基于環(huán)境溫度的LED路燈壽命快速評估方法探討

李悅銘

（長春市路燈管理處，長春 130000）

引言

LED燈具為固態(tài)冷光源，利用半導(dǎo)體PN結(jié)內(nèi)部電子和空穴結(jié)合發(fā)揮作用，光色因為使用的LED材質(zhì)不同也存在不同。LED的主要優(yōu)勢為單色性好、節(jié)能、壽命長，但是所發(fā)出的光流不大，存在波動[1]。因為白光LED利用藍光誘導(dǎo)產(chǎn)生YAG熒光粉，所以并沒有顯色性能。還會出現(xiàn)光衰情況，主要是由于此燈具在使用過程中溫度增加，降低了實際電壓和光強度，從而導(dǎo)致波長變化，加劇光衰，還會降低使用時長。所以，對LED路燈壽命評估尤為重要[2]。

1 現(xiàn)有LED燈具的測試標準

發(fā)光二極管（LED）能夠使電能轉(zhuǎn)變成為可見光，屬于半導(dǎo)體器件。LED照明燈指的是具備將LED作為光源的照明產(chǎn)品，能夠轉(zhuǎn)變成為各種顏色的光，工作電流比較小，工作過程中的電壓比較低，安全環(huán)保，還能夠?qū)﹄娏鞔笮≌{(diào)整后對LED發(fā)光強弱進行調(diào)節(jié)[3]。

美國照明工程學(xué)會在2008年推出了IES LM-79-08（LM-79）和IES LM-80-08（LM-79）標準，LM-79規(guī)定使用LED光源燈具電氣與光學(xué)性能測量方法，包括色度重復(fù)性、總光通量、冊來那個電功率等參數(shù)指標滿足測試需求。以此標準對LED燈在不同方向的色溫、強度進行測量[4]，但是缺少設(shè)備流明壽命。LM-80對LED光源流明維持測試進行重視，說明LED光源壽命降低點亮?xí)r間，從而滿足初始值需求，為流明維持了壽命。一般，此值設(shè)置為70 %，表示為L70。70是指流明維持率終止值為70 %。LM-80對測試環(huán)境的條件進行規(guī)定，測試時間超過6 000 h，每隔1 000 h對流明數(shù)據(jù)進行收集。為了改變預(yù)測模型，為了便于燈具廠商的設(shè)計，LM-80對LED光源測試進行規(guī)定，得出不同溫度的流明維持數(shù)據(jù)[5]。

2 試驗數(shù)據(jù)的獲取

2.1 樣品

本文使用同個設(shè)計、制作工藝的LED組件產(chǎn)品作為試驗樣品，通過早期篩選之后的母體實現(xiàn)隨機抽樣，樣品在10只以上。對試驗成本充分考慮，要選擇多點的樣本，提高得出試驗數(shù)據(jù)的可靠性[6]。

2.2 參數(shù)設(shè)置

2.2.1 應(yīng)測量

應(yīng)測量參數(shù)包括光通量，其他參數(shù)包括正向電壓和熱阻，測量方法要滿足相關(guān)規(guī)定需求。通過加速用力試驗樣品，要在正常大氣環(huán)境下恢復(fù)。為了保證測量效果，使LED環(huán)境溫度恒定（25±2）℃。

2.2.2 測試間隔

測試間隔長短和試驗環(huán)境溫度相關(guān)，能夠利用摸底試驗確定。試驗環(huán)境的溫度比較低，測試間隔比較長。試驗環(huán)境溫度比較高，測試間隔比較短[7]。

2.2.3 獲取試驗數(shù)據(jù)

利用定時截尾試驗使抽樣LED組件產(chǎn)品在額定工作條件下，在規(guī)定時間內(nèi)工作，以啊不能為1 000 h。

3 試驗條件和方法

3.1 外觀

將東北地區(qū)為例，由于東北地區(qū)多雪、多塵，所以要求LED太陽能路燈要具備良好自潔性和光潔度，從而避免冰雪和灰塵的堆積，可以使用目視檢查對產(chǎn)品表面平滑度進行測試[8]。

3.2 溫度試驗

3.2.1 蓄電池

蓄電池為太陽能路燈的儲能電源，大部分使用密封鉛酸蓄電池，環(huán)境溫度會影響到蓄電池性能和安全。蓄電池工作環(huán)境為：濕度＜90 %，溫度（-30～50）℃。在（10～50） ℃之間，蓄電池壽命會在溫度升高過程中提高。但是超過50 ℃，因為負極硫化容量損失會導(dǎo)致電池壽命降低。在-30 ℃環(huán)境下，也會降低蓄電池性能。所以，在對太陽能路燈施工時要選擇蓄電池安裝的位置，可以埋在地下。

3.2.2 道路照明LED燈

組合式LED照明裝備為發(fā)光二極管與其他光學(xué)、電氣、機械的組合體，以LED國家與行業(yè)標準，和東北地區(qū)實際環(huán)境結(jié)合，制定以下試驗方法：

