LED灯具结构分析报告课件.ppt
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1、四、四、LEDLED灯具寿命与信赖度灯具寿命与信赖度在某一个特定电子器件个体发生失效之前在某一个特定电子器件个体发生失效之前,难以标明其确切的寿命值,但明确了某,难以标明其确切的寿命值,但明确了某一批电子器件产品的失效率一批电子器件产品的失效率(t)特征后)特征后,就可以得到表征其可靠性的若干寿命特,就可以得到表征其可靠性的若干寿命特征量,如平均寿命、可靠寿命、中位寿命征量,如平均寿命、可靠寿命、中位寿命、特征寿命等、特征寿命等4.1、电子器件的寿命、电子器件的寿命(1)平均寿命)平均寿命:指一批电子器件产品寿命:指一批电子器件产品寿命的平均值。的平均值。1MTTF(2 2)可靠寿命)可靠寿命
2、T TR R:指一批电子器件产品的可:指一批电子器件产品的可靠度靠度R R(t t)下降到)下降到 时,所经历的工作时间。时,所经历的工作时间。lnRT(3)中位寿命:指产品的可靠度)中位寿命:指产品的可靠度R(t)将为)将为50%时的寿命。时的寿命。(4 4)特征寿命:指产品的可靠度)特征寿命:指产品的可靠度R R(t t)降为)降为1/e1/e时的寿命。时的寿命。5.0ln5.0T假如不考虑电源和驱动的故障,假如不考虑电源和驱动的故障,LED的寿命表现的寿命表现为它的光衰,也就是时间长了,亮度就越来越暗为它的光衰,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,直到最后熄灭。通
3、常定义衰减30%的时间作为的时间作为其寿命。其寿命。4.2.1 LED的光衰的光衰 大多数白色大多数白色LED是由蓝色是由蓝色LED照射黄色荧光照射黄色荧光粉而得到的。引起粉而得到的。引起LED光衰的主要原因有两个,光衰的主要原因有两个,一个是蓝光一个是蓝光LED本身的光衰,蓝光本身的光衰,蓝光LED的光衰远的光衰远比红光、黄光、绿光比红光、黄光、绿光LED要快。还有一个是荧光要快。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。粉的光衰,荧光粉在高温下的衰减十分严重。4.2、LED寿命寿命各种品牌的各种品牌的LED它的光衰是不同的。通常它的光衰是不同的。通常LED的厂家能够给出一套标准
4、的光衰曲线来。例如的厂家能够给出一套标准的光衰曲线来。例如美国美国Cree公司的光衰曲线就如图公司的光衰曲线就如图1所示。所示。图图1.Cree1.Cree公司的公司的LEDLED的光衰曲线的光衰曲线 从图中可以看出,从图中可以看出,LEDLED的光衰是的光衰是和它的结温有关,所谓结温就是半和它的结温有关,所谓结温就是半导体导体PNPN结的温度,结温越高越早结的温度,结温越高越早出现光衰,也就是寿命越短。从图出现光衰,也就是寿命越短。从图上可以看出,假如结温为上可以看出,假如结温为105105度,度,亮度降至亮度降至70%70%的寿命只有一万多的寿命只有一万多小时,小时,9595度就有度就有2
5、 2万小时,而结温万小时,而结温降低到降低到7575度,寿命就有度,寿命就有5 5万小时,万小时,6565度时更可以延长至度时更可以延长至9 9万小时。所万小时。所以延长寿命的关键就是要降低结温。以延长寿命的关键就是要降低结温。当结温从当结温从115提提高到高到135,就会,就会使寿命从使寿命从50,000小小时降低到时降低到20,000小小时。其他各家公司时。其他各家公司的光衰曲线应当可的光衰曲线应当可以向原厂索取。以向原厂索取。图图2.Lumiled 2.Lumiled 公司的公司的LuxeonK2LuxeonK2的光衰曲线的光衰曲线 4.2.2 延长寿命的关键:降低其结温延长寿命的关键:
