1 引言
近年來，LED 光源光源
光源產(chǎn)品具有LED顯示、體積小、重量輕、易攜帶、電池供電、性能價格比高等特點，直觀快速，是一種使用極其簡單方便的測試工具，產(chǎn)品經(jīng)過防震防潮處理，可以在野外惡劣環(huán)境下長時間工作。
高效、長壽、綠色環(huán)保的特點被人們所認識和重視， 同時隨著近10 年來LED技術(shù)取得突飛猛進的發(fā)展，相關(guān)LED 二次光學(xué)設(shè)計技術(shù)的日臻成熟，采用半導(dǎo)體光源替換現(xiàn)有城市道路照明光源已經(jīng)成為半導(dǎo)體照明領(lǐng)域的一大趨勢，日益受到人們的關(guān)注。但要大量推廣LED 路燈，就必須對LED 路燈產(chǎn)品有一個統(tǒng)一的技術(shù)標準和測量標準，規(guī)定一些強制性的性能指標，以保證產(chǎn)品的性能和質(zhì)量。從目前LED 路燈產(chǎn)品技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀來看，最主要的就是整燈壽命、整燈光效和光衰曲線這幾個關(guān)鍵指標。
LED 路燈作為一個系統(tǒng)，影響上述性能的因素較多，如電源驅(qū)動的特性、光學(xué)元件的耐候性、整燈結(jié)構(gòu)的防水防塵性能等都會嚴重地影響系統(tǒng)的光效和壽命，即光用LED 芯片或模組的光學(xué)特性并不能完整地描述燈具的性能，因此必須進行整燈的老化測試以取得符合系統(tǒng)實際性能的數(shù)據(jù)。
作為戶外照明產(chǎn)品的LED 路燈，其可靠性就必須進行現(xiàn)場的長程測試，時間跨度往往需要數(shù)千小時，而現(xiàn)場的長程測量的精度由于受到環(huán)境、測試方法等方面因素的干擾，會與室內(nèi)實驗室環(huán)境的測試結(jié)果產(chǎn)生較大的差異。
圖1 為檢測部門組織的多家企業(yè)提供的不同。LED 路燈在實驗室環(huán)境與在戶外場地測試的光衰結(jié)果對比。
圖1 LED 路燈實驗室環(huán)境與戶外場地環(huán)境測試的光衰對比
圖1 所示為22 種LED 路燈產(chǎn)品2000 小時的光衰測試數(shù)據(jù)，從圖中可以看出:
?、貺ED 路燈在戶外場地測試得到的光衰值都大于實驗室環(huán)境下測試的光衰值;
②若以實驗室測試為依據(jù)，則大部分光衰都在5% 以下，而若以戶外測試為依據(jù)，則這批路燈的光衰都明顯偏大，不宜批量生產(chǎn);
?、鄄煌窡舢a(chǎn)品所對應(yīng)的這一測試差別也不同，范圍為5% ～ 15%。
由此就給最終用戶對選用LED 路燈產(chǎn)品造成了困難，即究竟應(yīng)該采用什么方法來檢測，該相信哪組測試數(shù)據(jù)?
