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【行业篇】LED路灯光衰原因,!!!

兆圆照明科技 2018-12-07 11:41:48

LED路灯光衰计算方法


N小时的光衰=1-(N小时的光通量/0小时的光通量)


LED路灯光衰产生原因


LED路灯产品的光衰就是光在传输中的讯号减弱,而现阶段全球LED大厂们做出的LED产品光衰程度都不同,大功率LED同样存在光衰,这和温度有直接的关系,主要是由芯片、萤光粉和封装技术决定的。目前,市场上的白光LED其光衰可能是向民用照明进军的首要问题之一。

针对LED的光衰主要有以下二大因素:


LED产品本身品质问题

1、采用的LED芯片体质不好,亮度衰减较快。

2、生产工艺存在缺陷,LED芯片散热不能良好的从PIN脚导出,导致LED芯片温度过高使芯片衰减加剧。


使用条件问题

1、LED为恒流驱动,有部分LED采用电压驱动原因使LED衰减过来。

2、驱动电流大于额定驱动条件。

其实导致LED产品光衰的原因很多,最关键的还是热的问题,尽管很多厂商在次级产品不特别注重散热的问题,但这些次级LED产品长期使用下,光衰程度会比有注重散热的LED产品要高。LED芯片本身的热阻、银胶的影响、基板的散热效果,以及胶体和金线方面也都与光衰有关系。


LED路灯的光衰分析

大多数白色LED是由蓝色LED照射$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。例如美国Cree公司的光衰曲线就如图1所示。


图1 Cree公司的LED的光衰曲线

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。例如Lumiled公司的LuxeonK2的光衰曲线就如图2所示。

图2 Lumiled 公司的LuxeonK2的光衰曲线

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。


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。


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。

图3 LED到散热器各个热阻的示意图

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。


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。


图4 LED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。


 但是,他们给出的数据,其范围也未免过于宽大,以至于失去了利用的价值。

不管怎样,只要知道LED的温度系数就很容易可以从测量LED的前向电压中推算出LED的结温了。


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。

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。。

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