LED燈具耐壓測試燈珠損壞的原因與解決方案

林偉堅，羅婉霞，孫志鋒

(廣州廣日電氣設備有限公司 檢測中心，廣東 廣州　511400)

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LED燈具耐壓測試燈珠損壞的原因與解決方案

林偉堅，羅婉霞，孫志鋒

(廣州廣日電氣設備有限公司 檢測中心，廣東 廣州511400)

目前在燈具生產的耐壓測試過程中存在LED閃爍、發亮、飛弧甚至損壞的問題。本文圍繞此問題分析LED損壞的原因,并為預防、降低LED在耐壓測試過程中損壞提供技術措施。

LED；耐壓；驅動電源；鋁基板

引言

隨著LED燈具的普及,消費者對LED燈具的安全、可靠性等要求也在逐步的提高，而燈具的介電強度就是其中的一項重要指標。而在企業生產的過程中介電強度試驗(企業稱耐壓試驗)卻往往會出現燈具閃爍、發亮、飛弧甚至損壞的問題.在實際操作中,有的企業在生產過程中拆除LED光源進行耐壓試驗,且不說這樣做是否對光源模塊(LED燈珠+PCB板或鋁基板)本身的介電強度是否考慮到位,單單從生產的效率以及風險的管控方面就已經很難實行了。而有的企業使用直流電壓進行耐壓試驗,實際上LED燈具由于電容的存在,使用直流電壓進行耐壓試驗是無法對燈具末端的介電強度進行檢驗的。更有甚者,罔顧消費者權益,僅僅考慮企業利益,將未進行耐壓試驗篩選的燈具直接賣給消費者,導致消費者在不知不覺中處于安全隱患中。但是,反過來說,由于進行耐壓試驗就會有可能使得燈具損壞,這對企業來說是進退兩難的事情,那從技術層面來說這個問題是否就無法解決呢?當然不是。

1　LED燈具耐壓試驗過程燈珠閃爍、發亮、飛弧、損壞的原因

當前幾乎所有的LED燈具由驅動電源和LED光源模塊組成。在耐壓試驗的過程中，標準的方法是L、N極短路為一極,地或者金屬外殼為另一極,在此兩極間加上相應的交流電壓(如圖1所示),來檢驗其絕緣部分的介電強度,從而篩選出不能滿足要求的產品。

圖1　LED燈具耐壓測試Fig.1　LED lights dielectric strength test

實際上,從驅動電源和LED光源模塊的內部分析,在LN極短路后耐壓測試儀加在這一端的電壓或電流通過跨接在變壓器初次級之間的Y電容、變壓器內部的分布電容和其他位置的分布電容,到達變壓器的次級,再通過LED光源模塊正負極的銅箔對地或者金屬外殼的分布電容到達地或金屬外殼,從而返回到耐壓測試儀,如圖2所示。所以,整個過程可以簡化為耐壓測試儀是檢測兩個組合電容的串聯后的兩端之間介電強度,如圖3所示。

圖2　耐壓測試示意圖Fig.2　Dielectric Strength test

圖3　耐壓電路等效圖Fig.3　Dielectric Strength circuit

由圖3可知,當CY與CY12(CY1、CY2構成的組合電容)一樣時,驅動電源與LED光源模塊分到的高壓是一樣的。由于阻抗與電容成反比關系,所以當CY12的容量比CY小時,LED光源組件的阻抗比驅動電源的阻抗大,所以LED光源模塊分到的高壓比驅動電源大;而反之如果CY12比CY大時,LED光源模塊分到的高壓比驅動電源就小了。再來看LED光源模塊中的PCB或鋁基板,LED一般由正極、負極、散熱底盤(小功率燈具的散熱底盤與負極整合為負極)構成,如圖4所示LED光源模塊分到的高壓由于正負極各分布電容的存在表現出來的電壓大小是不一樣的,這跟正負極銅箔的大小、分布以及正負極距離有關,銅箔形狀的不同使得分布電容大小不同,分到的高壓也不同。如果負極的電壓比正極高,則電源次級變壓器繞組和整流管導通(如圖2所示),電壓被強行拉平到正極電壓,此種情況不會引起LED超壓死燈,而如果是正極電壓比負極電壓高,這時就有電流流過LED,這就是在耐壓測試時LED會閃亮的原因。這個電壓越高,LED越亮，大到一定程度超出LED耐壓時,就會損壞LED的PN結。正極電壓比負極電壓高的另一種情況就是負極與地或金屬外殼等電位了,即負極與地之間的絕緣被擊穿了,這時候正極只要分到極低的電壓也足以導致LED損壞。而由于散熱底盤的存在,使得正負極之間的距離間接被縮短了,從而我們有時可以看到正負極對散熱底盤放電產生飛弧。

