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        LED燈具耐壓測(cè)試燈珠損壞的原因與解決方案

        2016-09-06 10:02:06林偉堅(jiān)羅婉霞孫志鋒
        照明工程學(xué)報(bào) 2016年2期
        關(guān)鍵詞:燈珠分布電容正負(fù)極

        林偉堅(jiān),羅婉霞,孫志鋒

        (廣州廣日電氣設(shè)備有限公司 檢測(cè)中心,廣東 廣州 511400)

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        LED燈具耐壓測(cè)試燈珠損壞的原因與解決方案

        林偉堅(jiān),羅婉霞,孫志鋒

        (廣州廣日電氣設(shè)備有限公司 檢測(cè)中心,廣東 廣州511400)

        目前在燈具生產(chǎn)的耐壓測(cè)試過程中存在LED閃爍、發(fā)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(yù)防、降低LED在耐壓測(cè)試過程中損壞提供技術(shù)措施。

        LED;耐壓;驅(qū)動(dòng)電源;鋁基板

        引言

        隨著LED燈具的普及,消費(fèi)者對(duì)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(qiáng)度就是其中的一項(xiàng)重要指標(biāo)。而在企業(yè)生產(chǎn)的過程中介電強(qiáng)度試驗(yàn)(企業(yè)稱耐壓試驗(yàn))卻往往會(huì)出現(xiàn)燈具閃爍、發(fā)亮、飛弧甚至損壞的問題.在實(shí)際操作中,有的企業(yè)在生產(chǎn)過程中拆除LED光源進(jìn)行耐壓試驗(yàn),且不說這樣做是否對(duì)光源模塊(LED燈珠+PCB板或鋁基板)本身的介電強(qiáng)度是否考慮到位,單單從生產(chǎn)的效率以及風(fēng)險(xiǎn)的管控方面就已經(jīng)很難實(shí)行了。而有的企業(yè)使用直流電壓進(jìn)行耐壓試驗(yàn),實(shí)際上LED燈具由于電容的存在,使用直流電壓進(jìn)行耐壓試驗(yàn)是無(wú)法對(duì)燈具末端的介電強(qiáng)度進(jìn)行檢驗(yàn)的。更有甚者,罔顧消費(fèi)者權(quán)益,僅僅考慮企業(yè)利益,將未進(jìn)行耐壓試驗(yàn)篩選的燈具直接賣給消費(fèi)者,導(dǎo)致消費(fèi)者在不知不覺中處于安全隱患中。但是,反過來(lái)說,由于進(jìn)行耐壓試驗(yàn)就會(huì)有可能使得燈具損壞,這對(duì)企業(yè)來(lái)說是進(jìn)退兩難的事情,那從技術(shù)層面來(lái)說這個(gè)問題是否就無(wú)法解決呢?當(dāng)然不是。

        1 LED燈具耐壓試驗(yàn)過程燈珠閃爍、發(fā)亮、飛弧、損壞的原因

        當(dāng)前幾乎所有的LED燈具由驅(qū)動(dòng)電源和LED光源模塊組成。在耐壓試驗(yàn)的過程中,標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)的交流電壓(如圖1所示),來(lái)檢驗(yàn)其絕緣部分的介電強(qiáng)度,從而篩選出不能滿足要求的產(chǎn)品。

        圖1 LED燈具耐壓測(cè)試Fig.1 LED lights dielectric strength test

        實(shí)際上,從驅(qū)動(dòng)電源和LED光源模塊的內(nèi)部分析,在LN極短路后耐壓測(cè)試儀加在這一端的電壓或電流通過跨接在變壓器初次級(jí)之間的Y電容、變壓器內(nèi)部的分布電容和其他位置的分布電容,到達(dá)變壓器的次級(jí),再通過LED光源模塊正負(fù)極的銅箔對(duì)地或者金屬外殼的分布電容到達(dá)地或金屬外殼,從而返回到耐壓測(cè)試儀,如圖2所示。所以,整個(gè)過程可以簡(jiǎn)化為耐壓測(cè)試儀是檢測(cè)兩個(gè)組合電容的串聯(lián)后的兩端之間介電強(qiáng)度,如圖3所示。

