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影響LED燈光衰的原因分析


添加時間:2016-10-07 | 返回首頁
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光衰這個LED行業老生常談的問題,筆者一直在想怎么能很直觀的告訴你們光衰和LED燈珠壽命的的關系呢?最后找到了一個比較好的方法,就是看圖說話。提前說下減少光衰的方法就是散熱,散熱,散熱......重要的事情多說幾遍。

下面是cree公司的光衰曲線圖:

從圖中可以看出,LED的光衰是和它的結溫有關,所謂結溫就是半導體PN結的溫度,結溫越高越早出現光衰,也就是壽命越短。從圖上可以看出,假如結溫為105度,亮度降至70%的壽命只有一萬多小時,95度就有2萬小時,而結溫降低到75度,壽命就有5萬小時,65度時更可以延長至9萬小時。所以延長壽命的關鍵就是要降低結溫,不過這些數據只適合于Cree的LED,并不適合于其他公司的LED。

如何才能延長LED的壽命

所以我們買LED燈具(所有的不特指LED射燈)的時候,一定要看它的散熱設計好不好。

由圖中可以得出結論,要延長其壽命的關鍵是要降低其結溫。而降低結溫的關鍵就是要有好的散熱器,能夠及時地把LED產生的熱散發出去。

在這里我們不準備討論如何設計散熱器的問題,而是要討論哪一個散熱器的散熱效果相對比較好的問題。實際上,這是一個結溫的測量問題,假如我們能夠測量任何一種散熱器所能達到的結溫,那么不但可以比較各種散熱器的散熱效果,而且還能知道采用這種散熱器以后所能實現的LED壽命。

如何測量結溫

結溫看上去是一個溫度測量問題,可是要測量的結溫在LED的內部,總不能拿一個溫度計或熱電偶放進PN結來測量它的溫度。當然它的外殼溫度還是可以用熱電偶測量的,然后根據給出的熱阻Rjc(結到外殼),可以推算出它的結溫。

但是在安裝好散熱器以后,問題就又變得復雜起來了。因為通常LED是焊接到鋁基板,而鋁基板又安裝到散熱器上,假如只能測量散熱器外殼的溫度,那么要推算結溫就必須知道很多熱阻的值。包括Rjc(結到外殼),Rcm(外殼到鋁基板,其實其中還應當包括薄膜印制版的熱阻),Rms(鋁基板到散熱器),Rsa(散熱器到空氣),其中只要有一個數據不準確就會影響測試的準確度。

下圖給出了LED到散熱器各個熱阻的示意圖。其中合并了很多熱阻,使得其精確度更加受到限制。也就是說,要從測得的散熱器表面溫度來推測結溫的精確度就更差。

LED到散熱器各個熱阻的示意圖

幸好有一個間接測量溫度的方法,那就是測量電壓。那么結溫和哪個電壓有關呢?這個關系又是怎么樣的呢?我們首先要從LED的伏安特性講起。

LED伏安特性的溫度系數

我們知道LED是一個半導體二極管,它和所有二極管一樣具有一個伏安特性,也和所有的半導體二極管一樣,這個伏安特性有一個溫度特性。其特點就是當溫度上升的時候,伏安特性左移。圖中畫出了LED的伏安特性的溫度特性。

假定對LED以Io恒流供電,在結溫為T1時,電壓為V1,而當結溫升高為T2時,整個伏安特性左移,電流Io不變,電壓變為V2。這兩個電壓差被溫度去除,就可以得到其溫度系數,以mV/oC表示。對于普通硅二極管,這個溫度系數大約為-2mV/oC。但是LED大多數不是用硅材料制成的,所以它的溫度系數也要另外去測定。幸好各家LED廠家的數據表中大多給出了它的溫度系數。例如對于Cree公司的XLamp7090XR-E大功率LED,其溫度系數為-4mV/oC。要比普通硅二極管大2倍。至于美國普瑞的陣列LED(BXRA)就給出了更為詳細的數據。

但是,他們給出的數據,其范圍也未免過于寬大,以至于失去了利用的價值。不管怎樣,只要知道LED的溫度系數就很容易可以從測量LED的前向電壓中推算出LED的結溫了。

如何來預測這個燈具的壽命

從結溫來推測壽命好像應該很簡單,只要查一下圖1的曲線,就可以知道對應于95度結溫時的壽命就可以得到LED的壽命為2萬小時了。但是,這種方法用于室內的LED燈具還有一定的可信度,如果應用到室外的LED燈具,尤其是大功率LED路燈,那里還有很多不確定因素。

最大的問題是LED路燈的散熱器的散熱效率的隨時間而降低。這是由于塵土、鳥屎的積累而使得其散熱效率降低。也還因為室外有很強烈的紫外線,也會使LED的壽命降低。紫外線主要是對封裝的環氧樹脂的老化起很大作用,假如采用硅膠,可以有所改善。紫外線對熒光粉的老化也有一些壞作用,但不是很嚴重。

不過,這種方法用來相對比較兩種散熱器的散熱效果是比較有效的。很明顯,伏安特性左移越小的散熱器,其散熱效果就越好。另外,對于預測室內LED燈具的壽命也還是有一定的準確度的。


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