LED路燈光衰定義

LED路燈是指LED經(jīng)過一段時間的點亮后,其光強會比原來的光強要低，而低了的部分就是LED路燈的光衰。一般LED封裝廠家做測試是在實驗室的條件下(25℃的常溫下)，以20MA的直流電連續(xù)點亮LED1000小時來對比其點亮前后的光強。

N小時的光衰=1-(N小時的光通量/0小時的光通量)

LED路燈產(chǎn)品的光衰就是光在傳輸中的訊號減弱，而現(xiàn)階段全球LED大廠們做出的LED產(chǎn)品光衰程度都不同，大功率LED同樣存在光衰，這和溫度有直接的關(guān)系，主要是由芯片、螢光粉和封裝技術(shù)決定的。目前，市場上的白光LED其光衰可能是向民用照明進軍的首要問題之一。

針對LED的光衰主要有以下二大因素:

1、采用的LED芯片體質(zhì)不好，亮度衰減較快。

2、生產(chǎn)工藝存在缺陷，LED芯片散熱不能良好的從PIN腳導(dǎo)出，導(dǎo)致LED芯片溫度過高使芯片衰減加劇。

1、LED為恒流驅(qū)動，有部分LED采用電壓驅(qū)動原因使LED衰減過來。

2、驅(qū)動電流大于額定驅(qū)動條件。

其實導(dǎo)致LED產(chǎn)品光衰的原因很多，最關(guān)鍵的還是熱的問題，盡管很多廠商在次級產(chǎn)品不特別注重散熱的問題，但這些次級LED產(chǎn)品長期使用下，光衰程度會比有注重散熱的LED產(chǎn)品要高。LED芯片本身的熱阻、銀膠的影響、基板的散熱效果，以及膠體和金線方面也都與光衰有關(guān)系。

大多數(shù)白色LED是由藍色LED照射$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(jié)溫有關(guān)，所謂結(jié)溫就是半導(dǎo)體PN結(jié)的溫度，結(jié)溫越高越早出現(xiàn)光衰，也就是壽命越短。從圖上可以看出，假如結(jié)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(jié)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(guān)鍵就是要降低結(jié)溫。不過這些數(shù)據(jù)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(jié)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(yīng)當可以向原廠索取。

由圖中可以得出結(jié)論，要延長其壽命的關(guān)鍵是要降低其結(jié)溫。而降低結(jié)溫的關(guān)鍵就是要有好的散熱器。能夠及時地把LED產(chǎn)生的熱散發(fā)出去。

在這里我們不準備討論如何設(shè)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(jié)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(jié)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(xiàn)的LED壽命。

結(jié)溫看上去是一個溫度測量問題，可是要測量的結(jié)溫在LED的內(nèi)部，總不能拿一個溫度計或熱電偶放進PN結(jié)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(jù)給出的熱阻Rjc(結(jié)到外殼)，可以推算出它的結(jié)溫。但是在安裝好散熱器以后，問題就又變得復(fù)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(jié)溫就必須知道很多熱阻的值。包括Rjc(結(jié)到外殼)，Rcm(外殼到鋁基板，其實其中還應(yīng)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(shù)據(jù)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(jié)溫的精確度就更差。

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(jié)溫和哪個電壓有關(guān)呢?這個關(guān)系又是怎么樣的呢?

我們首先要從LED的伏安特性講起。

我們知道LED是一個半導(dǎo)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(dǎo)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(jié)溫為T1時，電壓為V1，而當結(jié)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(shù)，以mV/oC表示。對于普通硅二極管，這個溫度系數(shù)大約為-2mV/oC。但是LED大多數(shù)不是用硅材料制成的，所以它的溫度系數(shù)也要另外去測定。幸好各家LED廠家的數(shù)據(jù)表中大多給出了它的溫度系數(shù)。例如對于Cree公司的XLamp7090XR-E大功率LED，其溫度系數(shù)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(shù)據(jù)。

但是，他們給出的數(shù)據(jù)，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(shù)就很容易可以從測量LED的前向電壓中推算出LED的結(jié)溫了。

現(xiàn)在就以Cree公司的XLamp7090XR-E為例。來說明如何具體測算LED的結(jié)溫。要求已經(jīng)把LED安裝到散熱器里，并且是采用恒流驅(qū)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(shù)，也就是相當于V1的值，然后等至少1小時，等它已經(jīng)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(jié)溫了。實際上，LED多半為很多個串聯(lián)再并聯(lián)，這也不要緊，這時的電壓差值是由很多串聯(lián)的LED所共同貢獻，所以要把這個電壓差值除以所串聯(lián)的LED數(shù)目再去除以4mV，就可以得到其結(jié)溫。例如，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(shù)字先要除以所串聯(lián)的LED個數(shù)(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(jié)溫就應(yīng)當是95度。

采用這種方法得出的結(jié)溫，肯定要比用熱電偶測量散熱器的溫度再來推算其結(jié)溫要準確很多。

從結(jié)溫來推測壽命好像應(yīng)該很簡單，只要查一下圖1的曲線，就可以知道對應(yīng)于95度結(jié)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(nèi)的LED燈具還有一定的可信度，如果應(yīng)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。。

技術(shù)日趨成熟，大功率LED光源已可以滿足一般路燈所需的。一般的高壓鈉燈的光效是100LM/W，常用的大功率LED是50-60LM/W，用國外的LED芯片可以達到80LM/W，發(fā)光效率越高，意味著節(jié)能效果越好，這也是選擇LED路燈最重要的指標之一。不過，LED的標準中并未對此有明確規(guī)定，所以在采購LED路燈時必須仔細確認。

而有的商家，為了降低成本，就采用幾百只0.5W的小功率LED。然而這種小功率的LED的光衰是非常嚴重的，其光衰至80%的壽命只有1000小時。所以，作為需要長期使用的路燈是絕對不能允許采用這種小功率LED的，選用大功率LED(一般指30W以上)，其光衰就要好很多。

LED路燈由于技術(shù)含量高、成分復(fù)雜等原因，一些大功率燈頭重量會遠遠超過普通高壓鈉燈，因此對相應(yīng)的支撐材料要求較更高。不過，一些LED路燈廠家已經(jīng)盡可能的在減少LED燈頭的自重，從原來的單個燈頭約30公斤左右，降到了10多公斤，重量的減輕還有進一步下降的趨勢。

LED因為是半導(dǎo)體元器件，其晶片受到溫度影響而減少到初始光通量的30%時，就將失去照明意義，也就是壽命終結(jié)了，理論上大功率LED路燈的壽命在3-5萬小時，但其重要前提是有良好的散熱性。值得一提的是，國內(nèi)已有廠家采用了全球領(lǐng)先的針狀散熱技術(shù)。