LED燈具壽命加速測試系統(tǒng)研究

黃德中　許國永

(1紹興文理學(xué)院　機電學(xué)院，浙江　紹興312000；2浙江天恩太陽能科技有限公司，浙江　紹興312000)

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LED燈具壽命加速測試系統(tǒng)研究

黃德中1許國永2

(1紹興文理學(xué)院機電學(xué)院，浙江紹興312000；2浙江天恩太陽能科技有限公司，浙江紹興312000)

摘要：通過研究LED輸入電功率、結(jié)溫和壽命三者之間的內(nèi)在聯(lián)系，研制了LED壽命加速測試系統(tǒng)，建立了結(jié)溫-電光-壽命預(yù)測數(shù)學(xué)模型，分析LED輸入電流和壽命之間的直接對應(yīng)關(guān)系，可計算出LED燈具的實際壽命.

關(guān)鍵詞：LED；壽命預(yù)測；試驗研究

引言

工業(yè)產(chǎn)品都要進行壽命測試，但現(xiàn)在很多產(chǎn)品壽命很長，達幾十年，利用常規(guī)的破壞性測試變得不可能，LED燈具有節(jié)能、壽命長等優(yōu)點，是新一代燈具.研究表明，LED燈24小時使用可用10多年，這給LED燈具制造企業(yè)LED燈具壽命檢測帶來困難，用平常方法化10年時間來測試LED燈具壽命變得沒有意義，LED的壽命會隨著結(jié)溫的升高而呈指數(shù)下降，在一定散熱情況下，建立一套LED的壽命理論模型和快速測試方法，測試LED燈壽命具有特別重要的意義.

測試LED燈壽命，必須在一定LED的輸出光通量，一定的結(jié)溫的前提下進行，建立LED輸出光通量、結(jié)溫、輸入電功率和壽命之間的關(guān)系非常復(fù)雜，為方便研究，進行一定的假設(shè)，本文在總結(jié)前人對LED壽命研究的基礎(chǔ)上，對輸出光通量、輸入電功率及壽命這3個參數(shù)之間的關(guān)系，提出了加速電流-壽命理論，在該理論基礎(chǔ)上建立了LED壽命預(yù)測數(shù)學(xué)模型，利用該模型得出LED輸入電流和壽命兩者之間的對應(yīng)關(guān)系，從而能夠?qū)崿F(xiàn)對LED壽命的快速、準(zhǔn)確評估，研制了基于結(jié)溫測量的LED燈具壽命加速測試系統(tǒng)，通過加大工作電流開展了恒定應(yīng)力加速壽命實驗.

1LED壽命加速測試系統(tǒng)理論模型

LED的壽命L：輸出光通量衰減到初始值的5O%所經(jīng)歷的時間.關(guān)于LED壽命的數(shù)學(xué)模型，有很多復(fù)雜的不同的模型，只能用之于理論研究，不便于企業(yè)應(yīng)用，對生產(chǎn)企業(yè)來說，有一個直觀、簡單的可操作的理論模型是壽命分析所必須的，為此，本文提出如下基本假設(shè)：(1)同一批LED燈具中LED芯片壽命基本相同；(2)LED燈具機電裝置壽命足夠長；(3)結(jié)溫一定情況下，壽命曲線不變.

在前人做了大量研制的基礎(chǔ)上可得出下列結(jié)論[1]：

LED的壽命會隨著LED結(jié)溫T的升高而縮短，如圖1所示.

從圖1可見，當(dāng)結(jié)溫小于一定值T0時，LED壽命為定值L0.本文只討論當(dāng)LED結(jié)溫Tj大于T0時的情況.

是一種指數(shù)衰減形式，對圖1中Tj>T0部分進行數(shù)學(xué)方法擬合可得：

(1)

式中L為LED的壽命；k1為與LED本身參數(shù)相關(guān)的常數(shù)，該值表示LED壽命衰減程度系數(shù).T為結(jié)溫，(1)式是LED壽命和結(jié)溫的數(shù)學(xué)關(guān)系式，當(dāng)T>T.時，LED壽命隨著結(jié)溫的升高而呈指數(shù)下降，這樣可以通過用積分球測量燈的光通量來確定燈具壽命.

圖1　LED壽命與結(jié)溫的關(guān)系

2LED的結(jié)溫和輸入電功率成正比[2]

LED的結(jié)溫和輸入電功率之間的關(guān)系，如圖2所示.

T=K2P=K2I2R

(2)

將(2)代入(1)得：

(3)

通過對燈具電流加速測試方法測試出不同加速電流下LED燈具的壽命，從而測算出LED燈具的壽命，當(dāng)輸入電流是正常電流的2～7倍時，檢測時間是正常壽命時間的1/4、1/49，檢測時間會縮短，使壽命檢測具現(xiàn)實意義.

圖2　LED結(jié)溫與輸入功率關(guān)系

3測試系統(tǒng)

基于結(jié)溫測量的LED壽命加速測試系統(tǒng)原理圖[3][4][6]，如圖3所示，積分球5是一個中分式.