目前在各級與LED 路燈相關(guān)的標準和規(guī)范指標中，都對LED 路燈的光衰做了嚴格的要求，基本都要求連續(xù)點亮3000 小時后，路燈光衰不高于2% ;要達到如此高的光衰測試要求，對于各類引起測量誤差的關(guān)鍵因素就必須進行分析并作適當?shù)难a償。
2 影響LED路燈光效測量精度的主要因素
對于LED 路燈的期望壽命測量方法，相關(guān)的國家標準中給出了LED 路燈的期望壽命測量方法，方法規(guī)定在一定的技術(shù)規(guī)范規(guī)定條件下老煉LED 路燈，并在規(guī)定的測溫點監(jiān)測LED 路燈的外殼溫升。每隔100 ～ 300 小時記錄一定距離下LED 路燈燈下點的照度，直至測量到6000 小時。如到6000 小時仍未達到LED 路燈壽命，則可用燈下點照度下降的規(guī)律外推出LED 路燈的壽命，即期望壽命。在期望壽命測量和外推計算中，以LED 路燈在1000 小時的發(fā)光特性為初始值，外推出的LED 路燈光通量下降到初始值的70% 的時間為期望壽命。
由此可見， 對LED 路燈要進行光衰與壽命測試，時間跨度都在3 個月以上。由于測試場地的影響往往需要在路燈安裝現(xiàn)場進行測試，如圖2 所示。
圖2 路燈測試示意圖
由此也就必然會遇到測試準確度的判定及干擾因素的消除問題，在此我們先分析一下影響LED 路燈光效測量精度的主要因素。
(1) 電源的穩(wěn)定性
在《整體式LED 路燈的測量方法》中對于電源電壓要求為: 在穩(wěn)定期間，電源電壓應(yīng)穩(wěn)定在額定值的± 0. 5% 的范圍內(nèi); 測量時，電源電壓應(yīng)穩(wěn)定在額定值的± 0. 2% 的范圍內(nèi)，基波頻率偏差不得大于0. 1% ，諧波失真小于3% ; 壽命試驗的電源電壓應(yīng)穩(wěn)定在± 2% 以內(nèi)。
在LED 驅(qū)動方面，通常使用恒流驅(qū)動，電流的波動就直接影響了LED 的發(fā)光通量，為了驗證實際產(chǎn)品的性能，考察了2 家在LED 路燈電源方面進行了專門設(shè)計和有著較多使用經(jīng)驗的電源生產(chǎn)廠家的LED 驅(qū)動器，其電流控制精度分別為± 2% 和3%。
然而這只是標明的穩(wěn)態(tài)狀況，在此我們更應(yīng)注意幾個參數(shù): 穩(wěn)定電流隨外加電壓變化的波動、隨運行時間的慢性漂移以及隨外界溫度變化的穩(wěn)定性。
實驗室對某公司75WLED 開關(guān)開關(guān)
開關(guān)是最常見的電子元件，功能就是電路的接通和斷開。接通則電流可以通過，反之電流無法通過。在各種電子設(shè)備、家用電器中都可以見到開關(guān)。
電源進行測試表明，開關(guān)電源開關(guān)電源
開關(guān)電源1是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)管開通和關(guān)斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制IC和MOSFET構(gòu)成。開關(guān)電源和線性電源相比，二者的成本都隨著輸出功率的增加而增長，但二者增長速率各異。線性電源成本在某一輸出功率點上，反而高于開關(guān)電源，這一點稱為成本反轉(zhuǎn)點。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開關(guān)電源技術(shù)也在不斷地創(chuàng)新，這一成本反轉(zhuǎn)點日益向低輸出電力端移動，這為開關(guān)電源提供了廣闊的發(fā)展空間
