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LED 灯具长寿的解决方案

发布时间:2019-09-21 14:40人气:
近几年,LED作为新型节能光源在全球和中国都赢得得了很高的投资热情和极大关注,并由户外向室内照明应用市场渗透,中国也涌现出大大小小上万家LED照明企业。让LED照明大放异彩的最主要原因正是其宣扬的具有节能、环保、长寿命、易控制、免维护等特点,其中长寿面是其最突出的特点,一般LED发光寿命长达5-10万个小时,但是现实的问题是LED灯并不长寿。为什么会出现这种问题呢?有什么办法可以解决这个问题?
LED发光长寿命的原因
       LED的寿命为何长呢?那就要从led的发光原理说起了。LED,即发光二极管。是一种半导固体发光器件。它是利用固体半导体芯片作为发光材料。当两端加上正向电压,直接发出红、黄、绿、青、橙、紫、白色的光。多变幻:LED光源可利用LED通短时间短和红、绿、蓝三基色原理,在计算机技术控制下实现色彩和图案的多变化,是一种可随意控制的“动态光源”。

       白炽灯的发光机理是电能将发光钨丝进行加热而发光的,经过相当长时间的加热,钨丝就会老化甚至烧断,至此,白炽灯泡的寿命也就此告终了,而发光二极管的发光机理是由二极管特殊的组成结构决定的,二极管主要由PN结芯片、电极和光学系统组成,当在电极上加上正向偏压之后,使电子和空穴分别注入P区和N区,当非平衡少数载流子和多数载流子复合时,就会以辐射光子的形式将多余的能量转化为光能。其发光过程包括三个部分:正向偏压下的载流子注入、复合辐射和光能传输。

       由此可见二极管主要是靠载流子的不断移动而发光的,不存在老化和烧断的现象,所以LED发光的寿命可以很长。

现实问题:LED灯并不长寿

      尽管LED照明具有具有节能、环保、长寿命、易控制、免维护等特点,但颇具讽刺意味的是,我们常常听闻由于LED驱动电源本身的寿命直接拖累LED照明灯具变得并不“长寿”,极大地增加了维护/使用成本;或者驱动电源的效率不高导致LED照明灯具的能效转换比并不是想象中那么高,或者由于输出电流纹波没有得到很好的控制而影响了发光品质,使得LED照明的绿色节能优势大打折扣,甚至影响了市场普及。

如何预测LED寿命?

         一切事物都有发生、发展和消亡的过程,虽然比起一般的发光器件,LED的寿命相对比较长,但也是有一定寿命的。早期的LED只是手电筒、台灯这类的礼品,用的时间不长,寿命问题不突出。但是现在LED已经开始广泛地用于室外和室内的照明之中,尤其是大功率的LED路灯,其功率大、发热高、工作时间长,寿命问题就十分突出。理论上可以10万小时的寿命,可是实际上却不可而知,那么到底问题出在哪里呢?
          假如不考虑电源和驱动的故障,LED的寿命表现为它的光衰,也就是时间长了,亮度就越来越暗,直到最后熄灭。通常定义衰减30%的时间作为其寿命。那么LED的寿命能不能预测呢?答案是肯定的。

LED寿命也能够被预测!
       
       1. LED的光衰:
      大多数白色LED是由蓝色LED照射黄色荧光粉而得到的。引起LED光衰的主要原因有两个,一个是蓝光LED本身的光衰,蓝光 LED的光衰远比红光、黄光、绿光LED要快。还有一个是荧光粉的光衰,荧光粉在高温下的衰减十分严重。各种品牌的LED它的光衰是不同的。通常LED的厂家能够给出一套标准的光衰曲线来。

从图中可以看出,LED的光衰是和它的结温有关,所谓结温就是半导体PN结的温度,结温越高越早出现光衰,也就是寿命越短。从图上可以看出,假如结温为105度,亮度降至70%的寿命只有一万多小时,95度就有2万小时,而结温降低到75度,寿命就有5万小时,65度时更可以延长至9万小时。所以延长寿命的关键就是要降低结温。不过这些数据只适合于Cree的LED。并不适合于其他公司的LED。

