- LED的光衰
- 如何才能延長LED的壽命
- 如何具體測算LED的結溫
- 用電流節(jié)溫查表得出LED壽命
- 在LED溫度變化不大時測量電流
假如不考慮電源和驅動的故障,LED的壽命表現為它的光衰,也就是時間長了,亮度就越來越暗,直到最后熄滅。通常定義衰減30%的時間作為其壽命。
那么LED的壽命能不能預測呢?這個問題無法簡單地回答,需要從頭講起。
LED的光衰
大多數白色LED是由藍色LED照射黃色熒光粉而得到的。引起LED光衰的主要原因有兩個,一個是藍光LED本身的光衰,藍光LED的光衰遠比紅光、黃光、綠光LED要快。還有一個是熒光粉的光衰,熒光粉在高溫下的衰減十分嚴重。各種品牌的LED它的光衰是不同的。通常LED的廠家能夠給出一套標準的光衰曲線來。例如美國Cree公司的光衰曲線就如圖1所示。
圖1.Cree公司的LED的光衰曲線
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。例如Lumiled公司的LuxeonK2的光衰曲線就如圖2所示。
圖2.Lumiled公司的LuxeonK2的光衰曲線
當結溫從115℃提高到135℃,就會使壽命從50,000小時降低到20,000小時。其他各家公司的光衰曲線應當可以向原廠索取。
如何才能延長LED的壽命
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(fā)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。圖3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。
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圖3.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4中畫出了LED的伏安特性的溫度特性。
圖4.LED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?yōu)閂2。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。
如何具體測算LED的結溫
現在就以Cree公司的XLamp7090XR-E為例。來說明如何具體測算LED的結溫。要求已經把LED安裝到散熱器里,并且是采用恒流驅動器作為電源。同時要把連接到LED去的兩根線引出來。在通電以前就把電壓表連接到輸出端(LED的正極和負極),然后接通電源,趁LED還沒有熱起來之前,馬上讀出電壓表的讀數,也就是相當于V1的值,然后等至少1小時,等它已經達到熱平衡,再測一次,LED兩端的電壓,相當于V2。
把這兩個值相減,得出其差值。再被4mV去除一下,就可以得出結溫了。實際上,LED多半為很多個串聯再并聯,這也不要緊,這時的電壓差值是由很多串聯的LED所共同貢獻,所以要把這個電壓差值除以所串聯的LED數目再去除以4mV,就可以得到其結溫。如,LED是10串2并,第一次測得的電壓為33V,第二次熱平衡后測得的電壓為30V,電壓差為3V。這個數字先要除以所串聯的LED個數(10個),得到0.3V,再除以4mV,可以得到75度。假定開機前的環(huán)境溫度是20度,那么這時候的結溫就應當是95度。
采用這種方法得出的結溫,肯定要比用熱電偶測量散熱器的溫度再來推算其結溫要準確很多。
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(huán)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。