LED路灯光衰

LED路灯产品的光衰就是光在传输中的讯号减弱，而现阶段全球LED大厂们做出的LED产品光衰程度都不同，大功率LED同样存在光衰，这和温度有直接的关系，主要是由芯片、萤光粉和封装技术决定的。目前，市场上的白光LED其光衰可能是向民用照明进军的首要问题之一。

针对LED的光衰主要有以下二大因素:

1、采用的LED芯片体质不好，亮度衰减较快。

2、生产工艺存在缺陷，LED芯片散热不能良好的从PIN脚导出，导致LED芯片温度过高使芯片衰减加剧。

1、LED为恒流驱动，有部分LED采用电压驱动原因使LED衰减过来。

2、驱动电流大于额定驱动条件。

其实导致LED产品光衰的原因很多，最关键的还是热的问题，尽管很多厂商在次级产品不特别注重散热的问题，但这些次级LED产品长期使用下，光衰程度会比有注重散热的LED产品要高。LED芯片本身的热阻、银胶的影响、基板的散热效果，以及胶体和金线方面也都与光衰有关系。

大多数白色LED是由蓝色LED照射$荧光粉而得到的。引起LED光衰的主要原因有两个，一个是蓝光LED本身的光衰，蓝光LED的光衰远比红光、黄光、绿光LED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。各种品牌的LED它的光衰是不同的。通常LED的厂家能够给出一套标准的光衰曲线来。例如美国Cree公司的光衰曲线就如图1所示。

图1 Cree公司的LED的光衰曲线

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。例如Lumiled公司的LuxeonK2的光衰曲线就如图2所示。

图2 Lumiled 公司的LuxeonK2的光衰曲线

当结温从115℃提高到135℃，就会使寿命从50,000小时降低到20,000小时。 其他各家公司的光衰曲线应当可以向原厂索取。

LED路灯是指LED经过一段时间的点亮后,其光强会比原来的光强要低，而低了的部分就是LED路灯的光衰。一般LED封装厂家做测试是在实验室的条件下(25℃的常温下)，以20MA的直流电连续点亮LED1000小时来对比其点亮前后的光强。

N小时的光衰=1-(N小时的光通量/0小时的光通量)

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。

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。图3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。

图3 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。

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4中画出了LED的伏安特性的温度特性。

图4 LED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。

现在就以Cree公司的XLamp7090XR-E为例。来说明如何具体测算LED的结温。要求已经把LED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LED去的两根线引出来。在通电以前就把电压表连接到输出端(LED的正极和负极)，然后接通电源，趁LED还没有热起来之前，马上读出电压表的读数，也就是相当于V1的值，然后等至少1小时，等它已经达到热平衡，再测一次，LED两端的电压，相当于V2。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，LED多半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LED所共同贡献，所以要把这个电压差值除以所串联的LED数目再去除以4mV，就可以得到其结温。例如，LED是10串2并，第一次测得的电压为33V，第二次热平衡后测得的电压为30V，电压差为3V。这个数字先要除以所串联的LED个数(10个)，得到0.3V，再除以4mV，可以得到75度。假定开机前的环境温度是 20度，那么这时候的结温就应当是95度。

采用这种方法得出的结温，肯定要比用热电偶测量散热器的温度再来推算其结温要准确很多。

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。。

技术日趋成熟，大功率LED光源已可以满足一般路灯所需的。一般的高压钠灯的光效是100LM/W，常用的大功率LED是50-60LM/W，用国外的LED芯片可以达到80LM/W，发光效率越高，意味着节能效果越好，这也是选择LED路灯最重要的指标之一。不过，LED的标准中并未对此有明确规定，所以在采购LED路灯时必须仔细确认。

而有的商家，为了降低成本，就采用几百只0.5W的小功率LED。然而这种小功率的LED的光衰是非常严重的，其光衰至80%的寿命只有1000小时。所以，作为需要长期使用的路灯是绝对不能允许采用这种小功率LED的，选用大功率LED(一般指30W以上)，其光衰就要好很多。

LED路灯由于技术含量高、成分复杂等原因，一些大功率灯头重量会远远超过普通高压钠灯，因此对相应的支撑材料要求较更高。不过，一些LED路灯厂家已经尽可能的在减少LED灯头的自重，从原来的单个灯头约30公斤左右，降到了10多公斤，重量的减轻还有进一步下降的趋势。

LED因为是半导体元器件，其晶片受到温度影响而减少到初始光通量的30%时，就将失去照明意义，也就是寿命终结了，理论上大功率LED路灯的寿命在3-5万小时，但其重要前提是有良好的散热性。值得一提的是，国内已有厂家采用了全球领先的针状散热技术。