LED燈具檢測及改善

文章介紹了通過(guò)Vf-TJ 曲線(xiàn)的標出并控制LED 在控定的結溫下測量其光、色、電參數不僅對采用LED的照明器具的如何保證LED 工作結溫提供了目標限位，同時(shí)也使LED 及其模塊的光、色、電參數的測量參數更接近于實(shí)際的應用條件。文章還介紹了采用LED的照明器具如測量LED 的結溫并確定LED 參考點(diǎn)的限值溫度與結溫的函數關(guān)系。這對快速評估采用LED 的照明器具的工作狀態(tài)和使用壽命提供了一個(gè)有效的途徑。

一、 序言

對于一個(gè)新興的產(chǎn)品，其產(chǎn)品自身的發(fā)展總是先于產(chǎn)品標準和檢測方法。雖然產(chǎn)品的標準和檢測方法不可能先于產(chǎn)品的研發(fā)，但是，產(chǎn)品的標準和檢測方法應盡可能地緊跟產(chǎn)品設計開(kāi)發(fā)的進(jìn)度，因為產(chǎn)品的標準和檢測方法的制定過(guò)程本身就是對產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程的回顧研討和小結，只要條件基本成熟，產(chǎn)品標準和檢測方法的制訂越及時(shí)，就越能減少產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程的盲目性。LED 照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展到現在，我們對LED 照明產(chǎn)品標準和檢測方法的回顧、小結的時(shí)候已經(jīng)基本到來(lái)。

二、 LED 模塊的光電參數和檢測方法的現狀和改進(jìn)方法

1、傳統的LED 模塊的檢測方法

目前傳統的 LED 模塊的檢測方法主要有兩種，第一種是采用脈沖測量的方法，它是把照明LED 模塊固定在測量裝置上(例如積分球的測量位置等)，采用脈沖恒流電源與瞬時(shí)測量光譜儀的同步聯(lián)動(dòng)，即對LED 發(fā)出數十毫秒～數佰毫秒恒流的脈沖電流的同時(shí)，同步打開(kāi)瞬時(shí)測量光譜儀器的快門(mén)，對LED 發(fā)出的光參數(光通量、光色參數等)進(jìn)行快速檢測，同時(shí)，也同步采集LED 的正向壓降和功率等參數。由于這種方式在檢測過(guò)程中，LED 的結溫幾乎等同于室溫，所以，測量結果的光效高，光色和電參數與實(shí)際使用情況有明顯差異，這一般都是LED 芯片(器件)生產(chǎn)商采用的快速檢測方法，而與LED 實(shí)際應用在最終照明器具中的狀態(tài)不具有可參比性。

第二種檢測方法是把LED模塊安裝在檢測裝置上后，可能帶上一固定的散熱器(也可能具有基座控溫功能)，給LED施加其聲稱(chēng)的工作電流，受傳統的照明光源檢測方法的影響，也是等到LED達到熱平衡后再開(kāi)始測量它的光電參數。這種方法看似比較嚴密，但實(shí)際上，它的熱平衡條件和工作條件與此類(lèi)LED裝入最終的照明器具中的狀態(tài)仍沒(méi)有好的關(guān)聯(lián)性，因此所測的光電參數與今后實(shí)際的應用狀態(tài)的參數仍不具有可參比性。已經(jīng)頒布的GB/T24824-2009/CIE 127-2007NEQ《普通照明用LED模塊的基本性能的測量方法》標準中，在這方面是這樣規定的：’試驗或測量時(shí)LED模塊應工作在熱平衡狀態(tài)下，在監視環(huán)境溫度的同時(shí)，最好能監視LED模塊自身的工作溫度，以保證試驗的可復現性。如可能監測LED模塊結電壓，則應首選監測結電壓。否則，應監測LED模塊指定溫度測量點(diǎn)的溫度’?？梢?jiàn)在監測結電壓的條件下來(lái)測量LED 模塊的光電參數是保證檢測重現性的首選方案，但是，標準中沒(méi)有指明在模擬實(shí)際使用結溫條件下檢測LED 模塊的光、色、電參數。

2、LED 模塊測量方法的改進(jìn)