利用Arrhenius方程對給定穩(wěn)定下的使用壽命進行預(yù)測，以某個溫度下的使用壽命推到另外一個溫度下的使用壽命，以下為方程公式：

其一，在低溫工作中，試驗溫度為-30 ℃，試驗時間為168 h。在試驗過程中燈能夠正常工作，在結(jié)束試驗后室溫恢復(fù)2 h，開展外觀檢查；

其二，在高溫工作中，試驗溫度為45 ℃，試驗時間為168 h。在試驗過程中燈能夠正常工作，在結(jié)束試驗后室溫恢復(fù)2 h，開展外觀檢查；

其三，低溫存儲試驗中，試驗溫度為-40 ℃，試驗時間為168 h。在結(jié)束試驗后室溫恢復(fù)2 h，開展外觀檢查并且通電，燈能夠正常燃點和啟動；

其四，高溫存儲試驗中，試驗溫度為80 ℃，試驗時間為168 h。在結(jié)束試驗后室溫恢復(fù)2 h，開展外觀檢查并且通電，燈能夠正常燃點和啟動[9]。 （試驗方法）

3.3 鹽霧

鹽霧會對金屬和金屬保護層造成腐蝕，使金屬機械強度得到降低。部分電子元器件與線路會由于腐蝕導(dǎo)致電路中斷或者短路，不同環(huán)境中的鹽霧成分不同，但是和海水成分相似。

4 試驗結(jié)果討論

4.1 數(shù)據(jù)收集

收集四個應(yīng)力水平的20個平行樣品試驗數(shù)據(jù)，表1為不同溫度的試驗老化時間，表2為結(jié)溫平均值。

表1 不同溫度的試驗老化時間

表2 結(jié)溫平均值

4.2 壽命預(yù)測

4.2.1 平均試驗時間

通過對數(shù)正態(tài)分布條件中的LED在不同溫度中的平均老化試驗時間t1，利用威布爾分布模型實現(xiàn)可靠性參數(shù)估計，以平均秩次法計算結(jié)果得出圖1威布爾分布擬合曲線，表3為不同分布的平均試驗時間。

圖1 威布爾分布擬合曲線

表3 不同分布的平均試驗時間

4.2.2 預(yù)測結(jié)果

通過以上結(jié)果得出威布爾分布和正態(tài)分布的不同溫度下試驗時間，計算LED預(yù)測壽命，正態(tài)分布為17.27年，威布爾分布為17.33年。針對此試驗案例，對數(shù)正態(tài)分布的預(yù)測結(jié)果并沒有太大的差別。為了保證壽命評估有效性，以下使用統(tǒng)計檢驗方法實現(xiàn)檢驗[10]。

4.3 試驗結(jié)果檢驗

其一，正態(tài)性檢驗。在分析試驗數(shù)據(jù)前，要對是否能夠滿足正太分布進行檢驗。因為被測樣品數(shù)量比較小，所以使用Shapiro-Wilk檢驗實現(xiàn)退出時間對數(shù)的正態(tài)性檢驗，表4為檢驗結(jié)果。通過表4可以看出來，不同溫度下的正態(tài)性檢驗顯著性水平比給定的要大，所以能夠滿足正態(tài)分布。

表4 檢驗結(jié)果

其二，威布爾檢驗。表5為統(tǒng)計量計算表，通過表5可以看出來，不同溫度下的W計算值比19要小，所以表示能夠滿足威布爾分布。

表5 統(tǒng)計量計算表

4.4 壽命二次評估

實現(xiàn)不同應(yīng)力條件的分布特性檢驗，通過檢驗結(jié)果可以看出來，使對數(shù)正態(tài)分布和威布爾分布得到滿足。利用三組數(shù)據(jù)評估壽命，根據(jù)方差齊性檢驗可以看出來，在110 ℃時試驗數(shù)據(jù)組和其他溫度試驗數(shù)據(jù)并不是同個總體。也就是說在110 ℃使用全新老化機理，使試驗時間得到降低，并且使壽命評估結(jié)果減少。利用綜合表示，此種算例的預(yù)測壽命為20.62和20.6年。

4.5 分布結(jié)果對比

通過對正態(tài)分布和威布爾分布相關(guān)參數(shù)計算，兩者的決定系數(shù)分別為0.994 248和0.994 236。利用計算結(jié)果分析，兩種分布決定系數(shù)接近1，所以兩者都能夠?qū)ED壽命進行預(yù)測[11]。

5 結(jié)束語

我國地勢復(fù)雜、幅員遼闊，各個地區(qū)環(huán)境也比較大。本文只是結(jié)合東北大部地區(qū)，對道路照明產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性開展簡單進行分析。即便是在東北，各城市環(huán)境各不相同，需要具體問題具體分析。通過本文得出以下結(jié)論：

1）根據(jù)此模型，統(tǒng)計校驗?zāi)軌蛴行гu估壽命。利用正確的統(tǒng)計校驗，發(fā)現(xiàn)試驗數(shù)據(jù)中的問題與模型適用性，提高評估效果；

2）方差齊性檢驗?zāi)軌驅(qū)Σ煌瑧?yīng)力水平檢驗的機理進行分析，在試驗中使用老化機理的時候，也會導(dǎo)致壽命評估結(jié)果出現(xiàn)問題；

3）利用試驗數(shù)據(jù)威布爾分布和正態(tài)分布對比結(jié)果表示，兩者能夠?qū)ED加速老化試驗數(shù)據(jù)進行擬合，能夠有效評估算例LED產(chǎn)品可靠性。