輸出電流基本不隨外加電壓的變化而變化，穩(wěn)定精度達到± 0. 01% 以上，可以忽略其影響。對75W 大功率開關(guān)電源的老化測試情況來看，經(jīng)2400 小時的老化后，電源輸出電流穩(wěn)定精度達到± 0. 02% 以上，也可以忽略此因素對開關(guān)電源輸出穩(wěn)流精度的影響。
我們知道，即使在南方城市，對于跨度2000 小時的測試，環(huán)境溫差也至少有20℃ ( 下面涉及到溫差影響的討論我們都以20℃ 來計) ，這種溫度的變化會影響LED 開關(guān)電源輸出電流的變化。
圖3 LED 開關(guān)電源輸出電流的溫度特性
圖3 是對一實際使用的LED 路燈電源的溫度特性進行檢測的結(jié)果。從圖3 可以看出，LED 開關(guān)電源與環(huán)境溫度變化的關(guān)系為I-1·dI·dT = － 0. 0736% /K，即溫度上升時開關(guān)電源輸出電流以每10 度0. 7%的速率下降( 以環(huán)境溫度25℃ 為初始溫度)。由于LED 輸出光通量與輸入電流基本呈線性關(guān)系，那么當溫度變化20℃ 時，電流的輸出就會下降1. 47% ，下降的電流會直接導(dǎo)致LED 輸出光通量的下降。LED輸出光通量與輸入電流呈線性關(guān)系，在此溫度變化的幅度內(nèi)，燈具的光通量也將下降1. 47%。
(2) LED 光源的穩(wěn)定性
LED 光源是半導(dǎo)體器件，對溫度十分敏感。測試中必須考慮LED 光源光通量受環(huán)境溫度的影響，這是影響整燈性能一個非常重要的方面。通常從半導(dǎo)體器件的溫度特性可以得到發(fā)光強度與溫度的關(guān)系:
這里T1為特征溫度，對于采用GaInN /GaN 量子阱有源層的藍光LED 器件， 其特征溫度T1 =1600K。
對于藍色芯片加$熒光粉的白光LED 器件，由于器件的性能還受熒光粉、填充膠等材料的影響，其溫度特性就會偏離上述理論公式。在一般情況下，白光的光輸出變化隨溫度的變化的關(guān)系大致為?φ -1dφ / dT = － 0. 2 % K -1 ，也即是說光通量的輸出隨溫度的升高以每10 度2% 的速率下降。然而對于不同的芯片以及不同的封裝工藝與材料，上述參數(shù)也會發(fā)生變化。
實驗中對國內(nèi)外2 種不同的LED 器件進行了輸出光通量與結(jié)溫關(guān)系的測試，結(jié)果如圖4 所示。
圖4 不同白光LED 件的光輸出與結(jié)溫的關(guān)系
對于樣品A，其白光的光輸出變化隨溫度的變化的關(guān)系為φ-1 dφ / dT = － 0. 22% K -1 ;對于樣品B， 上式變?yōu)?phi; -1 dφ/ dT = － 0. 30%K -1，也即溫度每升高10 度光通量下降3%。
因此在測量期間如溫差超過20℃，會使LED 燈具的光通量測試產(chǎn)生5% 左右量級的誤差。
由此可見在進行耗時較長的光衰測試時，必須將溫度的影響考慮在內(nèi)，并根據(jù)實測的溫度進行相應(yīng)的修正。反之，若是在夏天開始測試，而在冬天結(jié)束，則衰減會大大減小，甚至?xí)霈F(xiàn)光輸出的增加。
(3) 測試設(shè)備的影響
目前所用路面測試設(shè)備，通常都為照度計或亮度計，這些儀器的探頭是決定光參數(shù)測試準確度的核心，一般的光敏元件( 如硅光電池電池
電池是一種能量轉(zhuǎn)化與儲存的裝置，它通過反映將化學(xué)能或者物理能轉(zhuǎn)化為電能。電池即一種化學(xué)電源，它由兩種不同成分的電化學(xué)活性電極分別組成正負兩極浸泡再能提供媒體傳導(dǎo)作用的電解質(zhì)中，當連接在某一外部載體上時，通過轉(zhuǎn)換其內(nèi)部的化學(xué)能來提供電能。
