LED路燈特性長程測試中的誤差分析

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(jià)格比高等特點(diǎn)，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(shí)間工作。

高效、長壽、綠色環(huán)保的特點(diǎn)被人們所認(rèn)識(shí)和重視， 同時(shí)隨著近10 年來LED技術(shù)取得突飛猛進(jìn)的發(fā)展，相關(guān)LED 二次光學(xué)設(shè)計(jì)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(gè)統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和測量標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定一些強(qiáng)制性的性能指標(biāo)，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(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。

　　LED 路燈作為一個(gè)系統(tǒng)，影響上述性能的因素較多，如電源驅(qū)動(dòng)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(huì)嚴(yán)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(jìn)行整燈的老化測試以取得符合系統(tǒng)實(shí)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(jìn)行現(xiàn)場的長程測試，時(shí)間跨度往往需要數(shù)千小時(shí)，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(huì)與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)驗(yàn)室環(huán)境下測試的光衰值;

　?、谌粢詫?shí)驗(yàn)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(jí)與LED 路燈相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范指標(biāo)中，都對LED 路燈的光衰做了嚴(yán)格的要求，基本都要求連續(xù)點(diǎn)亮3000 小時(shí)后，路燈光衰不高于2% ;要達(dá)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(jìn)行分析并作適當(dāng)?shù)难a(bǔ)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(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)監(jiān)測LED 路燈的外殼溫升。每隔100 ～ 300 小時(shí)記錄一定距離下LED 路燈燈下點(diǎn)的照度，直至測量到6000 小時(shí)。如到6000 小時(shí)仍未達(dá)到LED 路燈壽命，則可用燈下點(diǎn)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(jì)算中，以LED 路燈在1000 小時(shí)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(shí)間為期望壽命。

　　由此可見， 對LED 路燈要進(jìn)行光衰與壽命測試，時(shí)間跨度都在3 個(gè)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(jìn)行測試，如圖2 所示。

圖2 路燈測試示意圖

　　由此也就必然會(huì)遇到測試準(zhǔn)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(shí)，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(yàn)的電源電壓應(yīng)穩(wěn)定在± 2% 以內(nèi)。

　　在LED 驅(qū)動(dòng)方面，通常使用恒流驅(qū)動(dòng)，電流的波動(dòng)就直接影響了LED 的發(fā)光通量，為了驗(yàn)證實(shí)際產(chǎn)品的性能，考察了2 家在LED 路燈電源方面進(jìn)行了專門設(shè)計(jì)和有著較多使用經(jīng)驗(yàn)的電源生產(chǎn)廠家的LED 驅(qū)動(dòng)器，其電流控制精度分別為± 2% 和3%。

　　然而這只是標(biāo)明的穩(wěn)態(tài)狀況，在此我們更應(yīng)注意幾個(gè)參數(shù): 穩(wěn)定電流隨外加電壓變化的波動(dòng)、隨運(yùn)行時(shí)間的慢性漂移以及隨外界溫度變化的穩(wěn)定性。[!--empirenews.page--]

　　實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(shí)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(diǎn)上，反而高于開關(guān)電源，這一點(diǎn)稱為成本反轉(zhuǎn)點(diǎn)。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(diǎn)日益向低輸出電力端移動(dòng)，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(dá)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(shí)的老化后，電源輸出電流穩(wěn)定精度達(dá)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(shí)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(jì)) ，這種溫度的變化會(huì)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(shí)際使用的LED 路燈電源的溫度特性進(jìn)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(shí)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(dāng)溫度變化20℃ 時(shí)，電流的輸出就會(huì)下降1. 47% ，下降的電流會(huì)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(gè)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(qiáng)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(lán)光LED 器件， 其特征溫度T1 =1600K。

　　對于藍(lán)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(huì)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(huì)發(fā)生變化。[!--empirenews.page--]

　　實(shí)驗(yàn)中對國內(nèi)外2 種不同的LED 器件進(jìn)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(huì)使LED 燈具的光通量測試產(chǎn)生5% 左右量級(jí)的誤差。

　　由此可見在進(jìn)行耗時(shí)較長的光衰測試時(shí)，必須將溫度的影響考慮在內(nèi)，并根據(jù)實(shí)測的溫度進(jìn)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(huì)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(jì)或亮度計(jì)，這些儀器的探頭是決定光參數(shù)測試準(zhǔn)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(chǔ)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(fù)兩極浸泡再能提供媒體傳導(dǎo)作用的電解質(zhì)中，當(dāng)連接在某一外部載體上時(shí)，通過轉(zhuǎn)換其內(nèi)部的化學(xué)能來提供電能。 [!--empirenews.page--]