圖4　帶散熱底盤的3W 3030LED光源Fig.4　3W 3030LED light source with heat dispersion base

2　預防、降低LED燈珠損壞的技術方案

據上述原因分析，我們可以通過下述幾個方法來解決。

2.1切斷回路

實際上如果變壓器、PCB或鋁基板不存在分布電容,即其為理想斷路時,電流是不可能被傳遞到另外一端的,但是理想的變壓器是不存在的,我們可以搭建一個類似理想的使用環境。如使用絕緣散熱墊片與塑料螺絲的組合或者鋁基板的絕緣過孔與金屬螺絲的組合來營造一個理想斷開的環境,使得耐壓的兩端無法形成回路。

2.2減小驅動電源內部分布電容,增大PCB正負極對地或金屬外殼的分布電容

首先,根據阻抗的公式Z=1/2πfC可知,只要減低電容的容量,其等效阻抗就會增大。故通過減低驅動電源內部的分布電容的容量來增加阻抗,再通過增加LED光源模塊的分布電容來減低末端的阻抗,從而使得耐壓試驗過程中,大部分的壓降都落在驅動電源上，僅剩余小部分壓降落在LED光源模塊上。其次,PCB或者鋁基板本身的絕緣層的耐壓要求也是要有保障,這個需要按燈具的種類進行要求,如1類為1500V。再次,加大銅箔面積,增加整體分布電容,正極銅箔盡量比負極銅箔大,使得負極每次分得的電壓比正極高。最后,保證正負極之間的有足夠的安全距離,即按最新要求3000kV的要求，安全距離須至少保持2.0mm,實際上如果LED光源模塊分得的高壓較小,這個距離也可以進一步縮小。因為市面上有一部分燈珠本身的正負極之間的距離就不足2mm,如圖4所示，使剩余的壓降對LED燈珠不至于產生影響。

2.3疏導電流

對于上面所述,當燈珠本身的安全距離都無法保障時,可以通過在LED光源模塊上的正負極對地或金屬外殼間跨接一個Y電容來將耐壓試驗的電流導回耐壓測試儀而不經過LED燈珠,要注意的是,這里選擇的是Y電容(也就是安規電容),而不是普通的瓷片電容,這也是防觸電的要求,普通的瓷片電容無法對流經本身的電流進行控制,而Y電容是有嚴格的控制流經自身的電流,另外Y電容失效后呈現出來的現象是斷路,這也可以在異常的條件下保證安全。對于I類燈具,由于驅動電源自帶保護地,可在驅動電源的內部輸出端與地跨接Y電容,如圖5所示。而對于帶金屬外殼的II類燈具,可在PCB或鋁基板的正負極與金屬外殼之間跨接Y電容,如圖6所示。其中Y電容可以使用貼片式或插件式,而由于跨接的是Y電容,故防觸電等級也是可以保證的。

圖5　驅動電源內部輸出端增加Y電容Fig.5　Drive power adding with Y capacitance

圖6　鋁基板正極對地增加Y電容Fig.6　Positive polar of Al-Board adding with Y capacitance

3　結論

總而言之,燈具的安全始終應該是企業優先考慮的,不能因為其他方面的考慮而降低其要求,所以在保護消費者使用安全的同時,通過對燈具前端(驅動電源)、后端(LED光源模塊)的設計,從技術上解決LED燈具耐壓問題是科學且可行的,也只有通過科學的方法,才會使得LED燈具在各個方面得到全面的提高。

[1] 張古松.開關電源原理與設計[M].北京：電子工業出版社，2002.

[2] 燈具第1部分:一般要求與試驗：GB 7000.1—2007[S].北京：中國標準出版社，2007.

Damage Causes and Solutions of LED Lighting Dielectric Strength Test

LIN Weijian, LUO Wanxia, SUN Zhifeng

(ElectricityFacilitiesGuangriGuangzhouCo.,Ltd.,Guangzhou511447,China)

During dielectric strength test of LED production, it has the problems of flashing, arcing or even damage. This article analyzes the LED damage causes to provide technical measures for preventing and reducing the damages during the LED dielectric strength test.

LED；dielectric strength test；drive；aluminum plate

TM923

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10.3969j.issn.1004-440X.2016.02.014