LED的保护技术详解

    一，为什么要对led进行保护

    白光LED由于有着很多优点，正在越来越多的进入人们的日常生活之中，它的使用量现在变得非常的巨大。它是新器件，有其自身使用上的特点。白光LED属于电压敏感型的器件。每支LED工作时电流不要超过20mA，超过太多LED就会很容易被烧毁。LED如果是正常使用，其寿命是非常长的。但人们在实际使用中LED往往容易坏，道理何在呢？其实就是没有考虑到LED的使用特点和对它加上保护电路。

　　LED是光电半导体器件，在装配过程中容易被静电击伤。这就需要在装配过程中进行静电防护。我们发现很多生产厂家的人没有这个概念或根本不懂，这是不行的。

　　LED在实际工作中是以20mA的电流为上限，但往往会由于在使用中的各种原因而造成电流增大，如果不采取保护措施，这种增大的电流超过一定的时间和幅度后LED就会损坏。

　　二，造成LED损坏的原因

　　1、供电电压的突然升高。让供电电源电压突然升高的原因就很多了，例如电源的质量问题，或者用户的不当使用等等原因都可能让供电的电源电压突然升高。

　　2、线路中某个元件或印制线条或其它导线的短路而形成LED供电通路的局部短路，使这个地方的电压增高。

　　3、某个LED因为自身的质量原因损坏因而形成短路，它原有的电压降就转嫁到其它LED上。

　　4、灯具内的温度过高，使LED的特性变坏。

　　5、灯具内部进了水，水是导电的。

　　6、在装配的时候没有做好防静电的工作，使LED的内部已经被静电所伤害。尽管施加的是正常电压和电流值，也是极易造成LED的损坏。

　　这些原因都会造成LED电流的明显大幅上升，很快LED的芯片就会因为过热而被烧毁。根据我们的经验，LED烧毁后多数是两极短路，少部分是断路。每支LED约有3.2V左右的压降，它烧毁后若是断路这串LED就不发光了。若是短路这个电压就转给了其它的LED，造成其它LED的更大电流，其它LED就会更快的被烧毁，甚至危急电源。本来是小损坏就极容易的造成大事故。LED一般安装在高处，安装的时候就不容易，要维修就更难。所以LED的保护是实际的需求，但目前没有被大家重视，也是很多人无奈没有办法处理的难题。

　　三，怎么对LED来进行保护

　　对LED的保护我们首先想到的是用保险管，但保险管是一次性的，而且反应速度也太慢，既效果差实际使用也很麻烦，所以保险管不适宜用于现在LED灯成品中，因为LED灯现在主要是在城市的光彩工程和亮化工 程。针对这种实际的需求，我们做了大量的实验，并根据工程的要求总结出了LED保护电路要有的特点，它很苛刻：在超出正常使用电流时能立即启动保护，让LED的供电通路就被断开，使LED和电源都能得到保护，在整个灯正常后又能够自动恢复供电，不影响LED工作，关键是因为它是民用产品，所加的电路不能太复杂体积不能太大，成本要低。

　　这些要求都是互相矛盾，互相制约的，实现起来很困难。

　　首先应该确定选用哪种保护电路和保护器件

　　1、我们可以选择使用瞬态电压抑制二极管(简称TVS)。瞬态电压抑制二极管是一种二极管形式的高效能保护器件。当它的两极受到反向瞬态高能量冲击时，能以10的负12次方秒极短时间的速度，使自己两极间的高阻立即降低为低阻，吸收高达数千瓦的浪涌功率，把两极间的电压箝位在一个预定的电压值，有效的保护了电子 线路中的精密元器件。瞬态电压抑制二极管具有响应时间快、瞬态功率大、漏电流低、击穿电压偏差一致性好、箝位电压较易控制、无损坏极限、体积小等优点。

但是在实际使用中发现不是很理想。首先是要寻找满足要求电压值的TVS器件很不容易。TVS器件主要应用于防雷和避雷，以及220V以上的过电压吸收等，而LED灯的供电电压一般是24V或12V，这种电压值的TVS成品很少，试验不好进行。同时我们知道：LED光珠的损坏主要是因为电流过大使芯片内部过热造成的。TVS只能探测过电压不能探测过电流。过电压肯定是过电流的原因，但是要选择合适的电压保护点很难掌握，这种器件就无法生产也就很难在实际中使用。

　　2、我们可以选择自恢复保险管。自恢复保险管又称为高分子聚合物正温度热敏电阻PTC，是由聚合物与导电粒子等构成。在经过特殊加工后，导电粒子在聚合物中构成链状导电通路。当正常工作电流通过(或元件处于正常环境温度)时，PTC自恢复保险丝呈低阻状态；当电路中有异常过电流通过(或环境温度升高)时，大电流(或环境温度升高)所产生的热量使聚合物迅速膨胀，也就切断了导电粒子所构成的导电通路，PTC自恢复保险丝呈高阻状态；当电路中过电流(超温状态)消失后，聚合物冷却，体积恢复正常，其中导电粒子又重新构成导电通路，PTC自恢复保险丝又呈初始的低阻状态。

