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技術取得突飛猛進的發(fā)展，相關LED 二次光學設計技術的日臻成熟，采用半導體光源替換現(xiàn)有城市道路照明光源已經(jīng)成為半導體照明領域的一大趨勢，日益受到人們的關注。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)品的性能和質量。從目前LED 路燈產(chǎn)品技術發(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，如電源驅動的特性、光學元件的耐候性、整燈結構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:
①LED 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;
?、谌粢詫嶒炇覝y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，電源電壓應穩(wěn)定在額定值的± 0. 5% 的范圍內(nèi); 測量時，電源電壓應穩(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穩(wěn)定在± 2% 以內(nèi)。
在LED 驅動方面，通常使用恒流驅動，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計和有著較多使用經(jīng)驗的電源生產(chǎn)廠家的LED 驅動器，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。[!--empirenews.page--]
實驗室對某公司75WLED 開關開關
開關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。在各種電子設備、家用電器中都可以見到開關。
電源進行測試表明，開關電源開關電源
開關電源1是利用現(xiàn)代電力電子技術，控制開關管開通和關斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開關電源一般由脈沖寬度調制（PWM）控制IC和MOSFET構成。開關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，反而高于開關電源，這一點稱為成本反轉點。隨著電力電子技術的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開關電源技術也在不斷地創(chuàng)新，這一成本反轉點日益向低輸出電力端移動，這為開關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 開關電源輸出電流的變化。
圖3 LED 開關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果。從圖3 可以看出，LED 開關電源與環(huán)境溫度變化的關系為I-1·dI·dT = － 0. 0736% /K，即溫度上升時開關電源輸出電流以每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。通常從半導體器件的溫度特性可以得到發(fā)光強度與溫度的關系:
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$熒光粉的白光LED 器件，由于器件的性能還受熒光粉、填充膠等材料的影響，其溫度特性就會偏離上述理論公式。在一般情況下，白光的光輸出變化隨溫度的變化的關系大致為?φ -1dφ / dT = － 0. 2 % K -1 ，也即是說光通量的輸出隨溫度的升高以每10 度2% 的速率下降。然而對于不同的芯片以及不同的封裝工藝與材料，上述參數(shù)也會發(fā)生變化。[!--empirenews.page--]
實驗中對國內(nèi)外2 種不同的LED 器件進行了輸出光通量與結溫關系的測試，結果如圖4 所示。
圖4 不同白光LED 件的光輸出與結溫的關系
對于樣品A，其白光的光輸出變化隨溫度的變化的關系為φ-1 dφ / dT = － 0. 22% K -1 ;對于樣品B， 上式變?yōu)?phi; -1 dφ/ dT = － 0. 30%K -1，也即溫度每升高10 度光通量下降3%。
因此在測量期間如溫差超過20℃，會使LED 燈具的光通量測試產(chǎn)生5% 左右量級的誤差。
由此可見在進行耗時較長的光衰測試時，必須將溫度的影響考慮在內(nèi)，并根據(jù)實測的溫度進行相應的修正。反之，若是在夏天開始測試，而在冬天結束，則衰減會大大減小，甚至會出現(xiàn)光輸出的增加。
(3) 測試設備的影響
目前所用路面測試設備，通常都為照度計或亮度計，這些儀器的探頭是決定光參數(shù)測試準確度的核心，一般的光敏元件( 如硅光電池電池
電池是一種能量轉化與儲存的裝置，它通過反映將化學能或者物理能轉化為電能。電池即一種化學電源，它由兩種不同成分的電化學活性電極分別組成正負兩極浸泡再能提供媒體傳導作用的電解質中，當連接在某一外部載體上時，通過轉換其內(nèi)部的化學能來提供電能。 [!--empirenews.page--]
、光敏電阻電阻
電阻，物質對電流的阻礙作用就叫該物質的電阻。電阻小的物質稱為電導體，簡稱導體。電阻大的物質稱為電絕緣體，簡稱絕緣體。
等) 都有其固有的相對光譜靈敏度曲線，而理想的光譜靈敏度曲線應該是與CIE 1931 人眼的光視光效函數(shù)即V (λ) 曲線完全吻合， 只有如此才可能實現(xiàn)精確的光度學測量。但一般光敏器件光譜靈敏度曲線與CIE 1931 V ( λ) 曲線相差很大，因而需要加上一系列的濾色片來進行校準，由此也就產(chǎn)生了光譜響應誤差f1。
根據(jù)CIE 69—1987 和中國JJG245—2005 照度計量檢定規(guī)程，不同等級的光度探頭/ 光度計的分級技術指標要求見表1。
表1 光度計分級一覽表
對于一般企業(yè)的測試設備，大都為一級精度，其V (λ) 失匹配誤差f1達6% ，因此各自光色不同的LED 路燈也就必然會由此失配造成一定的測量誤差。由于f1描述的是探頭的最大誤差，并非在所有波長范圍內(nèi)都是這一數(shù)值，最后光度測量的總誤差一般應小于此值。
設在某一波長，探頭的V (λ) 失匹配誤差為f1(λ) ，造成的光度測量的總誤差為:
?φ (λ) 為被測光源在波長λ 處的光強度，由于白光LED 的發(fā)射譜主要集中于黃綠色和藍色兩個主要波段，其中$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，濾波器應用極為廣泛；在所有的電子部件中，使用最多，技術最復雜要算濾波器了。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，它設計用于把入射到它表面的光能轉化為電能，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。[!--empirenews.page--]
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、膠質懸浮物等雜質的污染，這一污染在燈具的透光面出現(xiàn)時將會直接導致燈具光效的下降，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
上述結果是對出光面為平面結構的LED 路燈而作的測試所得，對于一些出光面兼做二次光學透鏡表面從而具有凹凸結構的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構的LED 路燈出光面進行有效的清洗。
3 總結
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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