LED灯具寿命加速测试系统研究

黄德中　许国永

(1绍兴文理学院　机电学院，浙江　绍兴312000；2浙江天恩太阳能科技有限公司，浙江　绍兴312000)



LED灯具寿命加速测试系统研究

黄德中1许国永2

(1绍兴文理学院机电学院，浙江绍兴312000；2浙江天恩太阳能科技有限公司，浙江绍兴312000)

摘要：通过研究LED输入电功率、结温和寿命三者之间的内在联系，研制了LED寿命加速测试系统，建立了结温-电光-寿命预测数学模型，分析LED输入电流和寿命之间的直接对应关系，可计算出LED灯具的实际寿命.

关键词：LED；寿命预测；试验研究

引言

工业产品都要进行寿命测试，但现在很多产品寿命很长，达几十年，利用常规的破坏性测试变得不可能，LED灯具有节能、寿命长等优点，是新一代灯具.研究表明，LED灯24小时使用可用10多年，这给LED灯具制造企业LED灯具寿命检测带来困难，用平常方法化10年时间来测试LED灯具寿命变得没有意义，LED的寿命会随着结温的升高而呈指数下降，在一定散热情况下，建立一套LED的寿命理论模型和快速测试方法，测试LED灯寿命具有特别重要的意义.

测试LED灯寿命，必须在一定LED的输出光通量，一定的结温的前提下进行，建立LED输出光通量、结温、输入电功率和寿命之间的关系非常复杂，为方便研究，进行一定的假设，本文在总结前人对LED寿命研究的基础上，对输出光通量、输入电功率及寿命这3个参数之间的关系，提出了加速电流-寿命理论，在该理论基础上建立了LED寿命预测数学模型，利用该模型得出LED输入电流和寿命两者之间的对应关系，从而能够实现对LED寿命的快速、准确评估，研制了基于结温测量的LED灯具寿命加速测试系统，通过加大工作电流开展了恒定应力加速寿命实验.

1LED寿命加速测试系统理论模型

LED的寿命L：输出光通量衰减到初始值的5O%所经历的时间.关于LED寿命的数学模型，有很多复杂的不同的模型，只能用之于理论研究，不便于企业应用，对生产企业来说，有一个直观、简单的可操作的理论模型是寿命分析所必须的，为此，本文提出如下基本假设：(1)同一批LED灯具中LED芯片寿命基本相同；(2)LED灯具机电装置寿命足够长；(3)结温一定情况下，寿命曲线不变.

在前人做了大量研制的基础上可得出下列结论[1]：

LED的寿命会随着LED结温T的升高而缩短，如图1所示.

从图1可见，当结温小于一定值T0时，LED寿命为定值L0.本文只讨论当LED结温Tj大于T0时的情况.

是一种指数衰减形式，对图1中Tj>T0部分进行数学方法拟合可得：

(1)

式中L为LED的寿命；k1为与LED本身参数相关的常数，该值表示LED寿命衰减程度系数.T为结温，(1)式是LED寿命和结温的数学关系式，当T>T.时，LED寿命随着结温的升高而呈指数下降，这样可以通过用积分球测量灯的光通量来确定灯具寿命.

图1　LED寿命与结温的关系

2LED的结温和输入电功率成正比[2]

LED的结温和输入电功率之间的关系，如图2所示.

T=K2P=K2I2R

(2)

将(2)代入(1)得：

(3)

通过对灯具电流加速测试方法测试出不同加速电流下LED灯具的寿命，从而测算出LED灯具的寿命，当输入电流是正常电流的2～7倍时，检测时间是正常寿命时间的1/4、1/49，检测时间会缩短，使寿命检测具现实意义.

图2　LED结温与输入功率关系

3测试系统

基于结温测量的LED寿命加速测试系统原理图[3][4][6]，如图3所示，积分球5是一个中分式.

