LED灯具耐压测试灯珠损坏的原因与解决方案

林伟坚，罗婉霞，孙志锋

(广州广日电气设备有限公司 检测中心，广东 广州　511400)



LED灯具耐压测试灯珠损坏的原因与解决方案

林伟坚，罗婉霞，孙志锋

(广州广日电气设备有限公司 检测中心，广东 广州511400)

目前在灯具生产的耐压测试过程中存在LED闪烁、发亮、飞弧甚至损坏的问题。本文围绕此问题分析LED损坏的原因,并为预防、降低LED在耐压测试过程中损坏提供技术措施。

LED；耐压；驱动电源；铝基板

引言

随着LED灯具的普及,消费者对LED灯具的安全、可靠性等要求也在逐步的提高，而灯具的介电强度就是其中的一项重要指标。而在企业生产的过程中介电强度试验(企业称耐压试验)却往往会出现灯具闪烁、发亮、飞弧甚至损坏的问题.在实际操作中,有的企业在生产过程中拆除LED光源进行耐压试验,且不说这样做是否对光源模块(LED灯珠+PCB板或铝基板)本身的介电强度是否考虑到位,单单从生产的效率以及风险的管控方面就已经很难实行了。而有的企业使用直流电压进行耐压试验,实际上LED灯具由于电容的存在,使用直流电压进行耐压试验是无法对灯具末端的介电强度进行检验的。更有甚者,罔顾消费者权益,仅仅考虑企业利益,将未进行耐压试验筛选的灯具直接卖给消费者,导致消费者在不知不觉中处于安全隐患中。但是,反过来说,由于进行耐压试验就会有可能使得灯具损坏,这对企业来说是进退两难的事情,那从技术层面来说这个问题是否就无法解决呢?当然不是。

1　LED灯具耐压试验过程灯珠闪烁、发亮、飞弧、损坏的原因

当前几乎所有的LED灯具由驱动电源和LED光源模块组成。在耐压试验的过程中，标准的方法是L、N极短路为一极,地或者金属外壳为另一极,在此两极间加上相应的交流电压(如图1所示),来检验其绝缘部分的介电强度,从而筛选出不能满足要求的产品。

图1　LED灯具耐压测试Fig.1　LED lights dielectric strength test

实际上,从驱动电源和LED光源模块的内部分析,在LN极短路后耐压测试仪加在这一端的电压或电流通过跨接在变压器初次级之间的Y电容、变压器内部的分布电容和其他位置的分布电容,到达变压器的次级,再通过LED光源模块正负极的铜箔对地或者金属外壳的分布电容到达地或金属外壳,从而返回到耐压测试仪,如图2所示。所以,整个过程可以简化为耐压测试仪是检测两个组合电容的串联后的两端之间介电强度,如图3所示。

图2　耐压测试示意图Fig.2　Dielectric Strength test

图3　耐压电路等效图Fig.3　Dielectric Strength circuit

由图3可知,当CY与CY12(CY1、CY2构成的组合电容)一样时,驱动电源与LED光源模块分到的高压是一样的。由于阻抗与电容成反比关系,所以当CY12的容量比CY小时,LED光源组件的阻抗比驱动电源的阻抗大,所以LED光源模块分到的高压比驱动电源大;而反之如果CY12比CY大时,LED光源模块分到的高压比驱动电源就小了。再来看LED光源模块中的PCB或铝基板,LED一般由正极、负极、散热底盘(小功率灯具的散热底盘与负极整合为负极)构成,如图4所示LED光源模块分到的高压由于正负极各分布电容的存在表现出来的电压大小是不一样的,这跟正负极铜箔的大小、分布以及正负极距离有关,铜箔形状的不同使得分布电容大小不同,分到的高压也不同。如果负极的电压比正极高,则电源次级变压器绕组和整流管导通(如图2所示),电压被强行拉平到正极电压,此种情况不会引起LED超压死灯,而如果是正极电压比负极电压高,这时就有电流流过LED,这就是在耐压测试时LED会闪亮的原因。这个电压越高,LED越亮，大到一定程度超出LED耐压时,就会损坏LED的PN结。正极电压比负极电压高的另一种情况就是负极与地或金属外壳等电位了,即负极与地之间的绝缘被击穿了,这时候正极只要分到极低的电压也足以导致LED损坏。而由于散热底盘的存在,使得正负极之间的距离间接被缩短了,从而我们有时可以看到正负极对散热底盘放电产生飞弧。

