光衰在LED行业是个常见的问题,它常常会让人们觉得头疼不已,LED灯光衰和LED灯珠寿命又有什么关系呢?我们又该如何解决光衰的问题呢?最后找到了一个比较好的方法,就是看图说话。
下面是光衰曲线图:
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。
如何才能延长LED的寿命
所以我们买LED灯具(所有的不特指LED射灯)的时候,一定要看它的散热设计好不好。
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。
下图给出了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。
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。图中画出了LED的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。
如何来预测这个灯具的寿命
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。另外,对于预测室内LED灯具的寿命也还是有一定的准确度的。