用内置保护避免LED灯具故障

日期:2019-06-04
 
在苛刻的应用中使用LED时,通常低估了电压浪涌对LED的风险
 
作者:Andrew Fawcett,高级产品经理,Premier Farnell and Farnell element14
 
LED是一个看似不知疲倦的工人,它的固态结构保证了长期的使用寿命。随着高强度设备的日益普及,LED正迅速成为区域照明的主流组件。尽管LED照明的寿命比老式白炽灯和荧光灯技术要长得多,但用户可能会对他们购买的灯具的早期故障感到失望。在线评论和口碑很快向市场传达了不同品牌在可靠性方面的表现如何,对制造商存在声誉风险,以及与被视为提供高性能产品的竞争对手相比,潜在的销售下降。
 

 
为什么LED会失效
尽管LED以固态器件的可靠性而著称,但其易碎性和早期失效的一个关键原因是由多种来源的瞬态过电压对LED本身造成的损坏。由于LED通常用于低压环境中,作为指示灯,并且很少遇到破坏性的浪涌,因此当在更苛刻和要求更高的应用(如室外照明)中使用时,设计师通常低估了LED的风险。
尽管LED在可靠性方面享有盛誉,但它具有已知的故障机制,无论是机械故障还是热故障。例如,长时间满功率运行的LED会产生大量的热量,随着时间的推移,这些热量会损坏连接设备与其封装的导线。随着金属丝在高温下氧化,它们随着时间的推移变得易碎,这增加了LED失效的可能性,特别是在易受振动的系统中。与其他半导体一样,LED故障的其他原因包括静电放电(ESD)事件或由附近闪电事件引起的浪涌。
 
 
使用固态照明设计时的另一个挑战是,由于阵列中只有一个LED出现问题,灯具中的一整串LED可能会出现故障。LED通常是串联的,由恒流源驱动,以达到应用所需的亮度、颜色和强度。串联布线更受欢迎,因为它在串中的LED之间提供更一致的行为,从而提供更均匀的亮度。串中单个LED的开路,可能是由于单根导线的断开而引起的,可能会导致整个串发生故障。在路灯或机场跑道照明应用中,串的丢失可能会使灯变暗或熄灭,从而造成安全隐患。LED显示屏广告符号的任务性较低,但由于串故障引起的空白点会导致投诉和潜在的损失收入,以及招致更频繁的维护成本。在家庭应用中,那些容易出现早期故障的品牌将在市场上遇到问题。
 
保护设计,避免常见故障
然而,如果不能避免,可以通过小心的电路减少故障。许多系统都会有一定程度的静电放电和浪涌保护,但这通常集中在电源入口。当然,交流输入是保护的重点领域,但在任何LED照明应用中,都有三个领域需要电路保护。除了交流输入端,电源的直流侧和LED本身也需要保护,设计人员应解决电路中每个点所需的所有不同类型的保护。
 
保护LED本身
单一LED故障导致整个串变暗的问题可以简单地避免:通过将打开的LED保护装置与串上的每个LED并联放置。电子分流器是一种可以作为开放式LED保护器的元件。这对已断开的电路起到电流旁路的作用,并允许电源流向串中的其余LED。分流器是一个双端器件,如果打开的LED连接稍后自行修复或更换,它会自动复位。
这种分路保护器的一个好设计是一个电压触发开关,它有微安级的漏电。一旦LED断开,电路中就有足够的电压来触发保护器到开启状态。这种类型的保护器的一个优点是其内置的浪涌抗扰性——在附近雷击或静电放电事件可能导致电压浪涌的情况下绕过LED。此类电子分流器的例子可在PLED系列中找到;该系列器件还可保护LED免受意外反向电压的影响。
PLED相对容易指定。在LED串中使用正向电压和正向电流等参数以及连接方案时,所需的只是确定PLED的尺寸及其保护比。PLED开关电流需小于恒流源提供的值,且开启电压需小于“合规”电压,即LED串电源提供的最大开路输出电压。
下一步是确定由单个PLED保护的LED数量:如果一组中只有一个LED发生故障,设计人员可能会选择冒因三个LED未通电而导致的调光风险。通常,触发电压为6V的PLED6可保护一个LED,触发电压为9V的PLED9适合与两个LED一起使用,PLED13可与一组三个LED一起使用。
其他可能用于提供开放式LED保护的组件通常也有缺点。例如,可控硅整流器(SCR)和齐纳二极管都具有使它们看起来适合工作的特性。齐纳提供有效的静电放电和雷电保护以及反极性保护。然而,它在实际应用中不会存活很长时间:当接通时,串电流很容易使二极管过载并缩短其使用寿命。可控硅可防止LED打开,但不会防止静电放电和雷击,也不会提供反极性保护。晶闸管通常也是一种更大更笨重的器件,在许多高亮度的灯具中,很难容纳LED,因为这些灯具可能被紧密地封装在一起。
 
 
交流入口保护
在选择交流入口保护时,一个关键考虑因素是,这是最容易受到附近雷电冲击影响的区域。任何保护装置必须足够坚固,能够承受雷电冲击要求。至少需要3kA,但保证6kA很重要。响应也需要快速,以限制任何下游损害。为交流输入选择线路保险丝的标准包括电压和电流以及I2T额定值。第三个参数提供保险丝元件在打开前所能承受的能量。因此,延时保险丝的I2T额定值比快动作保险丝高。此外,I2T值与保险丝的电流额定值成比例增加。
交流电源的另一个关键部件是瞬态电压抑制器(TVS)或金属氧化物压敏电阻(MOV),用于将电压从敏感部件上转移开。
 
直流入口保护
在下游,直流部分的一个关键部件是高压直流保险丝,用于在过流事件期间打开。直流部分的二次TVS还可防止过电压,防止对电源转换器的控制电子元件造成损坏,并限制可使其通过LED串本身的损坏电荷量。
综上所述,尽管LED比传统的照明解决方案具有更高的寿命,但它们需要足够的电路保护,以确保能够实现其承诺。通过将重点放在灯具电气设计的三个关键要素上,LED将寿命更长,并且越来越能够进入日益恶劣的环境。
 
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