球型光通量測試儀，恒溫箱8安裝在積分球5中右半球中，LED燈具9安裝在恒溫箱8中，LED燈具9的電流由恒流電源12提供數(shù)倍的基準(zhǔn)電流，恒溫箱8中還裝有熱電偶溫度傳感器14、電加熱管10，兩者由PID溫度控制器13控制恒溫箱8中的溫度，溫度可恒定控制在40-75度之間，整個恒溫箱8通過安裝架11安裝在積分球5內(nèi)，積分球5的左面安裝有光通量傳感器4，光通量傳感器4通過光纖與光譜儀2相連，由計算機1對光譜儀2進行數(shù)據(jù)采集.

工作過程為：打開LED燈9的電源開關(guān)，通過恒流電源12設(shè)置一定的電流值，設(shè)置好恒溫箱8中的溫度，積分球5內(nèi)燈具的燈光在積分球5反射，通過檔光板6、光通量通過光通量傳感器4、光纖3、光譜儀2，在計算機1上可打印出環(huán)境溫度、色度參數(shù)、顯色參數(shù)、電量參數(shù)、儀器狀態(tài)參數(shù)，光通量、電流、溫度曲線.圖4為LED燈具電流加速測試系統(tǒng)實物圖.

圖3　基于結(jié)溫測量的LED壽命加速測試系統(tǒng)原理圖

1計算機、2光譜儀、3光纖、4光通量傳感器、5積分球、6檔光板、7手柄、8恒溫箱、9 LED燈具、10電加熱管、11、15安裝架、12恒流電源、13 PID溫度控制器、14熱電偶溫度傳感器、16導(dǎo)線管

圖4　LED燈具電流加速測試系統(tǒng)實物圖

4試驗研究

4.1LED恒定電流應(yīng)力加速壽命實驗[5]

LED燈珠是電流驅(qū)動的發(fā)光原件，電流是導(dǎo)致LED失效的主要因素．本文選取3組應(yīng)力水平為：I1=9．00 mA，I2=27．00 mA，I3=36．00mA．實驗樣品的正常工作電流為I0=3．00 mA．根據(jù)LED的失效標(biāo)準(zhǔn)(連續(xù)測試到亮度低于初始亮度的50 %) ，記錄每個實驗樣品的失效時間．當(dāng)每個電流應(yīng)子Ii (i=2，3，4)下的實驗樣品全部失效時，實驗終止．開展三組恒定應(yīng)力加速壽命實驗，圖5為其測試界面.

圖5　LED燈具光色電測試系統(tǒng)測試界面

4.2加速壽命曲線擬合[5]

表1為三組LED實驗樣品的失效時間數(shù)據(jù).

針對表1中的失效時間數(shù)據(jù)，求出各電流應(yīng)力下的用方程(3)進行最小二乘法進行擬合，加速壽命曲線即LED壽命特征見圖6，可計算出LED平均壽命為L0=16000 h，與目前該型號白光LED使用客戶反饋的壽命數(shù)據(jù)比較接近.

表1I1I2I3恒定電流應(yīng)力下LED失效時間

電流應(yīng)力/mA失效時間/ht1t2t3t4t5I1=9.0016912096237425862868I2=27.006016977858891131I3=36.00406463555651762

圖6　電流應(yīng)力下LED加速壽命擬合曲線

5結(jié)論

在前人研究基礎(chǔ)上，通過研究LED輸入電功率、結(jié)溫和壽命三者之間的內(nèi)在聯(lián)系，得到了結(jié)溫-電光-壽命理論，分析了LED輸入電流和壽命之間的直接對應(yīng)關(guān)系，利用該理論建立了LED壽命預(yù)測數(shù)學(xué)模型，建立了預(yù)測LED的壽命測試裝置，可計算出LED燈具的實際壽命.

參考文獻:

[1]錢敏華，林燕丹，孫耀杰.基于光-電-熱-壽命理論的LED壽命預(yù)測模型[J].光學(xué)學(xué)報，2012(8):177-182.

[2]成貴學(xué)，蔣曉鋒，湯勇奇，等.WeibuU分布下基于MAM的白光OLED壽命預(yù)測[J].半導(dǎo)體光電，2012,33(1):26-29.

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[4]HUANG Dezhong, WU Jihua，A life prediction Model for LEDs lamps based on the thermal-Life Theory[J].Advanced Materials Research，2014(1343):571-574.

[5]鄒琳,李德勝.鄒念育，等.基于光通維持率和色參數(shù)漂移的LED壽命評價方法[J].照明工程學(xué)報，2013，24(1)：85-88+110.

[6]許國永，黃德中.一種LED燈具壽命曲線測試裝置及其測試方法[P]，CN104280693A.

(責(zé)任編輯魯越青)

On Accelerated Life Testing System for LED Lamps

Huang Dezhong1Xu Guoyong2

(1. School of Mechanical Engineering, Shaoxing University,Shaoxing, Zhejiang 312000;2. Zhejiang Tian’en Solar Energy Technology Co., Ltd.,Shaoxing, Zhejiang 312000)

Abstract：By exploring the inherent relations of LED input power, temperature and life, the research endeavors to develop an LED accelerated life testing system, set up a mathematical model of temperature and electro-optical life forecast. The paper maintains that the actual life of the LED lamp can be calculated by analyzing the direct corresponding relation between the LED input current and its lifetime.

Key words：LED; life prediction; experimental study

收稿日期：2015-12-05

作者簡介：黃德中(1963-),男,浙江紹興人,教授,研究方向：機電產(chǎn)品開發(fā)與研究.

doi：10.16169/j.issn.1008-293x.k.2016.07.09

中圖分類號：O43

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1008-293X(2016)07-0048-03