6、降低其结温 降低结温的关键就是要有好的散热器。能够及降低结温的关键就是要有好的散热器。能够及时地把时地把LED产生的热散发出去。产生的热散发出去。通常通常LED是焊接到铝基板,而铝基板又安装到是焊接到铝基板,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,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。包那么要推算结温就必须知道很多热阻的值。包括括Rjc(结到外壳),(结到外壳),Rcm(外壳到铝基板,其(外壳到铝基板,其实其中还应当包括薄膜印制版的热阻),实其中还应当包括薄膜印制版的热阻),Rms(铝基板到散热器),(铝基板到散热器),Rsa(散热器到空
7、气)(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,其中只要有一个数据不准确就会影响测试的准确度。准确度。图图3给出了给出了LED到散热器各个热阻的示意图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。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。面温度来推测结温的精确度就更差。图图3.LED3.LED到散热器各个热阻的示意图到散热器各个热阻的示意图 但可以根据但可以根据LEDLED伏安特性间接推算结温伏安特性间接推算结温LED伏安特性的温度系数伏安特性的温度系数我们知道
8、我们知道LED是一个半导体二极管,它和所有二极管一样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,这个伏安特性有一个温度特性。其特具有一个伏安特性,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。图点就是当温度上升的时候,伏安特性左移。图4中画出了中画出了LED的伏安特性的温度特性。的伏安特性的温度特性。假定对假定对LEDLED以以IoIo恒流供恒流供电,在结温为电,在结温为T1T1时,电时,电压为压为V1V1,而当结温升高,而当结温升高为为T2T2时,整个伏安特性时,整个伏安特性左移,电流左移,电流IoIo不变,电压不变,电压变为变为V2V2。这两个电压差。这
9、两个电压差被温度去除,就可以得到被温度去除,就可以得到其温度系数,以其温度系数,以mV/CmV/C表表示。对于普通硅二极管,示。对于普通硅二极管,这个温度系数大约为这个温度系数大约为-2mV/C2mV/C。但是。但是LEDLED大多大多数不是用硅材料制成的,数不是用硅材料制成的,所以它的温度系数也要另所以它的温度系数也要另外去测定。外去测定。图图4.LED4.LED伏安特性的温度特性伏安特性的温度特性如何具体测算如何具体测算LED的结温?的结温?要求已经把要求已经把LED安装到散热器里,并且是采用恒流驱动安装到散热器里,并且是采用恒流驱动器作为电源。同时要把连接到器作为电源。同时要把连接到LE
10、D去的两根线引出来。去的两根线引出来。在通电以前就把电压表连接到输出端(在通电以前就把电压表连接到输出端(LED的正极和负的正极和负极),然后接通电源,趁极),然后接通电源,趁LED还没有热起来之前,马上还没有热起来之前,马上读出电压表的读数,也就是相当于读出电压表的读数,也就是相当于V1的值,然后等至少的值,然后等至少1小时,等它已经达到热平衡,再测一次,小时,等它已经达到热平衡,再测一次,LED两端的两端的电压,相当于电压,相当于V2。把这两个值相减,得出其差值。再被。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,去除一下,就可以得出结温了。实际上,LED多半多
11、半为很多个串联再并联,这也不要紧,这时的电压差值是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由很多串联的LED所共同贡献,所以要把这个电压差值所共同贡献,所以要把这个电压差值除以所串联的除以所串联的LED数目再去除以数目再去除以4mV,就可以得到其结,就可以得到其结温。温。4.3、LED灯具寿命的依赖度灯具寿命的依赖度LED寿命可以达到寿命可以达到100000小时小时?这只是水平较高这只是水平较高LED的理论数据,是省略了一些的理论数据,是省略了一些边界条件(即理想条件)下的数据,而边界条件(即理想条件)下的数据,而LED在真在真正使用时还有很多因素影响其寿命,主要有以下正使
