Simulation and Optimization on Thermal Performance of LED Filament Light Bulb

Wilson Feng*, Bruce Feng, Fanny Zhao, Brian Shieh, Ricky Lee

HKUST LED-FPD Technology Ramp;D Center at Foshan, Guangdong, China

Department of Mechanical amp; Aerospace Engineering

Center for Advanced Microsystems Packaging

Hong Kong University of Science and Technology, Clear Water Bay, Kowloon, Hong Kong, China

*E-mail: fengmx@fsldctr.org

Abstract

In the present study, a computational model of LED filament light bulb was established by the ANSYS Icepak software based on the finite element method (FEM) and was compared with the experimental data as well. With the developed model, the effects of the filling gas and the

filament substrate on the steady-state thermal performance were investigated. The simulation results revealed that the thermal conductivity of the filling gas in the bulb had a significant influence on the heat dissipation of the bulb. Compared with air filling, helium can reduce the average junction temperature of LED chips bonded on the sapphire substrate by 54.6 ℃ .With a glass filament substrate and helium filling in the bulb as the base case, the average junction temperature reductions of LED chips bonded on transparent ceramics, sapphire and perforated copper were 9.6 ℃, 11.4 ℃, and 22.4 ℃, respectively. It was found that the higher the thermal conductivity of the filling gas, the less junction temperature change would be resulted from different filament substrates. In conclusion, this model can benefit the optimization of thermal design for a LED filament light bulb.

Keywords: LED, thermal, simulation, filament bulb, substrate

INTRODUCTION

In the past few years, the introduction of LED filament light bulbs has received great attention because of its traditional light bulb appearance with a nearly 360 degree lighting angle. However, due to the space limit for installing an efficient heat sink, both the luminous efficiency and the

reliability of LED filament light bulbs would be affected seriously by poor heat dissipation. Hence, the thermal management is one of the most critical challenges for the design of LED filament light bulbs. In general, there are two approaches to improve the thermal performance. One is to use the filament substrate with a higher thermal conductivity. The other is to fill the gas with a higher thermal conductivity into the bulb. However, both approaches need to

consider the cost factor as well in order to optimize the performance-to-cost ratio. A computational model for simulating the LED filament light bulb of Philip (E27ES) was established. It is found that the average junction temperature of LED chips and the thermal distribution on the LED filament bulb surface are consistent between T3ster and IR measurement with different filling gases and different filament substrates. The filling gases under investigation include air, nitrogen, and helium. The filament substrates to be studied include glass, transparent ceramic, sapphire, and perforated copper. 1. Model Establishment and Validation 1.1 Simulation Model A 3-D computational model was established, using ANSYS Icepak, as shown Fig. 1. This model employed the

unstructured meshing method, which is more suitable for a complex structure

. The computational model is composed of 1,948,581 grids to simulate its thermal behaviors.

In Table 1, the optical power of the LED filament light bulb was measured by PMS-80 Spectrometer and the thermal power could be obtained by excluding the optical power from the electrical power. There were 4 filaments in one LED filament light bulb, with 27 LED chips on one filament. The thermal conductivities of the die adhesive and the phosphor-silicone-mixture were measured by Hukseflux Thisys as shown in Fig. 2.

1.2 Experimental Measurement

The average junction temperature was measured by Thermal Transient Tester (T3ster, as shown in Fig. 3), which is based on the JESD51-1 standard. The transient temperature response curves of the bulb filled with helium and air, respectively, are given in Figs. 4 and 5. It can be seen the temperature rise is 87 ℃ with helium above the environment temperature (25 ℃) and 134 ℃ with air. The average junction temperatures of LED chips in these two cases are given in Table 2. Furthermore, the thermal distribution of LED filament light bulb surface was also measured by an infrared (IR) camera. The results are also given in Table 2.

Both natural convection and radiation were considering . Figs. 6 and 7 show the simulation results of the temperature distribution on the LED filament bulb surface and the LED chips bonded on the filament substrate, respectively. By comparing simulation to measurement, it can be seen that their results are close, as shown in Fig. 8.

2. Simulation and Optimization on Thermal Perfomance

Based on the simulation model, the thermal performances using three different gases (namely, air, helium, nitrogen) and four different filament substrates (namely, glass, transparent ceramics, sapphire, and perforated copper) were further analyzed.