    在正常工作状态自恢复保险管的发热很小，在异常工作状态它的发热很高阻值就很大，也就限制了通过它的电流，从而起到了保护作用。它的体积小，成本低，可反复使用，实现了保护的自动启动自动退出；它是固态封装耐冲击不容易被损坏；我们在实际的测试中发现：由于它是热敏感器件，受温度的影响很大，由于PTC封装在灯具的内部，光珠肯定要发热就要影响PTC的工作性能。对已经确定的灯具可以通过试验来选择PTC，比较可靠的使用方法是让它远离发热的灯珠。

　　在具体的电路中，有两种方式可供使用时选择：

　　1、分路保护。一般LED灯是分成很多串接支路。比如24V电压，我们都是用7支LED光珠相串接再加一支电阻构成，电流一般为17~19mA，根据需要我们可以选择7的整数倍光珠来组合成一支整灯。我们可以在每个支路的前面加一支PTC元件分别进行保护。这种方式的好处是精确性高，保护的可靠性好。

　　2、总体保护。在所有光珠的前面加接一支PTC元件，对整灯进行保护。这种方式的好处是简单，不占体积。我们一般是选用这种方式。就家用产品来说，这种保护在实际使用中的结果还是令人满意的。

　　PTC的选用很讲究，我们都是通过很长时间的实验才摸索出了较为准确的对应数值。

　　四、LED的静电防护

　　所有的物质都由原子构成，原子中有电子和质子。

　　当物质获得或失去电子，它将变成带负电或正电，这些电荷在材料表面上积累我们就称之物体带上了静电。电荷积累通常因材料互相接触分离而产生，也可由摩擦引起，称为摩擦起电。有许多因素会影响电荷的积累，包括接触压力、摩擦系数和分离速度等等。静电电荷会不断积累，如果没有泄放通道，这个数值最后会达到很高，直到造成电荷产生的作用停止、电荷被泄放或达到足够的强度可以击穿周围物质介质为止。电介质被击穿后，静电电荷会很快得到平衡，这种电荷的快速中和就称为静电放电。由于在很小的电阻上快速泄放电压，泄放电流会很大，可能超过20安培，如果这种放电通过静电敏感元件进行，这么大的电流将对设计为仅导通电压是3V多和电流是20mA的LED造成严重伤害。

　　1、为什么要提高静电的防护意识

　　在本世纪70前代以前，很多静电问题都是由于人们没有静电防护意识而造成的，即使现在也有很多人怀疑静电放电会对电子产品造成损坏。这是因为大多数静电放电损害发生在人的感觉以下，因为人体对静电放电的感知电压约为3KV，而许多电子元件在几百伏甚至几十伏时就会损坏，通常电子器件被静电放电损坏后没有明显的界限，把元件安装在设备上以后再检测，结果出现很多问题，分析也相当困难。特别是潜在损坏，即使使用精密仪器也很难测量出其性能有明显的变化。但近年实验证实，这种潜在损坏在一定时间以后，电子产品的可靠性明显下降。静电造成的损坏绝对是真真实实的。

    2、静电对电子产品损害有哪些形式

　　静电的基本物理特性为：吸引或排斥，与大地有电位差，会产生放电电流。这三种特性能对电子元件有三种影响：

　　①静电吸附灰尘，降低元件绝缘电阻(缩短寿命)。

　　②静电放电破坏，使元件受损不能工作(完全破坏)。

　　③静电放电电场或电流产生的热，使元件受伤(潜在损伤)。

　　第③种情况较为普遍，也很难被及时发现。

　　3、静电对电子产品损害有哪些特点

　　(1)隐蔽性

　　人体不能直接感知静电除非发生静电放电，但是发生静电放电人体也不一定能有电击的感觉，这是因为人体感知的静电放电电压为2-3KV，所以静电具有隐蔽性。

　　(2)潜在性

　　有些电子元器件受到静电损伤后的性能没有明显的下降，但多次累加放电会给器件造成内伤而形成隐患。因此静电对器件的损伤具有潜在性。

　　(3)随机性

　　静电的产生也有随机性。其损坏也具有随机性。

　　(4)复杂性

　　静电放电损伤的失效分析工作，因电子产品的精、细、微小的结构特点而费时、费事、费钱，要求较高的技术并往往需要使用扫描电镜等高精密仪器。即使如此，有些静电损伤现象也难以与其他原因造成的损伤加以区别，使人误把静电损伤失效当作其他失效。