12、用时还有很多因素影响其寿命,主要有以下4个因素:个因素:1、芯片、芯片2、封装、封装3、灯具设计、灯具设计4、电源、电源4.3.1、芯片、芯片LED在制造过程中,其它杂质离子的污染、晶格缺陷等在制造过程中,其它杂质离子的污染、晶格缺陷等工艺过程都会影响工艺过程都会影响LED的寿命,所以要采用高品质的的寿命,所以要采用高品质的LED是首要条件;是首要条件;4.3.2、封装、封装 LED的后工艺封装是否合理也是影响的后工艺封装是否合理也是影响LED灯具寿命的重灯具寿命的重要因素之一。目前全球几大公司如要因素之一。目前全球几大公司如cree、lumilends、日亚等较高水平的日亚等较高水平的LED
13、封装都有专利保护,这些公司的封装都有专利保护,这些公司的后工艺封装要求水平都比较高,后工艺封装要求水平都比较高,LED的寿命因而就有所的寿命因而就有所保证。保证。目前大多数企业的目前大多数企业的LED后工艺封装仿制较多,从外形后工艺封装仿制较多,从外形看还可以,但是工艺结构及工艺质量较差,严重影响看还可以,但是工艺结构及工艺质量较差,严重影响LED的寿命;的寿命;散热设计散热设计最短的热传到路径,减小热传导阻力;最短的热传到路径,减小热传导阻力;增大相互传导面积,增加热传到速度;增大相互传导面积,增加热传到速度;合理的计算设计散热面积;合理的计算设计散热面积;有效的利用热容量效应。有效的利用热
14、容量效应。4.3.3、灯具设计、灯具设计灯具设计是否合理,这也是影响灯具设计是否合理,这也是影响LED灯具寿命的关键问题。合理的灯具寿命的关键问题。合理的灯具设计在满足灯具其它指标之外,一个关键要求是要将灯具设计在满足灯具其它指标之外,一个关键要求是要将LED点亮点亮时产生的热能散发出来,即就是采用时产生的热能散发出来,即就是采用cree等公司的优质等公司的优质LED原装品原装品,使用在不同灯具上,使用在不同灯具上,LED的寿命可以相差几倍甚至几十倍。例如的寿命可以相差几倍甚至几十倍。例如现在市场上有集成光源灯具的销售(单颗现在市场上有集成光源灯具的销售(单颗30W、50W、100W),这这些
15、产品光源与散热通道接触部分散热不畅,结果导致有些产品在点些产品光源与散热通道接触部分散热不畅,结果导致有些产品在点亮亮13个月就光衰个月就光衰50以上,有些产品使用以上,有些产品使用0.07W左右的小功率管左右的小功率管,由于没有合理的散热机构,导致光衰非常快,甚至有些城市政策,由于没有合理的散热机构,导致光衰非常快,甚至有些城市政策性推广,结果闹出一些笑话。这些产品技术含量低、造价低、寿命性推广,结果闹出一些笑话。这些产品技术含量低、造价低、寿命短;短;4.4.4、电源、电源灯具使用电源是否合理。灯具使用电源是否合理。LED是电流驱动器件,若电源电流波动较是电流驱动器件,若电源电流波动较大,
16、或者电源尖脉冲出现频率较高,都会影响大,或者电源尖脉冲出现频率较高,都会影响LED光源的寿命。电光源的寿命。电源本身的寿命主要取决于电源设计是否合理,在电源设计合理前提源本身的寿命主要取决于电源设计是否合理,在电源设计合理前提下,电源的寿命就取决于元器件的寿命。下,电源的寿命就取决于元器件的寿命。输出驱动电压选择:输出驱动电压选择:20W20W以内市电驱动时以内市电驱动时48V48V左右比较合适;左右比较合适;较大的功率市电驱动输出电压较大的功率市电驱动输出电压36V36V左右最合适;左右最合适;离线式照明大部分是离线式照明大部分是12V12V和和24V24V电压。电压。基于串并联安全考虑出负
