却教程模型：

进一步阅读

在Comsol博客上阅读有关LED建模的其他示例：乐动体育赛事播报

• 从普通光源计算发射光谱
• 创建波长可调LED模拟应用程序
• 通过多物理模拟研究LED效率

参考

1. “LED照明”，美国能源部的能源效率和可再生能源办公室，，，，https://www.energy.gov/energysaver/save-electricity-and-fuel/lighting-choices-choices-save-you-money/led-lighting。