基于51單片機的高效散熱LED照明解決方案

以單片機AT89C51為控制核心，將半導體制冷技術引入到led散熱研究中，采用PID算法和PWM調制技術實現對半導體制冷片的輸入電壓的控制，進而實現了對半導體制冷功率的控制，通過實驗驗證了該方法的可行性。
　　隨著LED技術日新月異的發展，LED已經走進普通照明的市場。然而，LED照明系統的發展在很大程度上受到散熱問題的影響。對于大功率LED而言，散熱問題已經成為制約其發展的一個瓶頸問題。而半導體制冷技術具有體積小、無須添加制冷劑、結構簡單、無噪聲和穩定可靠等優點，隨著半導體材料技術的進步，以及高熱電轉換材料的發現，利用半導體制冷技術來解決LED照明系統的散熱問題，將具有很現實的意義。

　　1、LED熱量產生的原因及熱量對LED性能的影響

　　LED 在正向電壓下，電子從電源獲得能量，在電場的驅動下，克服PN 結的電場，由N 區躍遷到P 區，這些電子與P 區的空穴發生復合。由于漂移到P 區的自由電子具有高于P 區價電子的能量，復合時電子回到低能量態，多余的能量以光子的形式放出。然而，釋放出的光子只有30%～40%轉化為光能，其余的60%～70%則以點振動的形式轉化為熱能。

　　由于LED是半導體發光器件，而半導體器件隨溫度的變化自身發生變化，從而其固有的特性會發生明顯的變化。對于LED結溫的升高會導致器件性能的變化和衰減。這種變化主要體現在以下三個方面：

1、減少LED的外量子效率；

2、縮短LED的壽命；

3、造成LED發出光的主波長發生偏移，從而導致光源的顏色發生偏移。大功率LED一般都用超過1W的電功率輸入，其產生的熱量很大，解決其散熱問題是當務之急。

　　2、半導體制冷原理

　　半導體制冷又稱電子制冷，或者溫差電制冷，是從50年代發展起來的一門介于制冷技術和半導體技術邊緣的學科，與壓縮式制冷和吸收式制冷并稱為世界三大制冷方式。半導體制冷器的基本器件是熱電偶對，即把一只N型半導體和一只P型半導體連接成熱電偶（如圖1），通上直流電后，在接口處就會產生溫差和熱量的轉移。在電路上串聯起若干對半導體熱電偶對，而傳熱方面是并聯的，這樣就構成了一個常見的制冷熱電堆。借助于熱交換器等各種傳熱手段，是熱電堆的熱端不斷散熱并且保持一定的溫度，而把熱電堆的冷端放到工作環境中去吸熱降溫，這就是半導體制冷的原理。

　　圖1 半導體制冷片TEC結構

　　本文采用半導體制冷是因為與其他的制冷系統相比，沒有機械轉動部分、無需制冷劑、無污染可靠性高、壽命長而且易于控制，體積和功率都可以做的很小，非常適合在LED有限的工作空間里應用。