17、载合适的驱动电压值基于串并联安全考虑出负载合适的驱动电压值,尽量统一电压值尽量统一电压值减小电源设计规格成本;减小电源设计规格成本;基于安规规定,产品设计要符合认证要求基于安规规定,产品设计要符合认证要求,流峰值超过流峰值超过42.4Vac42.4Vac或直流超过或直流超过60Vdc60Vdc的电压的电压 ;从解决从解决LEDLED照明市场大规模上量的技术和品质问题考虑。照明市场大规模上量的技术和品质问题考虑。五、五、LEDLED照明器具所要求的照明器具所要求的光特性光特性目前,目前,LED主要用于三大领域:主要用于三大领域:1)显示:如指示灯、信号灯、警示灯、显示屏等;显示:如指示灯、信号灯
18、、警示灯、显示屏等;2)照明:手电筒、矿灯、定向照明灯、辅助照明灯等;照明:手电筒、矿灯、定向照明灯、辅助照明灯等;3)功能辐射:如生物分析、光疗、光固化、植物照明等功能辐射:如生物分析、光疗、光固化、植物照明等。衡量衡量LED光电性能的主要参数如表光电性能的主要参数如表1所示。所示。5.1、照明的四个基本度量照明的四个基本度量光通量光通量光强度光强度照度照度亮度亮度 什么是光通量?什么是光通量?光源在单位时间内发出的光的总量称光通量光源在单位时间内发出的光的总量称光通量,以以F F表示表示.单位为流明单位为流明(lm)1w(1w(波长波长555555纳米)纳米)=683=683 流明流明常见
19、某些光源的光通量:常见某些光源的光通量:自行车头灯自行车头灯:、3W3W30 lm30 lm白志灯白志灯:75W75W900 lm900 lm荧光灯荧光灯:TLD TLD 58W58W5200 5200 lmlm波长波长(nm)(nm)相对视觉灵敏度相对视觉灵敏度 4004000 0500500600600700700800800555 nm555 nm0,0,2 20,0,4 40,0,6 60,0,8 81,1,0 0 光谱视觉敏感度光谱视觉敏感度人眼在可见光谱范围的视觉敏感度随波长而变化人眼在可见光谱范围的视觉敏感度随波长而变化,峰值为峰值为555 555 n m(n m(绿色绿色).)
20、.光通量就是以人眼视觉曲线为标准的能量光通量就是以人眼视觉曲线为标准的能量.辐射功率比重对比光谱视觉敏感辐射功率比重对比光谱视觉敏感度度NaNa波长波长(nm)(nm)400400500500600600700700800800555 555 nmnm490 490 nmnm589 589 nmnm相对视觉灵敏度相对视觉灵敏度 0 00,0,2 20,0,4 40,0,6 60,0,8 81,1,0 01w(1w(波长波长555555纳米)纳米)=683=683 流明流明1w(1w(波长波长490490纳米)纳米)=0.2=0.2*683=137 683=137 流明流明人眼人眼绿色植物绿色植
21、物400400500500600600700700800800555 555 nmnm675675 n nmm0 00,0,2 20,0,4 40,0,6 60,0,8 81,1,0 0 人眼的灵敏度和绿色植物光合作用人眼的灵敏度和绿色植物光合作用相对视觉灵敏度相对视觉灵敏度 波长波长(nm)(nm)什么是发光强度?什么是发光强度?*发光强度是通过照度计在距离光源较大一段距离发光强度是通过照度计在距离光源较大一段距离时测量的。时测量的。I I光源在给定方向的单位立体角中发射的光通量定义为光源在光源在给定方向的单位立体角中发射的光通量定义为光源在该方向上的光强度该方向上的光强度(简称光强简称光强
22、),),以以 I 表示表示.单位为坎德拉单位为坎德拉 (cd)(cd)什么是照度?什么是照度?入射于被照物体单位面积上的光通量就入射于被照物体单位面积上的光通量就是照度。以是照度。以E表示。单位为勒克斯表示。单位为勒克斯(lx=lm/m2)*照度与光通量入射到表面的方向无关。照度与光通量入射到表面的方向无关。100 lux 2500 lux 5000 lux 10 000 lux 100 000 lux 通常室内外照度等级通常室内外照度等级 (中午阳光下不同位置的照度中午阳光下不同位置的照度)什么是亮度?什么是亮度?*亮度是根据对比而来,因此是由主观感觉决定的,亮度是根据对比而来,因此是由主观
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