基于环境温度的LED路灯寿命快速评估方法探讨

李悦铭

（长春市路灯管理处，长春 130000）

引言

LED灯具为固态冷光源，利用半导体PN结内部电子和空穴结合发挥作用，光色因为使用的LED材质不同也存在不同。LED的主要优势为单色性好、节能、寿命长，但是所发出的光流不大，存在波动[1]。因为白光LED利用蓝光诱导产生YAG荧光粉，所以并没有显色性能。还会出现光衰情况，主要是由于此灯具在使用过程中温度增加，降低了实际电压和光强度，从而导致波长变化，加剧光衰，还会降低使用时长。所以，对LED路灯寿命评估尤为重要[2]。

1 现有LED灯具的测试标准

发光二极管（LED）能够使电能转变成为可见光，属于半导体器件。LED照明灯指的是具备将LED作为光源的照明产品，能够转变成为各种颜色的光，工作电流比较小，工作过程中的电压比较低，安全环保，还能够对电流大小调整后对LED发光强弱进行调节[3]。

美国照明工程学会在2008年推出了IES LM-79-08（LM-79）和IES LM-80-08（LM-79）标准，LM-79规定使用LED光源灯具电气与光学性能测量方法，包括色度重复性、总光通量、册来那个电功率等参数指标满足测试需求。以此标准对LED灯在不同方向的色温、强度进行测量[4]，但是缺少设备流明寿命。LM-80对LED光源流明维持测试进行重视，说明LED光源寿命降低点亮时间，从而满足初始值需求，为流明维持了寿命。一般，此值设置为70 %，表示为L70。70是指流明维持率终止值为70 %。LM-80对测试环境的条件进行规定，测试时间超过6 000 h，每隔1 000 h对流明数据进行收集。为了改变预测模型，为了便于灯具厂商的设计，LM-80对LED光源测试进行规定，得出不同温度的流明维持数据[5]。

2 试验数据的获取

2.1 样品

本文使用同个设计、制作工艺的LED组件产品作为试验样品，通过早期筛选之后的母体实现随机抽样，样品在10只以上。对试验成本充分考虑，要选择多点的样本，提高得出试验数据的可靠性[6]。

2.2 参数设置

2.2.1 应测量

应测量参数包括光通量，其他参数包括正向电压和热阻，测量方法要满足相关规定需求。通过加速用力试验样品，要在正常大气环境下恢复。为了保证测量效果，使LED环境温度恒定（25±2）℃。

2.2.2 测试间隔

测试间隔长短和试验环境温度相关，能够利用摸底试验确定。试验环境的温度比较低，测试间隔比较长。试验环境温度比较高，测试间隔比较短[7]。

2.2.3 获取试验数据

利用定时截尾试验使抽样LED组件产品在额定工作条件下，在规定时间内工作，以啊不能为1 000 h。

3 试验条件和方法

3.1 外观

将东北地区为例，由于东北地区多雪、多尘，所以要求LED太阳能路灯要具备良好自洁性和光洁度，从而避免冰雪和灰尘的堆积，可以使用目视检查对产品表面平滑度进行测试[8]。

3.2 温度试验

3.2.1 蓄电池

蓄电池为太阳能路灯的储能电源，大部分使用密封铅酸蓄电池，环境温度会影响到蓄电池性能和安全。蓄电池工作环境为：湿度＜90 %，温度（-30～50）℃。在（10～50） ℃之间，蓄电池寿命会在温度升高过程中提高。但是超过50 ℃，因为负极硫化容量损失会导致电池寿命降低。在-30 ℃环境下，也会降低蓄电池性能。所以，在对太阳能路灯施工时要选择蓄电池安装的位置，可以埋在地下。

