LED照明检测问题及其平台建设刍议
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作者: 任 豪
伴随着LED技术和半导体照明产业的快速发展,LED标准体系的建立和检测技术服务平台的建设工作也越来越迫切。LED作为一种新型光源应用在照明领域,其结构、特性、应用等,与白炽灯、荧光灯等传统光源相比,均存在很大差别。加之LED及LED应用产品的多样性、多变性、创新性,相关技术的突破发展和新产品的不断涌现,造成目前LED标准、检测、评估等工作的相对滞后,成为影响LED半导体照明产业发展的瓶颈。
LED半导体照明存在的测试问题
与传统光源(白炽灯、荧光灯)相同,LED灯具产品也需要对其电学参数、光度参数、色度参数、热学参数、老化特性、可靠性、安全性等进行测试分析来表征。但由于LED灯具独特的发光特性,单个LED具有点光源特性,当多个LED集成组成光源和灯具产品,多样的结构组合产生更加复杂得光源特性。同时,由于LED灯具独特的整体特性和复杂应用的现场环境,其LED光源模组、散热机构和驱动电源等组成部分紧密结合,而且不同的LED应用产品的光源分布和配光结构也不相同,加上LED灯具广泛的应用领域和特异性功能及功能组合。因此不能简单套用传统光源的原有标准。但由于目前主要还是借鉴传统光源的测试方法和技术,使LED半导体照明测试方面出现越来越多的问题。
举例说明:
1)光强测试:目前LED光强测试主要依据CIE127 Measurement of LEDs。对于平均光强度推荐了两种测量几何条件,对于LED顶端和探测器的距离分别是316mm和100mm。但对于高亮度的大功率LED,测量距离r在100mm与316mm之间实测的光强是不一致的。一些专家提出建议取消近场测量或延长测试距离。另外,还需要特别注意测试的方向性、温度环境等。
2)光通量测试:采用积分球是LED光通量的通用测试方法,但测试实践和研究报告说明,受到响应时间、环境温度、LED放置方向、LED灯具尺寸等因素的影响,LED光通量测试将出现较大偏差。例如对于LED路灯、隧道灯等大功率LED灯具,除了采用大尺寸(2米、3米)积分球本身所带来的误差,灯具表面温度、灯具外壳光扰等将进一步影响测试结果,即使侧面安装方式也因为灯具外形的不统一而难以实际性采用。虽然目前开始采用分布式光度计进行总光通量的测试计算,但定标方面存在困难,两种方法对比测试结果仍有不同程度的差距。
3)结温测试:由于LED 结温高低直接影响到LED 出光效率、器件寿命、可靠性、发射波长等。因此对结温、热阻等热学参数的进行快速准确的测试是非常必要的。目前主要的测试方法有红外热像仪法、电学参数法、光谱法等。但还没有制定统一的测试标准。
4)光效测试:光效是LED应用产品节能效果的重要评价指标之一,而LED作用半导体固态照明元件,受温度等条件的影响非常明显,目前相关标准对LED应用产品光效测试的初始条件或老化稳定条件要求并不统一,而且对环境温度、工作温度等相关参数要求也不明确,因此可比性差,理想值与实际值也存在较大差距。同样的原因直接影响着能效的测试,也直接关系到合同能源管理(EMC)的有效实施。
5)寿命测试:LED具有长寿命的特点,光衰特性往往又是LED应用产品的重要评价指标之一,但是实际寿命测试过程中所需时间太长。因此需要一种加速老化进行寿命测试的方法,目前主要的加速手段包括电压加速老化、电流加速老化、温度加速老化等,但尚无法确定统一的测试规律。
相对于独立的LED芯片和模组,LED光源和灯具更加复杂和多样化,同时除了进行实验室检测,还需要对不同的LED应用产品进行生产过程中的自动连续测试和使用过程中的现场实时测试,因此面临一些更加突出的测试问题。
1)整体测试:与白炽灯、荧光灯等传统灯具相比,许多LED照明灯具例如LED矿灯、LED路灯等,其灯具的特性评价必须进行整体测试,而无法区分光源、灯壳、电源、散热等不同的部件进行部分测试。而光度参数、热学参数、电学参数等又是互相关联、互相影响的,增加了准确测试分析和评价评估的难度。