眾所周知，LED 的光、電參數特性與它的工作時(shí)的結溫密切相關(guān)，同一個(gè)LED 產(chǎn)品，結溫的不會(huì )造成這些參數的明顯不同，這也造成了同一個(gè)LED 光、色、電參數測量結果的明顯不一致性，所以測量LED 的光電參數首先應考慮在設定的工作結溫的條件下來(lái)進(jìn)行。另外，LED 因為封裝的工藝、材料等差異，其聲稱(chēng)的最高工作結溫是明顯不同的，為了保證LED 照明產(chǎn)品具有高效、長(cháng)壽的特點(diǎn)，LED 實(shí)際的工作結溫應明顯低于最高工作結溫。例如，目前我們大量采用的LED 封裝方法和技術(shù)，在LED 的發(fā)光面前，都具有高分子硅膠加熒光粉的覆蓋層。實(shí)踐證明，要使此類(lèi)LED 照明器具，到70%的光通維持率的時(shí)間要≥6 萬(wàn)小時(shí)，其工作結溫必須保持在70℃～75℃以下。從提高光效和使用壽命的角度來(lái)講，LED 的工作結溫能保持在60℃以下更好，但從照明器具的造型、體積、性?xún)r(jià)比來(lái)講，則應該控制在能達到預期的光效和使用壽命的基礎上把LED的最高工作結溫控制在70℃～75℃最為合適。為了使LED 及其模塊的光、色、電參數的檢測也盡可能接近于實(shí)際應用的結溫狀態(tài)，就必須解決如何測量LED的結溫并能在這一結溫下進(jìn)行光、色、電參數的檢測問(wèn)題。

(1)目前LED 的結溫測量方法大概有

1)通過(guò)測量管腳溫度和芯片耗散功率和熱阻系數求得結溫。但是因為耗散功率和熱阻系數的不準確，所以測量精度比較低。

2)紅外熱成像法，利用紅外非接觸溫度儀直接測量LED 芯片的溫度，但要求被測器件處于未封裝的狀態(tài)，另外對LED 封裝材料折射率有特殊要求，否則無(wú)法準確測量，測量精度比較低。

3)利用發(fā)光光譜峰位移測定結溫，也是一種非接觸的測量方法，直接從發(fā)光光譜確定禁帶寬度移動(dòng)技術(shù)來(lái)測量結溫，這一方法對光譜測試儀器分辨精度要求較高，發(fā)光峰位的精度測定難度較大，而光譜峰位移1 納米的誤差變化就對應著(zhù)測量結溫約30 度的變化，所以測量精度和重復性都比較低。

4)向列型液晶熱成像技術(shù)，對儀器分辨率要求高，只能測量未封裝的單個(gè)裸芯片，不能測量封裝后的LED。

5)利用二極管 PN 結電壓與結溫的Vf-TJ 關(guān)系曲線(xiàn)，來(lái)測量LED 的結溫。

從上述介紹的各種 LED 結溫的測量方法可看出，采用監視二極管PN 結電壓的變化來(lái)推算結溫的方法最具有可行性并且測量精度也最高，所以在很多集成IC 電路中，為了檢測IC 芯片的工作結溫，往往會(huì )刻出或值入1 個(gè)或幾個(gè)二極管，通過(guò)測量其正向電壓降的變化來(lái)達到測量芯片結溫的目的。

(2)目前國際上較先進(jìn)的Vf-TJ 測量方法

目前國際上先進(jìn)的 Vf-TJ 測量方法是把被測的LED 連上引出線(xiàn)放入在硅油缸內，隨后加熱硅油缸使硅油的溫度達到140℃左右，隨后讓缸內硅油自然冷卻，只要冷卻時(shí)硅油溫度下降的速度足夠慢，就可以認為L(cháng)ED 的結溫與LED 的熱沉的溫度是基本一致的，在此過(guò)程中，根據所測的硅油溫度，每下降2℃～10℃時(shí)瞬時(shí)給LED 輸入規定的電流脈沖，并測量其在這一溫度下的正向電壓降，把這一測量點(diǎn)的溫度和正向電壓降導入到電腦軟件的數據庫，從140℃左右開(kāi)始，隨溫度的下降，每下降一個(gè)設定的等分溫度測量一次熱沉溫度和正向電壓降，一直測量到25℃左右，當完成這一組測量數據并導入到電腦軟件的數據庫后，由軟件產(chǎn)生一個(gè)Vf-TJ 曲線(xiàn)。這一方法屬于在溫度下降時(shí)測量方法，對于測量來(lái)說(shuō)是可行的，但是因為試驗室的環(huán)境溫度是衡定的(一般為25℃)，而硅油缸的油溫是從高到低下降的，這就造成當硅油缸的油溫較高時(shí)，因為與試驗室環(huán)境溫度的溫差大而使冷卻速度較快，為了保證測量的準確性采用了適當的措施使硅油缸在溫度較高時(shí)溫度下降不致于太快，但當硅油缸溫度較低時(shí)，因為與室溫的溫差太小而使冷卻的速度太慢，這大大延長(cháng)了這一檢測過(guò)程的測量時(shí)間。因為上述原因，這一溫度下降時(shí)的測量方法在標定Vf-TJ 過(guò)程是不可能短的，(大約需4～5 小時(shí))，否則將產(chǎn)生明顯的測量誤差。另外，這種檢測裝置油缸是固定的，要測量第二組，時(shí)間很慢。還有上述加熱裝置是在硅油缸外面的底部，加熱與控溫以及測量的溫度都存在明顯的滯后，這也造成這一方法測量結溫的準確性比較差。