、光敏電阻電阻
電阻，物質(zhì)對電流的阻礙作用就叫該物質(zhì)的電阻。電阻小的物質(zhì)稱為電導(dǎo)體，簡稱導(dǎo)體。電阻大的物質(zhì)稱為電絕緣體，簡稱絕緣體。
等) 都有其固有的相對光譜靈敏度曲線，而理想的光譜靈敏度曲線應(yīng)該是與CIE 1931 人眼的光視光效函數(shù)即V (λ) 曲線完全吻合， 只有如此才可能實現(xiàn)精確的光度學(xué)測量。但一般光敏器件光譜靈敏度曲線與CIE 1931 V ( λ) 曲線相差很大，因而需要加上一系列的濾色片來進行校準，由此也就產(chǎn)生了光譜響應(yīng)誤差f1。
根據(jù)CIE 69—1987 和中國JJG245—2005 照度計量檢定規(guī)程，不同等級的光度探頭/ 光度計的分級技術(shù)指標要求見表1。
表1 光度計分級一覽表
對于一般企業(yè)的測試設(shè)備，大都為一級精度，其V (λ) 失匹配誤差f1達6% ，因此各自光色不同的LED 路燈也就必然會由此失配造成一定的測量誤差。由于f1描述的是探頭的最大誤差，并非在所有波長范圍內(nèi)都是這一數(shù)值，最后光度測量的總誤差一般應(yīng)小于此值。
設(shè)在某一波長，探頭的V (λ) 失匹配誤差為f1(λ) ，造成的光度測量的總誤差為:
?φ (λ) 為被測光源在波長λ 處的光強度，由于白光LED 的發(fā)射譜主要集中于黃綠色和藍色兩個主要波段，其中$光對光通量的影響最大，因此探頭在這一波長范圍的失配誤差就對LED 光度測量的精度尤為重要。
另外，光電探頭的溫度系數(shù)在此的影響是最不容忽略的，根據(jù)中國JJG245—2005 照度計量檢定規(guī)程，即使是采用標準級的探頭， 其溫度系數(shù)為0. 2% ，這也就意味著在時間跨度為2000 小時的測試期間，在環(huán)境溫度的變化為20℃ 的條件下，只此一項也會使LED 燈具的光通量測試產(chǎn)生4% 的誤差。
為系統(tǒng)研究照度計的溫度特性，我們分別對某公司生產(chǎn)一級品照度計的光探頭和整體照度計進行了溫度特性測試實驗，其結(jié)果分別為下圖5 中E1 和E2 兩條曲線。
圖5 相對照度隨溫度變化曲線
以20℃ 為起始溫度，圖5 中E1曲線顯示光度探測頭的溫度特性， 它包括V ( λ) 修正濾波器濾波器
凡是有能力進行信號處理的裝置都可以稱為濾波器。在近代電信裝備和各類控制系統(tǒng)中，濾波器應(yīng)用極為廣泛；在所有的電子部件中，使用最多，技術(shù)最復(fù)雜要算濾波器了。濾波器的優(yōu)劣直接決定產(chǎn)品的優(yōu)劣，所以，對濾波器的研究和生產(chǎn)歷來為各國所重視。
余弦校正玻璃、表頭電阻和硅光電池硅光電池
硅光電池是一個大面積的光電二極管，它設(shè)計用于把入射到它表面的光能轉(zhuǎn)化為電能，因此，可用作光電探測器和光電池，被廣泛用于太空和野外便攜式儀器等能源。硅光電池的原理是產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)的現(xiàn)象。
，這部分隨溫度的上升而輸出信號的下降速率為0. 062% K -1。E2曲線顯示了探測頭再加上照度計后面A /D 轉(zhuǎn)換電路、顯示電路部分在內(nèi)的整體照度計的溫度特性，整體照度計隨溫度使照度下降速率為0. 374% K -1 ，可以看出后面A /D 轉(zhuǎn)換和顯示部分的受溫度變化給照度值帶來影響更大。以本照度計進行測試，20℃ 的溫差時，帶來的測量誤差為7. 48%。
(4) 測試方法的影響
在實地測量，就必然會受到各類雜散光的影響，主要的雜散光包括:
?、俚缆飞宪囕v的光照;
?、谙噜徛窡舻墓廨椛?