图4　带散热底盘的3W 3030LED光源Fig.4　3W 3030LED light source with heat dispersion base

2　预防、降低LED灯珠损坏的技术方案

据上述原因分析，我们可以通过下述几个方法来解决。

2.1切断回路

实际上如果变压器、PCB或铝基板不存在分布电容,即其为理想断路时,电流是不可能被传递到另外一端的,但是理想的变压器是不存在的,我们可以搭建一个类似理想的使用环境。如使用绝缘散热垫片与塑料螺丝的组合或者铝基板的绝缘过孔与金属螺丝的组合来营造一个理想断开的环境,使得耐压的两端无法形成回路。

2.2减小驱动电源内部分布电容,增大PCB正负极对地或金属外壳的分布电容

首先,根据阻抗的公式Z=1/2πfC可知,只要减低电容的容量,其等效阻抗就会增大。故通过减低驱动电源内部的分布电容的容量来增加阻抗,再通过增加LED光源模块的分布电容来减低末端的阻抗,从而使得耐压试验过程中,大部分的压降都落在驱动电源上，仅剩余小部分压降落在LED光源模块上。其次,PCB或者铝基板本身的绝缘层的耐压要求也是要有保障,这个需要按灯具的种类进行要求,如1类为1500V。再次,加大铜箔面积,增加整体分布电容,正极铜箔尽量比负极铜箔大,使得负极每次分得的电压比正极高。最后,保证正负极之间的有足够的安全距离,即按最新要求3000kV的要求，安全距离须至少保持2.0mm,实际上如果LED光源模块分得的高压较小,这个距离也可以进一步缩小。因为市面上有一部分灯珠本身的正负极之间的距离就不足2mm,如图4所示，使剩余的压降对LED灯珠不至于产生影响。

2.3疏导电流

对于上面所述,当灯珠本身的安全距离都无法保障时,可以通过在LED光源模块上的正负极对地或金属外壳间跨接一个Y电容来将耐压试验的电流导回耐压测试仪而不经过LED灯珠,要注意的是,这里选择的是Y电容(也就是安规电容),而不是普通的瓷片电容,这也是防触电的要求,普通的瓷片电容无法对流经本身的电流进行控制,而Y电容是有严格的控制流经自身的电流,另外Y电容失效后呈现出来的现象是断路,这也可以在异常的条件下保证安全。对于I类灯具,由于驱动电源自带保护地,可在驱动电源的内部输出端与地跨接Y电容,如图5所示。而对于带金属外壳的II类灯具,可在PCB或铝基板的正负极与金属外壳之间跨接Y电容,如图6所示。其中Y电容可以使用贴片式或插件式,而由于跨接的是Y电容,故防触电等级也是可以保证的。

图5　驱动电源内部输出端增加Y电容Fig.5　Drive power adding with Y capacitance

图6　铝基板正极对地增加Y电容Fig.6　Positive polar of Al-Board adding with Y capacitance

3　结论

总而言之,灯具的安全始终应该是企业优先考虑的,不能因为其他方面的考虑而降低其要求,所以在保护消费者使用安全的同时,通过对灯具前端(驱动电源)、后端(LED光源模块)的设计,从技术上解决LED灯具耐压问题是科学且可行的,也只有通过科学的方法,才会使得LED灯具在各个方面得到全面的提高。

[1] 张古松.开关电源原理与设计[M].北京：电子工业出版社，2002.

[2] 灯具第1部分:一般要求与试验：GB 7000.1—2007[S].北京：中国标准出版社，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