2.1 Thermal Performances with Different Filling Gases

The thermal conductivities of three different filling gases are given in Table 3. The thermal distribution profiles inside the bulb filled with helium and air are

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LED灯丝灯泡热性能仿真与优化

Wilson Feng*, Bruce Feng, Fanny Zhao, Brian Shieh, Ricky Lee

中国广东佛山科大LED-FPD技术研发中心

机电工程系

高级微系统包装中心

香港科技大学，清水湾，九龙，香港，中国

*电子邮件：fengmx@fsldctr.org

抽象

在本研究中，基于有限元法（FEM）的ANSYS Icepak软件建立了LED灯丝灯泡的计算模型，并与实验数据进行了比较。随着开发的模型，填充气体的影响

研究了灯丝衬底对稳态热性能的影响。模拟结果表明，灯泡中的填充气体的热导率对灯泡的散热有显着的影响。与空气填充相比，氦气可以将蓝宝石衬底上贴合的LED芯片的平均结温降低54.6℃，玻璃丝基板和氦气填充在灯泡为基础的情况下，LED芯片的平均结温降低透明陶瓷，蓝宝石和穿孔铜分别为9.6℃，11.4℃和22.4℃。已经发现，填充气体的热导率越高，结晶温度的变化越小，可能会由不同的灯丝衬底产生。总之，这种模式可以有益于LED灯丝灯泡的热设计优化。

关键词：LED，热，模拟，灯丝，基板

介绍

在过去几年中，LED灯丝灯泡的引入受到了广泛的关注，因为其传统的灯泡外观具有近360度的照明角度。然而，由于安装高效散热器的空间限制，发光效率和

LED灯丝灯泡的可靠性将因散热差而受到严重影响。因此，热管理是设计LED灯丝灯泡最重要的挑战之一。一般来说，有两种提高热性能的方法。一种是使用具有更高导热性的长丝基材。另一种是将更高导热性的气体填充到灯泡中。但是，这两种方法都需要

考虑成本因素，以优化性能与成本比。建立了菲利普（E27ES）LED灯丝灯泡模拟计算模型。发现LED芯片的平均结温和LED灯泡表面的热分布在不同的填充气体和不同的灯丝衬底的T3ster和IR测量之间是一致的。正在研究的填充气体包括空气，氮气和氦气。待研究的长丝基材包括玻璃，透明陶瓷，蓝宝石和穿孔铜。 1.模型建立与验证1.1模拟模型利用ANSYS Icepak建立了三维计算模型，如图1所示。这个模式使用了

非结构化网格划分法，更适用于复杂结构

。计算模型由1,948,581个网格组成，用于模拟其热行为。

在表1中，通过PMS-80光谱仪测量LED灯丝灯泡的光功率，并且可以通过从电力中排除光功率来获得热功率。一根LED灯丝灯泡中有4根灯丝，一根灯丝上有27颗LED芯片。通过Hukseflux Thisys测量模具粘合剂和荧光体 - 硅酮混合物的热导率，如图1所示。 2。

1.2实验测量

平均结温通过基于JESD51-1标准的热瞬态测试仪（T3ster，如图3所示）测量。填充有氦气和空气的灯泡的瞬态温度响应曲线分别在图1和图2中给出。可以看出，氦气在环境温度（25℃）和空气中为134℃时，温度上升87℃。这两种情况下LED芯片的平均结温见表2.此外，LED灯泡表面的热分布也通过红外（IR）相机测量。结果也列于表2。

自然对流和辐射都在考虑。图图6和图7分别显示了LED灯泡表面温度分布和结合在灯丝衬底上的LED芯片的模拟结果。通过比较模拟与测量，可以看出，它们的结果是接近的，如图1所示。 8。

2.热效率的仿真与优化

基于模拟模型，进一步分析了使用三种不同气体（即空气，氦气，氮气）和四种不同长丝基材（即玻璃，透明陶瓷，蓝宝石和穿孔铜）的热性能。

2.1不同填充气体的热性能

表3给出了三种不同充气的热导率。填充有氦气和空气的灯泡内的热分布特性如图1所示。前一种情况表现出比后者更均匀和更低的温度分布。这主要是因为氦的导热系数高于空气。

充满氦气和空气的灯泡内部的热分布曲线如图1所示。前一种情况表现出比后者更均匀和更低的温度分布。这主要是因为氦的导热系数高于空气。

2.2不同长丝基材的热性能

通常有用于LED灯丝灯泡的玻璃，透明陶瓷，蓝宝石和穿孔铜基板。选择氦气的填充气体用于模拟具有相同尺寸的四种不同的长丝基材。它们的热导率在表5中给出。

图中的云图。图10显示了蓝宝石和玻璃基板的热分布特征。可以发现，使用具有高热导率的蓝宝石衬底导致比玻璃更好的散热效果

基质。

具有四种不同基板的LED芯片的平均结温模拟结果如表6所示。与玻璃基板相比，使用透明陶瓷，蓝宝石和穿孔铜的LED芯片的平均结温为9.6℃，11.4℃和22.4℃分别较低。因此，可以得出结论：衬底的热导率越高，LED芯片的平均结温就越低。