2)综合测试:对LED灯具的测试,包括光强、光通量、发光光谱、光强空间分布等光度参数,色温、色坐标等色度参数,以及电压、电流、温度等测试环境参数。目前LED灯具专用测试仪器性能相对单一,一般一台测试仪器只能完成其中的1-2项。由于待测LED灯具样品需要多次装卸,测试周期较长,降低了测试结果的准确性和可靠性,因此需要提高LED灯具综合特性的测试能力。
3)连续测试:对LED灯具的可靠性、稳定性测试,往往需要进行一定周期内的定时多次测试,以获得光强-时间特性曲线、光通量-时间特性曲线、色度-时间特性曲线、温度-时间特性曲线等来对可靠性、稳定性进行综合测试分析,由于具有测试周期长、测试频率高的要求,因此需要增加自动化的连续测试手段。
4)现场测试:对于LED显示屏、LED路灯等户外使用的LED应用产品,仅仅进行实验室理想环境下的测试,对产品质量的评价是不够的。必须增加实际工作环境中的现场实时测试,而现场测试由往往受到使用环境的限制。因此必须研究针对性的现场测试手段,开发实用的现场测试仪器,并制定可行的现场测试流程和照明工程验收规范。
如上所述,随着LED半导体照明的技术进步和产业发展,测试问题也越来越突出。因此在政府推动LED产业发展规划中,研究LED的测试技术,确定LED的测试方法,制订LED的标准规范,建立LED检测服务平台等均是重要内容。
LED半导体照明检测服务平台建设
“广州半导体照明检测技术服务中心”是广州市批准建立的首家LED半导体照明专业检测单位。针对LED测试技术难题,研究院从2003年开始,重点进行LED半导体照明测试技术的研究工作。近来来承担和完成LED测试直接相关的科技计划项目近10项,包括2009年广东省科技计划项目《LED路灯道路照明现场检测装置的研究》,2010年广东省重大科技专项《广州市广东省绿色照明示范城市 》等。通过这些研究工作,总结和掌握了较为完整的LED测试方法,对目前LED和LED灯具所存在的测试问题也有较为清晰的认识,并通过针对性地研发工作,在LED测试方法和测试仪器等方面取得了较好的研究成果。
目前,正在针对LED路灯的测试问题,研究LED路灯实验室测试和现场测试的关键技术,建立LED路灯现场测试环境,采用计算机控制、网络通信和多传感器集成,自主开发LED路灯道路照明现场检测装置。同时基于测试和相关研究成果,积极组织和参与LED地方标准、测试标准的制订,加快LED半导体照明产品及其量值的统一化、标准化工作,协助建立地方LED标准体系。
中心同时依托研究院与香港科技园公司穗港合作共建的LED交互检测服务平台,该平台致力于整合穗港两地科研院所和质检单位的LED测试设备和资源,提供符合LED国际测试标准的测试条件和环境。采用可授权的交互测试方式,开展LED半导体照明检测和检测技术服务。通过“广州半导体照明检测技术服务中心”,负责在广东省内其它地区统一承接和安排LED检测服务业务。根据测试需求,部分测试项目由香港科技园公司建立的固体照明测试平台承担。广州市科技和信息化局对赴港LED交互测试给与政策指导和优惠措施,在香港科技园公司减30%测试费的基础上再给50%的测试费补助。创新性的建立一种穗港两地合作共建科技基础平台,利用两地资源优势共享开放,构建区域支撑检测服务体系,联合统一开展检测服务的合作新模式。
中心作为LED半导体照明的专业检测技术公共服务平台,将充分发挥其公共服务作用,面向政府管理、科学研究、产品开发、生产管理、质量控制、市场营销、最终应用等半导体照明技术应用的所有环节,为政府管理部门、高校和科研机构、公司企业、用户单位和个人等提供全面的检测、评估服务和技术支撑。保障地区LED绿色照明示范工程和应用推广、广州亚运会亮化工程等地区半导体照明重点工程的顺利进行,促进《广州市半导体照明产业发展规划》等地区发展规划的有效实施,推进广州市广东省绿色照明示范城市等专项实施和建设,促进LED半导体照明新兴产业的健康有序发展。
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