③路邊其它光源的干擾;
?、苈窡艄庠丛谄渌矬w上反射光的干擾;
上述雜散光其實質(zhì)都是非穩(wěn)定的，如相鄰路燈的光輻射會隨路燈布置位置的不同，路燈光型分布的不同而變化; 當路邊的綠化植物、建筑物、廣告牌等物體遮擋或反射光輻射時，這種光的干擾也極不穩(wěn)定。
為了消除這類不穩(wěn)定雜散光的影響，在實地測試中可以使用一個輔助的隔離筒，如圖6 所示。
圖6 用于消除雜散光影響的隔離筒簡圖
隔離筒內(nèi)部涂吸收光涂層，可以有效地隔離外界的干擾光，從而保證有效地接受正上方的被測路燈的光輻射。圖中d 為照度計測光表面直徑，H 為路燈的高度，D 為隔離筒光闌孔徑，從隔離外界干擾來看，D 的尺寸應(yīng)當盡量接近d 的大小， 由于LED 路燈目前大都是有多顆LED 模塊陣列組成，其等效發(fā)光面的尺度不容忽視，隔離筒的構(gòu)造就需保證能有效地接受路燈發(fā)光面上所有LED 模塊的光線，即:
(5) 環(huán)境污染的影響
室外LED 燈具必然會受到落塵堆積、膠質(zhì)懸浮物等雜質(zhì)的污染，這一污染在燈具的透光面出現(xiàn)時將會直接導(dǎo)致燈具光效的下降，而且這一影響的程度也會隨路燈安裝的地點、在路面使用的時間以及路燈表面的處理情況不同而變化。
為了測試路燈表面污染對光度測試的影響，我們對正常道路上的LED 路燈進行了定點照度隨時間變化的測試，圖7 ( a) 顯示了在同一條道路上的10盞路燈在表面不清洗的情況下的測試結(jié)果，而在圖7 ( b) 中則顯示了最后一次測量進行了燈具出光面清洗后的結(jié)果。兩者有著明顯的差距，從表2 可見，在4500小時的路面運行后，路燈因表面污染引起的照度測試誤差平均達－ 7%。
表2 表面污染引起的測試誤差
圖7
上述結(jié)果是對出光面為平面結(jié)構(gòu)的LED 路燈而作的測試所得，對于一些出光面兼做二次光學(xué)透鏡表面從而具有凹凸結(jié)構(gòu)的LED 路燈，這一影響會更嚴重并會進一步影響光型分布。特別是用在交通量較大的公路和隧道照明場合，燈具表面往往會被油污嚴重污染，采用目前傳統(tǒng)對隧道燈具的清洗方法就很難對這些具有凹凸結(jié)構(gòu)的LED 路燈出光面進行有效的清洗。
3 總結(jié)
由上述實驗分析可知，對LED 路燈整燈光參數(shù)的實地長程測量，將受到很多外在因素的影響，其中溫度的影響最不容忽視。當溫度升高1℃ 時，由驅(qū)動電源、LED 光源、照度計引入的測量誤差分別為－ 0. 0735% ， － 0. 25% ， － 0. 374% ，當溫度升高20℃時，上述各項誤差引起的總測量誤差將達到－13. 95%。而路燈因表面污染引起的照度測試誤差也相當嚴重，在城市主干道的應(yīng)用環(huán)境下，4500 小時的路面運行后表面污染引起的測試照度下降值平均也達－ 7% 左右。再看圖1，不同廠家室內(nèi)和室外測試的數(shù)據(jù)相差5% ～ 15% 也就不難解釋了。當然我們數(shù)據(jù)只是研究某一種電源、光源和照度計，不同的電源，不同的LED 光源，不同的照度計受溫度的影響不同。
從上述研究結(jié)論可知，要準確地在時間跨度較大的長程測量中獲取LED 路燈整燈的光電參數(shù)，就必須盡可能地排除各類非LED 光源自身造成的影響因素，尤其是在戶外實地測試中，各類外界的影響也更嚴重。通過清潔燈具、規(guī)范測試方法可以減少由于或消除因環(huán)境污染和測試方法帶來的誤差。但LED 路燈系統(tǒng)中的開關(guān)電源、LED 光源和測量用照度計受溫度影響較大。如要測試光衰小于3% ，則測量精度最基本也應(yīng)優(yōu)于1% ，如此就需選用標準級的測試儀器; 溫度的影響必須進行控制( 測試時間跨度內(nèi)環(huán)境溫度的變化ΔT < 3℃) 或給予必要補償; 光的采集須避開各類雜散光的干擾; 同時必須考慮燈具表面污染對測試的嚴重影響。
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