能力驗證比對用高穩(wěn)定性的LED球泡燈的設計和制作

韓京城 田 玲 陳 穎 李江山 裘繼紅 俞安琪

(1.中國合格評定國家認可委員會，北京 100062;2.上海時代之光照明電器檢測有限公司，國家電光源質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心 (上海)，國家燈具質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，上海 201114)

1 引言

鑒于LED照明產(chǎn)品如此快的發(fā)展勢頭，國內(nèi)已有較多照明電器檢測實驗室具有國家實驗室認可委認可的LED照明產(chǎn)品的檢測資質(zhì)。另有大量的檢測實驗室在準備申請這方面的檢測能力。但是LED照明產(chǎn)品的性能和能效檢測涉及很多專業(yè)技術(shù)，而國內(nèi)在這方面具有較深技術(shù)底蘊的實驗室并不多，開展國際公認的能力驗證比對是迅速提高此類實驗室能力并使這些實驗室檢測數(shù)據(jù)保持在合理的測量不確定度內(nèi)的最有效手段。但是，進行能力驗證比對首先需要高穩(wěn)定性 (重復測量光、色、電參數(shù)的變化應小于0.5%)的LED球泡燈，普通的LED球泡燈的參數(shù)的變化基本都大于3%，根本不能作為能力驗證比對用。鑒于上述情況，亟待對LED球泡燈的設計、元件選用和結(jié)構(gòu)進行改進。

2 能力驗證比對用高穩(wěn)定性的LED球泡燈的研制

要使LED球泡燈實現(xiàn)高穩(wěn)定性并且達到能力驗證比對用的要求，必須同時保證電路的穩(wěn)定性和LED發(fā)光器件的穩(wěn)定性，具體如下:

2.1 電路的不穩(wěn)定性及對策

對于LED球泡燈來說，要實現(xiàn)高穩(wěn)定性，其電路的穩(wěn)定性是首要的，電路的穩(wěn)定性不僅是保證了LED球泡燈電參數(shù)測量的穩(wěn)定性，而且是光參數(shù)穩(wěn)定的基礎。通過對商品化的LED球泡燈的分析可知，影響LED球泡燈電參數(shù)測量穩(wěn)定性及采取相應的對策主要有:

(1)商品化的LED球泡燈內(nèi)的濾波電容都采用電解電容，而電解電容的電容量是較不穩(wěn)定的，尤其是工作在較大的充、放電浪涌電流的場合并且使用溫度接近tc值時，其電容量的穩(wěn)定性和保持都是不能滿足高穩(wěn)定性的LED球泡燈的要求的。解決的方案是采用tc=135℃的CBB無極性電容，還采用了溫度變化為－10℃～80℃的10個周期的溫變老練，并剔除了不良品的合格電容。

(2)商品化的LED球泡燈內(nèi)衡流電源采用的高頻變壓器，因為其工作在高速開關(guān)狀態(tài)，當浪涌電流的峰值通過高頻變壓器時，高頻變壓器的鐵氧體磁芯往往都工作在局部時間磁通接近或達到飽和的狀態(tài)，所以也是不可能滿足高穩(wěn)定性的LED球泡燈的要求的。解決的方案是對功率為6W的LED球泡燈，所述鐵氧體磁芯的截面積為1.5 cm2～2cm2，比商品化的LED球泡燈內(nèi)的高頻變壓器鐵氧體磁芯的截面積擴大了1倍，還采用溫度變化為－10℃～120℃的10個周期的溫變老練，并剔除了不良品的鐵氧體磁芯。通過實際測量，其磁通飽和的現(xiàn)象基本消失，表現(xiàn)在因磁通飽和而造成的溫度上升現(xiàn)象也幾乎消失，鐵氧體工作溫度從原來的65℃左右下降的30℃左右。

(3)商品化的LED球泡燈內(nèi)衡流電源有較多的電阻，這些電阻功率小，看似不起眼，他們的金屬膜或碳膜電阻的涂膜厚度及刻制結(jié)構(gòu)及冷熱交替的工況，很容易使阻值變化，還有一些電阻因經(jīng)受長期的脈沖電流沖擊而造成阻值變化從而造成整燈輸出的變化。通過對各工作于脈沖狀態(tài)的電阻的實際測量，發(fā)現(xiàn)它們承受的瞬時功率值往往都是額定值的5～8倍，所以，對于此類電阻不僅都采用了比額定功率大10倍的功率裕量，而且還采用了溫度變化為－20℃～100℃的10個周期的快速溫變老練，并剔除了不良品的合格產(chǎn)品。以保證在較大脈沖電流下電阻值的變化量≤0.2%。從而保證了整燈的穩(wěn)定性。