　　这在对静电放电损害未充分认识之前，常常归因于早期失效或情况不明的失效，从而不自觉地掩盖了失效的真正原因。所以静电对电子器件损伤的分析具有复杂性。

　　4、如何控制静电放电

　　从前面的分析可知静电是由于物体接触分离，甚至没有接触的感应等方式产生的，可以说：在任何时间、任何地点都可能产生静电。要完全消除静电几乎不可能的，但可以采取一些措施控制静电不造成危害。

　　5、如何控制人体静电(人体静电防护)

　　人体是最普遍存在的静电危害源。对于静电来说，人体是导体，所以可以对人体采取接地的措施。

　　(1)。使用防静电地面/防静电鞋/袜(静电从脚导到大地)

　　通过脚穿防静电性地面、地垫、地毯，人员穿上防静电鞋袜，形成组合接地。

　　(2)。佩戴防静电腕带并接地(静电从手导到大地)

　　通过手用以泄放人体的静电。它由防静电松紧带、活动按扣、弹簧软线。保护电阻及插头或夹头组成。松紧带的内层用防静电纱线编织，外层用普通纱线编织。

6、防静电鞋与腕带使用中人体安全问题

　　仅从防静电的角度考虑时，人体总的对地电阻越小越好，但最小值受到安全方面的限制，人体必须具有一定值的对地电阻，以便万一发生金属设备或装置与工频电源短接的情况下该电阻能够限制流过操作的人体上的电流。最小值不应小于105Ω，最大不超过109Ω。

　　7、防静电鞋与腕带的使用中要注意哪些问题

　　1、使用腕带操作时不允许断开，否则会失去接地作用。各种腕带使用的主要问题是开路，有时是临时性的，有时是长时间断开，使失去接地作用。

　　2、腕带扣得不紧造成人体皮肤与腕带的接触电阻变大

　　3、有些腕带的电阻就是带子本身的，当带触及地时使其电阻大大减小，有可能因此造成对人体电击的危险。

　　4、有些自称是无线的腕带，其效果远不如有线的好。

　　5、防静电鞋在穿用时应有防静电袜/鞋垫，并在防静电地面上工作才能使人体所带的静电导到大地，任何一部分电阻过大或断开都会使人体带上危害的静电。所以在重要的部门应有人体电阻测试仪随时检测人体所穿的鞋/袜/鞋垫及与人体的总电阻是否能起到泄漏静电的要求。

　　6、腕带应用专门的带插座的接地线与地连结，不能夹在桌面或桌边的金属体上，因为这些金属体对地的电阻可能很大。

　　7、要经常检查腕带的电阻

　　五、LED生产车间的静电防护

　　车间工作区所使用的防静电产品等器具，经过一段时间后，电阻就有可能大于109，为了达到防静电的目的，建议，主要创造以下四个方面的基本条件，一是确保人体防护措施的落实;二是确保车间生产设备的静电防护;三是努力使生产车间和周围环境达到防静电要求;四是完善制度，制定操作规范，建立起严格的内审检查制度，确保该体系得以实施，注重对员工静电意识的培训;制定静电防护用品的技术标准，保证防护用品的质量。

　　在测控手段方面，对工作区增添温度和湿度监测，每天记录温湿度;每月测量静电压;员工防静衣、帽每洗一次后检测一次表面电阻和摩擦电压;防静电台垫等每年检测一次表面电阻。车间门口设置人体综合阻值测试仪;每月一次离子风机的平衡电压和静电消散时间。生产过程中请注意采取适当的防范措施，以下仅供参考：

　　必须能防止静电产生：组装人员操作时需穿戴防静电服装 (如防静电衣服、帽子、鞋子、指套或手套等)必须能迅速将其表面或内部的静电散逸：组装操作人员需配戴防静电手腕带。(腕带必须连通接地系统)能提供屏蔽保护受静电突然放电或电场冲击：

　　①组装台(工作台)需使用防静电台垫，且接地。

　　②盛装LED需使用防静电元件盒。

　　③烙铁、切脚机、锡炉(或自动回流焊设备)均需接地。

　　作业过程中，尽可能避免直接触摸发光管之管脚，取放时尽可能触拿胶体部分。接地措施应完全防止静电产生，工作台、烙铁、切脚机、锡炉(或自动回流焊设备)之接地，必须用粗的铁线引入泥土内，，在铁线未端系上大铁块，埋入地表1米以下，各接地线均需与主线连接在一起，操作人员配戴的静电环若有引出线的，亦需将引出线接通埋地线上。半成品、成品检测设备亦需接地。

　　LED包装袋及半成品包装材料要使用防静电海棉或包装。