2.3结果分析

表4总结了在灯泡中具有三种不同填充气体的四种不同灯丝衬底上结合的LED芯片的平均结温的模拟结果，并在图7中进行了比较。在图1中。如图11所示，具有较高导热性的填充气体显示出更为显着的冷却效果。可以发现，连接在四个不同衬底上的氙气填充的LED芯片的平均结温远低于其他填充气体的平均结温。空气和氦气填充之间的最大间隙为61.3℃，玻璃为长丝基材。另一方面，通过氦气填充，玻璃和穿孔铜基板之间的LED芯片的平均结温的最大间隙只有22.4℃。这意味着由于更好的氦气冷却，各种灯丝衬底之间的热导率差异的影响变得不那么显着。然而，可以发现，灯丝衬底对具有空气填充的灯泡的冷却具有更显着的影响。在这种情况下，平均结温

穿孔铜基板上的LED芯片比玻璃基板上的LED芯片低31.6℃，远远高于上述22.4℃的氦气填充。

3.结论

通过测量和模拟研究了各种填充气体和灯丝衬底对LED灯丝灯泡冷却的影响。发现基板的热导率越高，LED芯片的平均结温就越低。此外，填充气体的热导率越高，LED芯片的平均结温越低。结果表明，填充气体（具有最高热导率的氦气）在灯泡中具有最有效的热扩散，使得由于不同的灯丝基底导致的冷却效果的差异将不太显着。

致谢

作者要感谢中国国家高技术研究发展计划（863计划，授权号：2015AA03A101）的支持。

基于AT89C52单片机的智能电子继电器设计

柯元

南昌理工大学电气与信息工程学院

关键词：单片机，智能电子，继电器

抽象。采用AT89C52单片机完成智能电子定时继电器​​的设计，不仅可以很好地实现任意设定的时间，而且可以精确到毫秒。本设计从硬件设计的总框图，详细介绍了硬件和软件的设计，并给出了电路原理图，硬件图和程序代码的设计。

智能电子继电器的功能模块

为了实现智能电子继电器的功能，本设计采用6个模块（见图1）。

（1）复位电路模块的设计

为了确保电路在微机系统中稳定可靠地工作，复位电路（见图2）是必不可少的部分，复位电路的功能是上电复位。通用微电脑电路工作正常需要5 V 5％的电源，即4.75 V至5.25 V。由于微电脑电路是顺序数字电路，因此需要稳定的时钟信号，因此当上电时，只有当VCC超过4.75 V，小于5.25 V，晶体振荡器工作稳定，复位信号可以去除，微电脑电路开始正常工作。

复位电路的工作原理：当VCC上电时，C1充电，出现10 k电阻中的电压，使单片机复位。几毫秒后，C1充满电，电流在10 k电阻下降到零，电压也为零，使单片机进入工作状态。在工作期间，按复位按钮，C1正在放电。松开复位按钮，C1再次充电，出现10 k电阻的电压，使单片机复位。几毫秒后，单片机进入工作状态。

（2）时钟电路模块的设计

时钟电路（见图3）是一个与时钟一样准确的振荡电路，任何按时间顺序的工作，用于产生这个时间的电路是时钟电路。

该时钟电路使用11.0592MHz晶体振荡器和两个30P电容，是单片机的关键环节，为单片机提供精确的定时功能。

（3）蜂鸣器驱动模块的设计

本设计采用I / O端口定时翻转电平驱动蜂鸣器，驱动电路（见图4），具体驱动方式见下一章。由于蜂鸣器的工作电流与普通的比较大，使得单片机的I / O端口不能直接驱动，所以需要使用放大器电路驱动，一般使用三极管放大电流。

（4）数字管段选择模块

选择数字部分，即当单片机将字形代码输出到I / O端口时，数字管的八个显示笔画“a，b，c，d，e，f，g，dp”被点亮为需要。 785如输出字形代码0 x06，数字管“a，b，c，d，e，f”亮起，显示“0”。

（5）数字管位选择模块

数字管位选通由单独的I / O线控制，当单片机输出字形代码时，所有数字管都接收相同的字形代码，但数字管将显示字形，取决于控制单片机可以对COM端子电路进行位选通，所以我们只需要打开单片机的频闪控制即可显示，它将显示字形，无频闪数码管不亮。