        圖2 耐壓測(cè)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(dāng)CY與CY12(CY1、CY2構(gòu)成的組合電容)一樣時(shí),驅(qū)動(dòng)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(guān)系,所以當(dāng)CY12的容量比CY小時(shí),LED光源組件的阻抗比驅(qū)動(dòng)電源的阻抗大,所以LED光源模塊分到的高壓比驅(qū)動(dòng)電源大;而反之如果CY12比CY大時(shí),LED光源模塊分到的高壓比驅(qū)動(dòng)電源就小了。再來(lái)看LED光源模塊中的PCB或鋁基板,LED一般由正極、負(fù)極、散熱底盤(小功率燈具的散熱底盤與負(fù)極整合為負(fù)極)構(gòu)成,如圖4所示LED光源模塊分到的高壓由于正負(fù)極各分布電容的存在表現(xiàn)出來(lái)的電壓大小是不一樣的,這跟正負(fù)極銅箔的大小、分布以及正負(fù)極距離有關(guān),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(fù)極的電壓比正極高,則電源次級(jí)變壓器繞組和整流管導(dǎo)通(如圖2所示),電壓被強(qiáng)行拉平到正極電壓,此種情況不會(huì)引起LED超壓死燈,而如果是正極電壓比負(fù)極電壓高,這時(shí)就有電流流過LED,這就是在耐壓測(cè)試時(shí)LED會(huì)閃亮的原因。這個(gè)電壓越高,LED越亮,大到一定程度超出LED耐壓時(shí),就會(huì)損壞LED的PN結(jié)。正極電壓比負(fù)極電壓高的另一種情況就是負(fù)極與地或金屬外殼等電位了,即負(fù)極與地之間的絕緣被擊穿了,這時(shí)候正極只要分到極低的電壓也足以導(dǎo)致LED損壞。而由于散熱底盤的存在,使得正負(fù)極之間的距離間接被縮短了,從而我們有時(shí)可以看到正負(fù)極對(duì)散熱底盤放電產(chǎn)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(yù)防、降低LED燈珠損壞的技術(shù)方案

        據(jù)上述原因分析,我們可以通過下述幾個(gè)方法來(lái)解決。

        2.1切斷回路

        實(shí)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(shí),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(gè)類似理想的使用環(huán)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(lái)營(yíng)造一個(gè)理想斷開的環(huán)境,使得耐壓的兩端無(wú)法形成回路。

        2.2減小驅(qū)動(dòng)電源內(nèi)部分布電容,增大PCB正負(fù)極對(duì)地或金屬外殼的分布電容

        首先,根據(jù)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(huì)增大。故通過減低驅(qū)動(dòng)電源內(nèi)部的分布電容的容量來(lái)增加阻抗,再通過增加LED光源模塊的分布電容來(lái)減低末端的阻抗,從而使得耐壓試驗(yàn)過程中,大部分的壓降都落在驅(qū)動(dòng)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(gè)需要按燈具的種類進(jìn)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(fù)極銅箔大,使得負(fù)極每次分得的電壓比正極高。最后,保證正負(fù)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(shí)際上如果LED光源模塊分得的高壓較小,這個(gè)距離也可以進(jìn)一步縮小。因?yàn)槭忻嫔嫌幸徊糠譄糁楸旧淼恼?fù)極之間的距離就不足2mm,如圖4所示,使剩余的壓降對(duì)LED燈珠不至于產(chǎn)生影響。

        2.3疏導(dǎo)電流

        對(duì)于上面所述,當(dāng)燈珠本身的安全距離都無(wú)法保障時(shí),可以通過在LED光源模塊上的正負(fù)極對(duì)地或金屬外殼間跨接一個(gè)Y電容來(lái)將耐壓試驗(yàn)的電流導(dǎo)回耐壓測(cè)試儀而不經(jīng)過LED燈珠,要注意的是,這里選擇的是Y電容(也就是安規(guī)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(wú)法對(duì)流經(jīng)本身的電流進(jìn)行控制,而Y電容是有嚴(yán)格的控制流經(jīng)自身的電流,另外Y電容失效后呈現(xiàn)出來(lái)的現(xiàn)象是斷路,這也可以在異常的條件下保證安全。對(duì)于I類燈具,由于驅(qū)動(dòng)電源自帶保護(hù)地,可在驅(qū)動(dòng)電源的內(nèi)部輸出端與地跨接Y電容,如圖5所示。而對(duì)于帶金屬外殼的II類燈具,可在PCB或鋁基板的正負(fù)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(jí)也是可以保證的。

        圖5 驅(qū)動(dòng)電源內(nèi)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(duì)地增加Y電容Fig.6 Positive polar of Al-Board adding with Y capacitance

        3 結(jié)論

        總而言之,燈具的安全始終應(yīng)該是企業(yè)優(yōu)先考慮的,不能因?yàn)槠渌矫娴目紤]而降低其要求,所以在保護(hù)消費(fèi)者使用安全的同時(shí),通過對(duì)燈具前端(驅(qū)動(dòng)電源)、后端(LED光源模塊)的設(shè)計(jì),從技術(shù)上解決LED燈具耐壓?jiǎn)栴}是科學(xué)且可行的,也只有通過科學(xué)的方法,才會(huì)使得LED燈具在各個(gè)方面得到全面的提高。

        [1] 張古松.開關(guān)電源原理與設(shè)計(jì)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2002.

        [2] 燈具第1部分:一般要求與試驗(yàn):GB 7000.1—2007[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)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

        A

        10.3969j.issn.1004-440X.2016.02.014

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