LED燈具設計的幾個關鍵秘訣

2022-04-30 11:42:03 字數 4698 閱讀 8310

——如何**led壽命?

led燈具長壽的秘訣

近幾年,led作為新型節能光源在全球和中國都贏得得了很高的投資熱情和極大關注,並由戶外向室內照明應用市場滲透,中國也湧現出大大小小上萬家led照明企業。讓led照明大放異彩的最主要原因正是其宣揚的具有節能、環保、長壽命、易控制、免維護等特點,其中長壽麵是其最突出的特點,一般led發光壽命長達5-10萬個小時,但是現實的問題是led燈並不長壽。為什麼會出現這種問題呢?

有什麼辦法可以解決這個問題?敬請關注本文。

led發光長壽命的原因

led的壽命為何長呢?那就要從led的發光原理說起了。led,即發光二極體。

是一種半導固體發光器件。它是利用固體半導體晶元作為發光材料。當兩端加上正向電壓,直接發出紅、黃、綠、青、橙、紫、白色的光。

多變幻:led光源可利用led通短時間短和紅、綠、藍三基色原理,在計算機技術控制下實現色彩和圖案的多變化,是一種可隨意控制的「動態光源」。

白熾燈的發光機理是電能將發光鎢絲進行加熱而發光的,經過相當長時間的加熱,鎢絲就會老化甚至燒斷,至此,白熾燈泡的壽命也就此告終了,而發光二極體的發光機理是由二極體特殊的組成結構決定的,二極體主要由pn結晶元、電極和光學系統組成,當在電極上加上正向偏壓之後,使電子和空穴分別注入p區和n區,當非平衡少數載流子和多數載流子復合時,就會以輻射光子的形式將多餘的能量轉化為光能。其發光過程包括三個部分:正向偏壓下的載流子注入、復合輻射和光能傳輸。

由此可見二極體主要是靠載流子的不斷移動而發光的,不存在老化和燒斷的現象,所以led發光的壽命可以很長。

現實問題:led燈並不長壽

儘管led照明具有具有節能、環保、長壽命、易控制、免維護等特點,但頗具諷刺意味的是,我們常常聽聞由於led驅動電源本身的壽命直接拖累led照明燈具變得並不「長壽」,極大地增加了維護/使用成本;或者驅動電源的效率不高導致led照明燈具的能效轉換比並不是想象中那麼高,或者由於輸出電流紋波沒有得到很好的控制而影響了發光品質,使得led照明的綠色節能優勢大打折扣,甚至影響了市場普及。

如何**led壽命?

一切事物都有發生、發展和消亡的過程,雖然比起一般的發光器件,led的壽命相對比較長,但也是有一定壽命的。早期的led只是手電筒、檯燈這類的禮品,用的時間不長,壽命問題不突出。但是現在led已經開始廣泛地用於室外和室內的照明之中,尤其是大功率的led路燈,其功率大、發熱高、工作時間長,壽命問題就十分突出。

理論上可以10萬小時的壽命,可是實際上卻不可而知,那麼到底問題出在**呢?

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,直到最後熄滅。通常定義衰減30%的時間作為其壽命。那麼led的壽命能不能**呢?

長壽命led照明解決方案

1、先進封裝技術解決散熱問題

由於led萌生的光線在封裝天然樹脂內反射,假如運用可以變更晶元側面光線挺進方向的天然樹脂材質反射板,則反射板會借鑑光線,使光線的抽取量急速銳減。所以,我們必須得想辦法減低led晶元的溫度,從而減緩led晶元降低溫度效用的負擔。保持led的運用生存的年限,目前研究出來的辦法是改善晶元外形,使用小規模晶元,關於led的長命化,到現在為止led廠商採取的對策是改變封裝材料,同時將螢光材料散布在封裝材料內,特別是矽質封裝材料比傳統藍光、近紫外線led晶元上方環氧氣天然樹脂封裝材料,可以更管用制約材質劣化與光線洞穿率減低的速度。

2、高效率電源匹配led長壽特徵

由於擁有更高的效率與更長的使用壽命,led的使用日益普及。因此,供電電源需要具有更高效率,至少要有與led相同的使用壽命。就thd(總諧波失真)而言,歐洲標準en61000-3-2對功率損耗超過25w的照明裝置有嚴格限制。

此外,這些照明裝置需要滿足功率因數要求。為此,需要包含有源pfc(功率因數校正),以確保輸入電流與輸入電壓吻合。

本文將討論led驅動器滿足這些要求的工作原理,並對ac/dc降壓轉換器如何高效地驅動30只同串的高亮度led進行說明,本文還將提出採用隔離式ac/dc電源及一款具有動態餘量控制的lm3464。

3、esd保護延長led現場使用壽命

隨著亮度和能效的提公升,延長使用壽命已經為促進基於高亮度發光二極體(hb-led)的固態照明設計快速發展的主要因素之一。然而,並非所有hb-led 在這些方面都旗鼓相當,製造商應用靜電放電(esd)保護的方式可能是影響hb-led現場使用壽命的乙個至關鍵的因素。安森美半導體的vidya premkumar將在本文中**esd保護的重要性,闡釋hb-led模組製造商藉著最先進保護技術來確保其設計將使用壽命和質量潛能提公升至最優。

4、元器件為led照明護航

cbs25v1p50a1w是專為驅動led路燈而設計的高效率、超長使用壽命的led恆流驅動器模組。輸出電流高達1.5a,且輸出電流可以在 0~1.