软件的设计

该设计软件主要包括：启动，数字管显示程序，按钮接收程序和蜂鸣器控制程序。如图5所示：

本设计采用AT89C52单片机定时器进行设计，采用单片机时钟电路，晶振频率为11.0592MHz，即周期为1 us。具体安排如下：

（1）使用AT89C52的工作模式（即16位定时器）。

（2）数字管采用动态显示，P0端口采用段选择，P2端口采用位

选择。因为数字管总共是阳极，分段代码为0-9

0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0xcf，但位选择为0xfe，0xfb，0xef，0xbf。

（3）由于数码管显示速度太快，肉眼没有时间反应然后出门，所以需要加一个延时程序。

（4）由于单片微机的微速度微秒级，当按钮按下时会出现误操作，甚至出错，所以您需要摇晃，一般采用先判断方法，按延时5 -10 ms再次判断。

软件的调试

使用kell uvision2的软件进行调试，下面是调试成功后的图片：

注意调试过程中的问题：

（1）应包括头文件及其写作格式。

（2）确保关键字输入的正确性。

（3）必须以字母输入方式写入程序，特别是“;”，如果在文本下输入

输入模式，你会犯错误。

（4）用kell uvision2软件编写的程序的大小有上限，

比你无法调试。

基于单芯片的全球定位系统设计

微控制器Yong He 1，a，Yanan Chen * 2，b

1北京时装学院信息工程学院

2北京时装学院信息工程学院

电邮：316055535@qq.com，bemail：gxycyn@bift.edu.cn

关键词：STC89C52单芯片微控制器; GPS定位; LCD1602

抽象。本文介绍了一种以STC89C52微控制器为核心的GPS定位终端设备。该器件由52个单片微控制器和一些外围电路，GPS模块，液晶显示模块和串行通信接口组成，可以显示简单的纬度和经度信息，实现室外定位跟踪。同时可以通过USB接口在白Du地图中清楚地显示具体信息的位置。它可以应用于车辆定位，智能服装和野生动物的跟踪和保护等。

介绍

GPS定位技术正在使用GPS卫星，用户接收机在地面上实时发射L波段载波频率测距信号，用户接收机连续接收，并计算接收机天线的位置，完成导航，定时和其他相关功能。在大地测量，车载导航，智能服装定时校准领域，GPS定位系统可以显示相应的实时位置和速度等参数。

2.系统整体设计

该系统是便携式设备，体积小巧，操作方便。系统首先接收

来自GPS模块的卫星数据。该模块通过串行通信接口将数据信息发送到MCU。单芯片处理器STC89C52用作核心处理器，用于分离由GPS模块发送的NMEA0183标准语句，并提取关键位置信息。 LCD 1602显示定位信息。同时，设备也可以通过USB接口连接到PC，并以百度地图的形式清楚地显示具体的位置信息。系统框图的整体结构如图1所示：

3.系统的硬件设计

3.1控制部分

该设计控制部分由STC89C52微控制器芯片和时钟电路和复位电路等的基本电路元件组成。我们采用了最小的系统板（见图1），它不仅具有微控制器芯片（可更换），而且还具有基本的外围电路，包括时钟电路和复位电路，以及必要的上拉电阻P0端口。

起初，最小系统板采用引脚头方式导出40针的52个微控制器，与普通杜邦线可以简单的电连接。然后用5， 5V和GND外部扩展引脚，更方便使用其他扩展设备。最后8串口分离导线，便于下载，用户可以简单地使用TTL到USB桥编程到52个微控制器。

3.2接收部件 - GPS接收模块

本设计采用了Ublox公司的NEO-6M GPS模块，该产品配有EEPROM，可以保存配置信息，具有IPX天线接口可连接到有源天线，具有USB Micro接口，可使用PC软件，自动串行功能，兼容所有类型的微控制器。

3.2.1连接GPS模块和单片机

如图3所示，圆圈部分1是GPS模块的串行通信端口。它可以与微控制器实际连接，我们可以在Digram 2中看到：

3.2.2选择GPS模块的天线

GPS接收机内部有一个无源陶瓷天线，但搜索卫星的效果还不够好。我们在接口中添加一个由3V源供电的有源天线，如图2所示：

3.3整个系统的供电

该系统由USB设备供电。 52个最小系统引出40个引脚，而GPS模块具有 5V引脚和Micro USB接口，可以通过USB接口的设备（如移动电源，PC等）为整个系统供电。为整个系统供电的方法如图3所示：

3.4整个系统的硬件连接

检查单：52最小系统，面包板，

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