、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(shí)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(jìn)行校準(zhǔn)，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(jì)量檢定規(guī)程，不同等級(jí)的光度探頭/ 光度計(jì)的分級(jí)技術(shù)指標(biāo)要求見表1。

表1 光度計(jì)分級(jí)一覽表

　　對于一般企業(yè)的測試設(shè)備，大都為一級(jí)精度，其V (λ) 失匹配誤差f1達(dá)6% ，因此各自光色不同的LED 路燈也就必然會(huì)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(qiáng)度，由于白光LED 的發(fā)射譜主要集中于黃綠色和藍(lán)色兩個(gè)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(jì)量檢定規(guī)程，即使是采用標(biāo)準(zhǔn)級(jí)的探頭， 其溫度系數(shù)為0. 2% ，這也就意味著在時(shí)間跨度為2000 小時(shí)的測試期間，在環(huán)境溫度的變化為20℃ 的條件下，只此一項(xiàng)也會(huì)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(jì)的溫度特性，我們分別對某公司生產(chǎn)一級(jí)品照度計(jì)的光探頭和整體照度計(jì)進(jìn)行了溫度特性測試實(shí)驗(yàn)，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(jìn)行信號(hào)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(gè)大面積的光電二極管，它設(shè)計(jì)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(hào)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(jì)后面A /D 轉(zhuǎn)換電路、顯示電路部分在內(nèi)的整體照度計(jì)的溫度特性，整體照度計(jì)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(jì)進(jìn)行測試，20℃ 的溫差時(shí)，帶來的測量誤差為7. 48%。

　　(4) 測試方法的影響

　　在實(shí)地測量，就必然會(huì)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?

　?、勐愤吰渌庠吹母蓴_;

　?、苈窡艄庠丛谄渌矬w上反射光的干擾;

　　上述雜散光其實(shí)質(zhì)都是非穩(wěn)定的，如相鄰路燈的光輻射會(huì)隨路燈布置位置的不同，路燈光型分布的不同而變化; 當(dāng)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(shí)，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(shí)地測試中可以使用一個(gè)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(jì)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(dāng)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(huì)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(shí)將會(huì)直接導(dǎo)致燈具光效的下降，而且這一影響的程度也會(huì)隨路燈安裝的地點(diǎn)、在路面使用的時(shí)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(jìn)行了定點(diǎn)照度隨時(shí)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(jìn)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(shí)的路面運(yùn)行后，路燈因表面污染引起的照度測試誤差平均達(dá)－ 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(huì)更嚴(yán)重并會(huì)進(jìn)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(huì)被油污嚴(yán)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(jìn)行有效的清洗。

　　3 總結(jié)

　　由上述實(shí)驗(yàn)分析可知，對LED 路燈整燈光參數(shù)的實(shí)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(dāng)溫度升高1℃ 時(shí)，由驅(qū)動(dòng)電源、LED 光源、照度計(jì)引入的測量誤差分別為－ 0. 0735% ， － 0. 25% ， － 0. 374% ，當(dāng)溫度升高20℃時(shí)，上述各項(xiàng)誤差引起的總測量誤差將達(dá)到－13. 95%。而路燈因表面污染引起的照度測試誤差也相當(dāng)嚴(yán)重，在城市主干道的應(yīng)用環(huán)境下，4500 小時(shí)的路面運(yùn)行后表面污染引起的測試照度下降值平均也達(dá)－ 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(dāng)然我們數(shù)據(jù)只是研究某一種電源、光源和照度計(jì)，不同的電源，不同的LED 光源，不同的照度計(jì)受溫度的影響不同。

　　從上述研究結(jié)論可知，要準(zhǔn)確地在時(shí)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(shí)地測試中，各類外界的影響也更嚴(yán)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(jì)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(biāo)準(zhǔn)級(jí)的測試儀器; 溫度的影響必須進(jìn)行控制( 測試時(shí)間跨度內(nèi)環(huán)境溫度的變化ΔT < 3℃) 或給予必要補(bǔ)償; 光的采集須避開各類雜散光的干擾; 同時(shí)必須考慮燈具表面污染對測試的嚴(yán)重影響。