5a範圍內任意指定,效率超過90%,不僅省電還可降低模組自熱引起的溫公升,寬泛的輸入輸出電壓範圍,具有內建過留保護功能,確保的系統的安全可靠。應用領域:路燈、隧道燈、訊號燈、安全燈;手電筒、車燈、航標燈;照明燈、庭院燈、草坪燈。

相對於10萬小時壽命和半永久壽命的半導體器件和無源元件來說,鋁電解電容器是導致led驅動電路壽命達不到要求的關鍵元件。從成本和壽命兩方面綜合考慮,如果能做出長壽命電解電容器,使得電解電容器的壽命與led壽命基本相同,那麼,電解電容器這塊led驅動中短板相關問題就可以得到很好的解決。本文針對鋁電解電容對led驅動電路的影響提出了相關的分析。

長壽命led驅動電路專用電解電容器應用特性分析

相對於10萬小時壽命和半永久壽命的半導體器件和無源元件來說,鋁電解電容器是導致led驅動電路壽命達不到要求的關鍵元件。從成本和壽命兩方面綜合考慮,如果能做出長壽命電解電容器,使得電解電容器的壽命與led壽命基本相同,那麼,電解電容器這塊led驅動中短板相關問題就可以得到很好的解決。

是什麼原因造成 led等的過早損壞?原因在於led驅動電路的可靠性不高,驅動效能不好。拋開驅動效能不好的因素,led燈壽命短的根本原因就是驅動電路中的電子原件壽命遠遠低於led的壽命。

是哪個元件的壽命最短?電解電容器!

電解電容器的壽命

在led驅動電路中,特別是交流市電驅動led燈時,led驅動電路必須要有輸入整流濾波電路和輸出整流濾波電路。輸入整流濾波電路需要相對和大的電容量才能將整流輸出電壓平滑到允許範圍。輸出整流濾波電路也需要足夠的電容量來維持電路的穩定性和輸出電流的平滑。

最經濟的大電容量電容器唯電解電容器是最佳選擇。電解電容器最大的優點是經濟性好,而最大的弱點是壽命短。

10年前的鋁電解電容器一般為105℃/200小時。這就是說在105℃的溫度條件下的使用壽命只有84天!即使降低到85℃,使用壽命也僅僅為332天,還不到一年!

繼續降低到75℃,壽命也不會超過兩年。

相對於10萬小時壽命和半永久壽命的半導體器件和無源元件來說,鋁電解電容器是導致led驅動電路壽命達不到要求的關鍵元件。

解決問題的方法

無電解電容器的led驅動技術

如果用十年前的鋁解電容器技術的觀點看,鋁電解電容器是無法勝任led等壽命的。解決方法一般為無鋁電解電容器技術,這就是前些年風行的五鋁電解電容器led驅動技術的根本原因。但是不能不是的問題是,採用無鋁電解電容器的後果是led驅動電路的效能下降,間接的導致led壽命的嚴重不足。

無電解電容器方案存在的問題

首先,無電解電容器方案使得市電整流輸出電壓紋波加大,如果不加以處理就會導致led輸出電壓紋波的增加。如果led工作在滿功率狀態,就可能出現市電頻率下的週期性過電流(或過功率)

圖中可以看到,大功率led工作電流在0.7a時對應的正向電壓約為3.4v,如果led端電壓波動0.

2v,流過 led的電流將超過0.95a,對於0.7a的大功率led,這絕對是乙個過功率。

最終結果會導致壽命的縮短。

如果工作電流選擇最大額定電流的一半時,儘管不會出現過功率,但是會引起損耗的加大,而且會產生比較大的led電流變化,會導致如50hz電感鎮流器驅動螢光燈那樣的閃爍,甚至會更嚴重。

市電整流濾波電容器的問題

無鋁電解電容器 led驅動始終避免不了的問題是:平滑電源側整流輸出電壓需要足夠的電容量,而採用薄膜電容器會明顯增加成本,增加體積,不得已而選擇低電容量,這又會輸得整流輸出電壓紋波電壓變大,特別是像pi的產品,當電容量低於1μf/w就會在變換器輸出產生比較高幅值的紋波電壓,會使得led閃爍。

輸除整流濾波電容器的電容量選擇過低可能會產生反激式變換器的自激,因此不希望輸出整流濾波電容器過低的電容量,但是非鋁電解電容器的**又太高。

輸出整流濾波電容量對led驅動的影響

如果led驅動電路是反激式變換器,為了實現穩定,需要足夠的電容量。如果電容量不夠會引起電路的寄生振盪,使得led嚴重閃爍。

控制ic電源旁路電容器的影響

控制ic電源旁路電容器不僅需要足夠的電容量,還要具有良好的電源旁路效能,如果電容量過小就會引起控制ic電源電壓的波動,從而引起輸出電壓的波動,導致led的閃爍。

一、改進電解電容器的效能和壽命是解決led驅動壽命的最簡捷、最經濟的方法

從成本和壽命兩方面綜合考慮,如果能做出長壽命電解電容器,使得電解電容器的壽命與 led壽命基本相同,那麼,電解電容器這塊led驅動中短板相關問題就可以得到很好的解決。

低壓電解電容器是問題的關鍵。

相對而言低壓電解電容器獲得105℃1萬小時的壽命要比105℃1萬小時壽命的高壓電解電容器難得多。最主要的原因是低壓電解電容器需要極低的esr,而極低的esr需要大幅度提高電解液的導電率,而大幅度提高電解液電導率的最簡單的辦法就是提高電解液的含水量。所帶來的問題就是「水合」反應的過早出現而導致電解電容器的早期失效。

國外超長壽命鋁電解電容器的水平

在led驅動工程師研究無鋁電解電容器led驅動技術的同時。隨著鋁電解電容器材料和製造技術的提高,鋁電解電容器製造商在努力克服鋁電解電容器壽命的問題。鋁電解電容器在105℃溫度下率先突破1萬小時的鋁電解電容器製造商是rubycon。

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