球型光通量测试仪，恒温箱8安装在积分球5中右半球中，LED灯具9安装在恒温箱8中，LED灯具9的电流由恒流电源12提供数倍的基准电流，恒温箱8中还装有热电偶温度传感器14、电加热管10，两者由PID温度控制器13控制恒温箱8中的温度，温度可恒定控制在40-75度之间，整个恒温箱8通过安装架11安装在积分球5内，积分球5的左面安装有光通量传感器4，光通量传感器4通过光纤与光谱仪2相连，由计算机1对光谱仪2进行数据采集.

工作过程为：打开LED灯9的电源开关，通过恒流电源12设置一定的电流值，设置好恒温箱8中的温度，积分球5内灯具的灯光在积分球5反射，通过档光板6、光通量通过光通量传感器4、光纤3、光谱仪2，在计算机1上可打印出环境温度、色度参数、显色参数、电量参数、仪器状态参数，光通量、电流、温度曲线.图4为LED灯具电流加速测试系统实物图.

图3　基于结温测量的LED寿命加速测试系统原理图

1计算机、2光谱仪、3光纤、4光通量传感器、5积分球、6档光板、7手柄、8恒温箱、9 LED灯具、10电加热管、11、15安装架、12恒流电源、13 PID温度控制器、14热电偶温度传感器、16导线管

图4　LED灯具电流加速测试系统实物图

4试验研究

4.1LED恒定电流应力加速寿命实验[5]

LED灯珠是电流驱动的发光原件，电流是导致LED失效的主要因素．本文选取3组应力水平为：I1=9．00 mA，I2=27．00 mA，I3=36．00mA．实验样品的正常工作电流为I0=3．00 mA．根据LED的失效标准(连续测试到亮度低于初始亮度的50 %) ，记录每个实验样品的失效时间．当每个电流应子Ii (i=2，3，4)下的实验样品全部失效时，实验终止．开展三组恒定应力加速寿命实验，图5为其测试界面.

图5　LED灯具光色电测试系统测试界面

4.2加速寿命曲线拟合[5]

表1为三组LED实验样品的失效时间数据.

针对表1中的失效时间数据，求出各电流应力下的用方程(3)进行最小二乘法进行拟合，加速寿命曲线即LED寿命特征见图6，可计算出LED平均寿命为L0=16000 h，与目前该型号白光LED使用客户反馈的寿命数据比较接近.

表1I1I2I3恒定电流应力下LED失效时间

电流应力/mA失效时间/ht1t2t3t4t5I1=9.0016912096237425862868I2=27.006016977858891131I3=36.00406463555651762

图6　电流应力下LED加速寿命拟合曲线

5结论

在前人研究基础上，通过研究LED输入电功率、结温和寿命三者之间的内在联系，得到了结温-电光-寿命理论，分析了LED输入电流和寿命之间的直接对应关系，利用该理论建立了LED寿命预测数学模型，建立了预测LED的寿命测试装置，可计算出LED灯具的实际寿命.

参考文献:

[1]钱敏华，林燕丹，孙耀杰.基于光-电-热-寿命理论的LED寿命预测模型[J].光学学报，2012(8):177-182.

[2]成贵学，蒋晓锋，汤勇奇，等.WeibuU分布下基于MAM的白光OLED寿命预测[J].半导体光电，2012,33(1):26-29.

[3]HUANG Dezhong, WU Jihua， Test systems for life of LED light based on junction temperature[J].Advanced Materials Research，2014，3226(941):584-587.

[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]邹琳,李德胜.邹念育，等.基于光通维持率和色参数漂移的LED寿命评价方法[J].照明工程学报，2013，24(1)：85-88+110.

[6]许国永，黄德中.一种LED灯具寿命曲线测试装置及其测试方法[P]，CN104280693A.

(责任编辑鲁越青)

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

作者简介：黄德中(1963-),男,浙江绍兴人,教授,研究方向：机电产品开发与研究.

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

中图分类号：O43

文献标志码：A

文章编号：1008-293X(2016)07-0048-03