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LED 的特性及检测方法技术

2015/8/19 20:47:30      点击:

LED 被誉为是白炽灯,荧光灯后新一代光源。因其众多优点,如今在普通照明领域取 代传统光源的步伐已经越来越快。

LED 的发光机理和传统光源有着很大的差异,也就使得它 们的光,电,热等特性有着很大的不同,相应的检测方法也就有所不同。所以应尽快制订全 面适用的 LED 评估标准,并与应用相结合来促进产业规范化从而让我们能全面了解它们之间 的差异从而取长补短。

 发光二极管(LED--Light Emitting Diode)是利用半导体 p-n 结的电致发 光机理而发展起来的新一代光源。与传统光源相比具有体积小、寿命长、瞬时启 动和节能环保等优点。近年来随着制造技术的迅速发展,LED 尤其是白光 LED 已 经在各种照明环境特别是普通照明领域已经得到越来越广泛的应用,在不远的将 来很有可能取代荧光灯等传统光源在日常照明中占主导地位。而世界各国各组织 也在加紧制订相关标准,来合理有效的考核 LED 产品质量,并促进产业发展。 目前已有不少企业声称其生产的 LED 光效可达到 100 lm/W 以上,而传统光 源中仅有高压钠灯,金卤灯,高频荧光灯等少数几种光源能达到或超过这一水平。 专家更是预计,随着关键技术的突破,光效可超过 150 lm/W 甚至达到 200 lm/W, 这将大大超过现在所有的传统照明光源。 为了准确的衡量和比较 LED 的光效水平,光通量测量的准确性和可重复性就 显得至关重要。

目前测量照明光源包括 LED 的光通量主要采用分布光度计或积分 球。除了需要精确测量光通量的计量机构,对于大多数检测机构和企业来说,基 本采用积分球来测量光通量。传统测量方法是将被测光源放置于积分球中心的 4 π测量方法。对于 LED,因为其发光面基本在 2π立体角内,也可考虑采用将 LED 放置于积分球壁处的 2π测量方法。标定时标准光源通常采用光通量接近的白炽 灯或荧光灯,检测 LED 时则通常采用小型卤钨灯或白炽灯。当然采用和被测 LED 功率、尺寸,发光光束角都一致或比较接近的标准 LED 时,测量结果可重复性更 好且更简便,但目前市场中标准 LED 并不普及且价格较贵,所以也没有得到普遍 的应用。 

此外,LED 能瞬时启动,响应时间为纳秒级,白炽灯的响应时间为毫秒级, 气体放电光源由于其工作原理要达到稳定光辐射输出则需要更多时间。所以检测 中的预热时间通常要求白炽灯需 5 分钟,荧光灯需 15 分钟,高强度气体放电灯 需30 分钟。由于 LED 的瞬时启动特性,理论上几乎不需要预热时间即可测量。 但 LED 在工作时发热较大,温度较高,而随着温度的升高,光通量迅速下降,这 对准确检测 LED 的光通量提出了新课题。

目前比较主流的有两种看法,一是在施 加给 LED 电流并点亮 LED 后,瞬间采集信号,计算出光通量等光参数;二是让LED 取得热平衡后进行测量。两种方法各有利弊,前者能更好的考核 LED 所能达 到的性能及其技术参数,但实际应用中,我们所感受到的是 LED 在热平衡后带来 的照明效果;但后一个方法由于各个厂商生产的 LED 在发热量,散热方法和散热 材料等方面有较大差异,所以对不同功率不同尺寸的 LED 较难达成一个一致的热 平衡定义,而且实际操作较为复杂。 当 LED 应用于道路照明及其他特殊场合时,需要考虑到暗视觉及中间视觉下 与明视觉不同的光谱光视效率。根据正常人眼睛适应不同光亮度水平时的视觉可 分为明视觉,暗视觉和中间视觉。暗视觉及中间视觉相对明视觉而言在较短波长 处具有较高的光谱光视效率。对于常见的蓝光激发荧光粉并通过混光发出白光的 LED,下图为典型的相对光谱分布图: 在短波长处光谱功率更高,所以在暗视觉及中间视觉情况下光通量会比通常按明 视觉光谱光视效率计算的光通量稍高。 其他主要的测量参数对于白色 LED 而言,有正向电压,反向电流,半强度角, 相关色温,显色指数,瞬时过载能力,热阻,静电放电耐受能力和寿命等项目, 红色,蓝色等单色光 LED 还需测量主波长,峰值波长,纯度等项目。正向电压, 相关色温,显色指数等参数在测量光通量时均可同步测得。就相关色温而言,使 用荧光粉的白色 LED,通过改变荧光粉的化学组成和调节荧光粉层的厚度,可以 获得色温 3500-10000K 的各色白光,已可基本涵盖目前普通照明领域传统光源 2700-6500K 的范围。同时其显色指数也已经可以达到 Ra 80 以上,完全符合普 通照明的要求。此外瞬时过载能力、热阻、静电放电耐受能力和纯度等项目也是 LED 的特殊考核项目。其中热阻等项目是考核 LED 性能的关键参数,但迄今为止 还没有明确统一的标准出台。 现在出现了越来越多的自镇流 LED照明,正在起草相应的性能和安全要求。性 能要求方面测试要求和自镇流荧光灯基本一致,考核内容为灯功率,光通量,光 效,显色指数,色品容差,光通维持率和谐波等项目。对于反光杯式自镇流 LED 灯,参照反光杯式卤钨灯考核光强和光强维持率比较合理。安全要求方面也和自 镇流荧光灯比较接近,需要考核灯头互换性,弯矩,意外接触带电部件的防护, 绝缘电阻,介电强度,机械强度(抗扭矩),灯头温升,耐热性,防火与防燃, 异常状态等项目。从目前的自镇流荧光灯抽查情况看,安全要求合格率较高,类 似的自镇流 LED 灯应该也较容易达到这些安全要求。

 激光安全方面,在标准 GB 7247.1-2001 《激光产品安全 第 1 部分:

设备 分类、要求和用户指南》中提到,该标准中所指激光器包括了 LED,所以需 要进行相应考核。标准中将激光产品按照危害增大的顺序排列为 1 类、类、3A 类、3B 类及 4 类,其中 1 类:

在合理可预见的工作条件下是安全的激光器;类:发射波长为 400nm700nm 可见光的激光器,通常可由包括眨眼发射在内的 回避反应提供眼睛保护。通常情况下规格为 20mA  LED 中单色 LED 通常可达到 1 类要求,白色 LED 通常至少可达到 2 类要求,而在λ=470nm λ=490nm 处较 容易出现超过 1 类限值的情况,且超出幅度较大,例如在λ=470nm  1 类限值 为 AEL< 98.0 μW,而某些产品往往实测值可达 1mW。但由于波长 470nm  490nm 处附近光谱光视效率相对较小,所以在实际应用中对人眼的影响会相对偏小。

 尽管 LED 具有诸多优点,但仍存在成本较高、单颗功率较小(通常不超过 10W)以及如何有效散热等问题。相信随着基础研究的全面深入和科学技术的不 断发展,半导体照明即将进入高速成长周期。同时节能减排在中国乃至世界都已 经成为刻不容缓的重要议题,随着各国政府对产业的大力政策扶持以及各国企业 的大量人力物力的投入,半导体照明在各行各业的前景将无限广阔,普及应用推 广的进程将会大大超出我们的预想,走进千家万户就在不远的将来。

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