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茅于海:深入分析LED光衰的重要原因
摘要: 現在大家開始意識到,,光衰是大功率LED路燈不能長期工作的主要原因,,也開始認識到降低光衰的一個重要方法就是改進其散熱,。盡管如此,從這次深圳市燈光環(huán)境管理中心對各種路燈的測試結果來看,,仍然有大多數路燈的光衰是不能滿足使用要求的,。
Abstract:
Key words :

  現在大家開始意識到,光衰是大功率LED路燈不能長期工作的主要原因,,也開始認識到降低光衰的一個重要方法就是改進其散熱,。盡管如此,從這次深圳市燈光環(huán)境管理中心對各種路燈的測試結果來看,,仍然有大多數路燈的光衰是不能滿足使用要求的,。1200小時亮燈后的光衰,最好的為8%,,最差的為26%,,平均為14%。按照Cree公司的測試結果,,結溫在105度時,,14%光衰也應當要在工作了6000小時以后,可見大部分路燈的結溫在105度以上,。

  可能不少公司不會同意這樣的結果,,因為他們認為他們的散熱器都是經過精心設計的。實際情況可能也是如此,,但是測試的結果也不容懷疑,。問題出在哪里呢?

  我認為,,可能散熱器也不至于設計得這么差,,而可能是因為有一些路燈是采用恒壓電源供電的結果。可是為什么采用恒壓電源供電會引起光衰呢,?這聽上去好像有點天方夜譚,。但實際上的確有這么嚴重。讓我們來從頭說起吧,!

 

  cree公司LED的結溫和光衰壽命試驗結果

  圖1. Cree公司LED的結溫和光衰壽命試驗結果

 

  1.LED的伏安特性

 

  我們都知道,,LED是一個二極管,,而二極管最重要的電特性就是它的伏安特性,。圖2中給出了Cree公司的XLamp7090XR-E的伏安特性。

 

  XLamp7090XR-E的伏安特性

  圖2. XLamp7090XR-E的伏安特性

 

  2.LED伏安特性的溫度特性

 

  雖然它的樣子和一般二極管沒有什么兩樣,,但是最大的不同在于它的溫度特性,。其實所有二極管的伏安特性都有溫度特性的問題,可是就是LED是需要特別加以注意的,。這是因為:

  2.1 大功率LED的工作電流比較大,,1W為0.35A,3-5W為0.7A,,20W為1.05A,,30W為1.75A,50W為3.5A,。不過可能也會有人覺得,,整流二極管的正向電流也可能達到這樣大的數值的。

  2.2 LED因為目前的發(fā)光效率還是比較低,,所以大部分的輸入電功率都是轉化為熱,,所以它的發(fā)熱很高,假如散熱器做得不好,,那么結溫就會升得很高,。

  2.3 LED不同于整流二極管,它不是采用一般的硅材料做成的,,而是采用特殊的材料(例如氮化鎵)制成,。所以它的伏安特性的溫度特性也不同于一般二極管,而是要明顯大于一般二極管,。例如一般二極管的伏安特性的溫度特性為-2mV/°C,,但是Cree公司的XLamp7090XR-E的伏安特性的溫度特性卻高達-4mV/°C,要比一般的二極管大一倍,。

 

  3. 由結溫升高產生的問題

 

  3.1 LED結溫升高以后首先帶來的是光輸出降低,。

 

  XLamp7090XR-E的相對光輸出隨結溫的升高而降低

  圖3. XLamp7090XR-E的相對光輸出隨結溫的升高而降低

 

  3.2 結溫升高引起伏安特性的左移

  因為伏安特性的溫度系數是負的,這意味著溫度升高,,特性左移,。例如,假定結溫升高50度,那么伏安特性就會左移200mV,。

  3.3 采用恒壓電源供電會使LED正向電流隨溫升的增加而增加,。

  因為電源電壓是恒定的,而伏安特性卻左移了,,其結果就是正向電流增加,。從圖2的伏安特性可以看出,假如常溫下用3.3V的恒壓電源供電,,其正向電流為350mA,;結溫升高50度以后,伏安特性左移0.2V,,那么相當于電源電壓升高到了3.5V,,這時候,正向電流就會增加到600mA,。

  3.4 采用恒壓電源供電會引起溫升增加的惡性循環(huán)

  正向電流增加以后,,因為電源電壓沒有變化,所以LED的輸入功率增加到3.3Vx0.6A=1.98W,,

  幾乎增加了一倍,。但從圖3可以看出,結溫升高以后,,光輸出會降低,,這意味著更多的輸入功率轉換為熱能,也就是說如果這時候增加正向電流,,它的光輸出并不隨著增加,,反而降低。所以,,這時的正向電流的增加只會引起結溫增加,,而不會使光輸出增加。

  所以,,結溫增加以后,,正向電流增加,結溫再增加,,正向電流再增加,,這就引起結溫升高的惡性循環(huán)。

  結論:采用恒壓電源供電會使結溫升高,,光衰加大,,壽命縮短。

  所以,,從前面的分析,,可以得出這樣的結論:采用恒壓電源供電會使結溫升高,,而結溫增加的結果就是光衰加大,壽命縮短,。假定LED在常溫25度時開機,,開機以后結溫就會升高,假定散熱器設計為溫升至75度,,也就是結溫增加了50度,,那么就會使得正向電流增加至600mA??偣β蕪?.155W增加到1.98W,,增加了0.825W。而這部分所增加的功率幾乎全部轉換為熱量,。假定原來LED的發(fā)光效率為30%,,也就是70%的輸入功率(0.8W)都轉換為熱能?,F在又多了一倍的熱能需要從散熱器散出去,。顯然,這是原來的散熱器設計沒有考慮到的,。這就使LED的結溫又升高50度,,變成了125度。我們回到圖1來看光衰曲線,,125度的光衰為14%的壽命也就差不多為1200小時,,那么也就可以解釋為什么一個精心設計的散熱器,如果采用恒壓電源供電,,其結果仍然是光衰很大,,壽命很短了!

  所以,,給LED供電,,一定要采用恒流電源供電,電流恒定以后,,不管溫度怎么變化,,伏安特性如何左移,電流都不變,!結溫也就不會惡性循環(huán)了,!

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