当结温从115℃提高到135℃,就会使寿命从50,000小时降低到20,000小时。其他各家公司的光衰曲线应当可以向原厂索取。

2.如何才能延长LED 的寿命
       由图中可以得出结论,要延长其寿命的关键是要降低其结温。而降低结温的关键就是要有好的散热器。能够及时地把LED产生的热散发出去。
在这里我们不准备讨论如何设计散热器的问题,而是要讨论哪一个散热器的散热效果相对比较好的问题。实际上,这是一个结温的测量问题,假如我们能够测量任何一种散热器所能达到的结温,那么不但可以比较各种散热器的散热效果,而且还能知道采用这种散热器以后所能实现的LED寿命。
3. 如何测量结温
       结温看上去是一个温度测量问题,可是要测量的结温在LED的内部,总不能拿一个温度计或热电偶放进PN结来测量它的温度。当然它的外壳温度还是可以用热电偶测量的,然后根据给出的热阻Rjc(结到外壳),可以推算出它的结温。,但是在安装好散热器以后,问题就又变得复杂起来了。因为通常LED是焊接到铝基板,而铝基板又安装到散热器上,假如只能测量散热器外壳的温度,那么要推算结温就必须知道很多热阻的值。包括Rjc(结到外壳),Rcm(外壳到铝基板,其实其中还应当包括薄膜印制版的热阻),Rms(铝基板到散热器),Rsa(散热器到空气),其中只要有一个数据不准确就会影响测试的准确度。图3给出了LED到散热器各个热阻的示意图。其中合并了很多热阻,使得其精确度更加受到限制。也就是说,要从测得的散热器表面温度来推测结温的精确度就更差。

 幸好有一个间接测量温度的方法,那就是测量电压。那么结温和哪个电压有关呢?这个关系又是怎么样的呢?
       我们首先要从LED的伏安特性讲起。
4. LED伏安特性的温度系数
        我们知道LED是一个半导体二极管,它和所有二极管一样具有一个伏安特性,也和所有的半导体二极管一样,这个伏安特性有一个温度特性。其特点就是当温度上升的时候,伏安特性左移。图4中画出了LED的伏安特性的温度特性。

假定对LED以Io恒流供电,在结温为 T1时,电压为V1,而当结温升高为T2时,整个伏安特性左移,电流Io不变,电压变为V2。这两个电压差被温度去除,就可以得到其温度系数,以 mV/oC表示。对于普通硅二极管,这个温度系数大约为-2mV/oC。但是LED大多数不是用硅材料制成的,所以它的温度系数也要另外去测定。幸好各家 LED厂家的数据表中大多给出了它的温度系数。例如对于Cree公司的XLamp7090XR-E大功率LED,其温度系数为-4mV/oC。要比普通硅二极管大2倍。至于美国普瑞的阵列LED(BXRA)就给出了更为详细的数据。5. 如何具体测算LED的结温。
       现在就以Cree公司的XLamp7090XR-E为例。来说明如何具体测算LED的结温。要求已经把LED安装到散热器里,并且是采用恒流驱动器作为电源。同时要把连接到LED去的两根线引出来。在通电以前就把电压表连接到输出端(LED的正极和负极),然后接通电源,趁LED还没有热起来之前,马上读出电压表的读数,也就是相当于V1的值,然后等至少1小时,等它已经达到热平衡,再测一次,LED两端的电压,相当于V2。把这两个值相减,得出其差值。再被4mV去除一下,就可以得出结温了。实际上,LED多半为很多个串联再并联,这也不要紧,这时的电压差值是由很多串联的LED所共同贡献,所以要把这个电压差值除以所串联的LED数目再去除以4mV,就可以得到其结温。例如,LED是10串2并,第一次测得的电压为33V,第二次热平衡后测得的电压为30V,电压差为3V。这个数字先要除以所串联的LED个数(10个),得到0.3V,再除以4mV,可以得到75度。假定开机前的环境温度是20度,那么这时候的结温就应当是95度。
        采用这种方法得出的结温,肯定要比用热电偶测量散热器的温度再来推算其结温要准确很多。
6. 如何来预测这个灯具的寿命
 
        从结温来推测寿命好像应该很简单,只要查一下图1的曲线,就可以知道对应于95度结温时的寿命就可以得到LED的寿命为2万小时了。但是,这种方法用于室内的LED灯具还有一定的可信度,如果应用到室外的LED灯具,尤其是大功率LED路灯,那里还有很多不确定因素。最大的问题是LED路灯的散热器的散热效率的随时间而降低。这是由于尘土、鸟屎的积累而使得其散热效率降低。也还因为室外有很强烈的紫外线,也会使LED的寿命降低。紫外线主要是对封装的环氧树脂的老化起很大作用,假如采用硅胶,可以有所改善。紫外线对荧光粉的老化也有一些坏作用,但不是很严重。
        不过,这种方法用来相对比较两种散热器的散热效果是比较有效的。很明显,伏安特性左移越小的散热器,其散热效果就越好。另外,对于预测室内LED灯具的寿命也还是有一定的准确度的。

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