3.2.2 道路照明LED灯

组合式LED照明装备为发光二极管与其他光学、电气、机械的组合体，以LED国家与行业标准，和东北地区实际环境结合，制定以下试验方法：

利用Arrhenius方程对给定稳定下的使用寿命进行预测，以某个温度下的使用寿命推到另外一个温度下的使用寿命，以下为方程公式：

其一，在低温工作中，试验温度为-30 ℃，试验时间为168 h。在试验过程中灯能够正常工作，在结束试验后室温恢复2 h，开展外观检查；

其二，在高温工作中，试验温度为45 ℃，试验时间为168 h。在试验过程中灯能够正常工作，在结束试验后室温恢复2 h，开展外观检查；

其三，低温存储试验中，试验温度为-40 ℃，试验时间为168 h。在结束试验后室温恢复2 h，开展外观检查并且通电，灯能够正常燃点和启动；

其四，高温存储试验中，试验温度为80 ℃，试验时间为168 h。在结束试验后室温恢复2 h，开展外观检查并且通电，灯能够正常燃点和启动[9]。 （试验方法）

3.3 盐雾

盐雾会对金属和金属保护层造成腐蚀，使金属机械强度得到降低。部分电子元器件与线路会由于腐蚀导致电路中断或者短路，不同环境中的盐雾成分不同，但是和海水成分相似。

4 试验结果讨论

4.1 数据收集

收集四个应力水平的20个平行样品试验数据，表1为不同温度的试验老化时间，表2为结温平均值。

表1 不同温度的试验老化时间

表2 结温平均值

4.2 寿命预测

4.2.1 平均试验时间

通过对数正态分布条件中的LED在不同温度中的平均老化试验时间t1，利用威布尔分布模型实现可靠性参数估计，以平均秩次法计算结果得出图1威布尔分布拟合曲线，表3为不同分布的平均试验时间。

图1 威布尔分布拟合曲线

表3 不同分布的平均试验时间

4.2.2 预测结果

通过以上结果得出威布尔分布和正态分布的不同温度下试验时间，计算LED预测寿命，正态分布为17.27年，威布尔分布为17.33年。针对此试验案例，对数正态分布的预测结果并没有太大的差别。为了保证寿命评估有效性，以下使用统计检验方法实现检验[10]。

4.3 试验结果检验

其一，正态性检验。在分析试验数据前，要对是否能够满足正太分布进行检验。因为被测样品数量比较小，所以使用Shapiro-Wilk检验实现退出时间对数的正态性检验，表4为检验结果。通过表4可以看出来，不同温度下的正态性检验显著性水平比给定的要大，所以能够满足正态分布。

表4 检验结果

其二，威布尔检验。表5为统计量计算表，通过表5可以看出来，不同温度下的W计算值比19要小，所以表示能够满足威布尔分布。

表5 统计量计算表

4.4 寿命二次评估

实现不同应力条件的分布特性检验，通过检验结果可以看出来，使对数正态分布和威布尔分布得到满足。利用三组数据评估寿命，根据方差齐性检验可以看出来，在110 ℃时试验数据组和其他温度试验数据并不是同个总体。也就是说在110 ℃使用全新老化机理，使试验时间得到降低，并且使寿命评估结果减少。利用综合表示，此种算例的预测寿命为20.62和20.6年。

4.5 分布结果对比

通过对正态分布和威布尔分布相关参数计算，两者的决定系数分别为0.994 248和0.994 236。利用计算结果分析，两种分布决定系数接近1，所以两者都能够对LED寿命进行预测[11]。

5 结束语

我国地势复杂、幅员辽阔，各个地区环境也比较大。本文只是结合东北大部地区，对道路照明产品环境适应性开展简单进行分析。即便是在东北，各城市环境各不相同，需要具体问题具体分析。通过本文得出以下结论：

1）根据此模型，统计校验能够有效评估寿命。利用正确的统计校验，发现试验数据中的问题与模型适用性，提高评估效果；

2）方差齐性检验能够对不同应力水平检验的机理进行分析，在试验中使用老化机理的时候，也会导致寿命评估结果出现问题；

3）利用试验数据威布尔分布和正态分布对比结果表示，两者能够对LED加速老化试验数据进行拟合，能够有效评估算例LED产品可靠性。