2.2 LED發(fā)光器件的不穩(wěn)定性及對策

對于LED發(fā)光模組，國內(nèi)外有很多論文報道“LED的工作結(jié)溫是核心參數(shù)”(1)，通過試驗發(fā)現(xiàn)確實如此。LED的光效、色坐標、色溫、顯色指數(shù)的穩(wěn)定性都直接與LED的結(jié)溫直接相關(guān)。作為普通照明設備，其穩(wěn)定性要求并不高，但作為能力驗證的比對樣品，這種因LED結(jié)溫過高而造成的誤差是不能接受的。有效的方法是讓LED芯片承擔的功率下降，從而保證因LED結(jié)溫變化而引起的不穩(wěn)定影響下降到可接受范圍。目前普遍采用的藍光芯片上涂覆機硅膠摻有黃色和/或紅色熒光粉的方案，這一技術(shù)最大的薄弱點是有機硅膠和熒光粉這些怕高溫的東西直接貼在發(fā)熱源LED芯片上，LED芯片的結(jié)溫超標或者只是瞬時超標，都會造成有機硅膠和熒光粉不可逆轉(zhuǎn)的變性。要解決這一問題只有兩個途徑，一是把LED芯片承受的功率減小，使它的結(jié)溫大幅下降，使硅膠和熒光粉層受的溫度遠低于會產(chǎn)生變性的溫度。另一種方法是使熒光粉和硅膠層與LED芯片分離，LED芯片產(chǎn)生的溫度不直接傳導到熒光粉及硅膠層上。對于6W的LED球燈泡，采用前面的方案。通過試驗，當LED的工作點從通常的A點下降到B(見圖1)時，LED芯片的結(jié)溫下降到55℃ (美國能源之星里的最低溫度推薦值)，芯片溫度遠離了硅膠層的變性溫度，使LED球燈泡的光效、色溫、色坐標及顯色指數(shù)都接近了能力驗證比對樣品必須的穩(wěn)定度。

我國高職院校開設中外合作辦學基本始于2003年，從目前我國高職院校所開設的中外合作辦學現(xiàn)狀來看，盡管高職高專中外合作辦學項目數(shù)量很多，很多沿海城市甚至可以說是“遍地開花”，但從合作項目的質(zhì)量和效果來看，還基本處于淺層次的合作項目，再加上目前國家層面上還缺乏相應的可操作性的實施和指導意見，使得我國不少高職院校的中外合作辦學項目還主要處于“散兵游勇”式的狀態(tài)下，各地為了加快中外合作辦學項目或者考慮經(jīng)濟利益等，都在重復性地引進中外合作辦學項目，尤其較多地集中在金融、法律以及商務等專業(yè)領(lǐng)域上，高職高專中外合作辦學項目的數(shù)量呈現(xiàn)不斷上升趨勢，但在辦學的質(zhì)量上卻沒有實質(zhì)上的提升。

圖1 伏安特性曲線Fig.1 V－A Curve

2.3 整燈的老化工藝過程

通過上述的制造過程，LED球泡燈的參數(shù)穩(wěn)定性還不能完全達到將LED球泡燈能力驗證比對樣品的穩(wěn)定度要求，還需要進行如下的老化篩選。

對整燈進行100h老練后，進行參數(shù)測定，并記錄LED球泡燈的初始參數(shù);

將LED球泡燈進行10℃～95℃的交替溫變老練5個周期，進行參數(shù)測定，并記錄LED球泡燈的最終參數(shù);

將LED球泡燈的初始參數(shù)和最終參數(shù)進行比對，保留兩者參數(shù)偏差在2%以內(nèi)的LED球泡燈，其余的剔除。

注:a.這些對整燈的熱冷交替試驗，旨在考核LED芯片 (封裝)與散熱基板的膠合是否因為驟熱驟冷而有微小縫隙，從而影響LED芯片的散溫。

b.最高溫度取95℃是出于在老練時，燈的極端溫度可能是40℃，LED芯片自身的發(fā)熱 (結(jié)溫)本次產(chǎn)品可能達55℃，兩者疊加最不利條件是90℃。

3 樣品篩選、穩(wěn)定性處理及評價

比對樣品的一致性對實驗室間進行能力驗證比對至關(guān)重要。在實施能力驗證計劃時，組織方應確保能力驗證中出現(xiàn)的不滿意結(jié)果不歸咎于樣品之間或樣品本身的變異性。因此，對于能力驗證樣品的檢測性測量，必須進行穩(wěn)定性檢驗。

對于穩(wěn)定性檢驗的結(jié)果，可根據(jù)有關(guān)統(tǒng)計量表標明的顯著性或樣品變化是否滿足能力驗證計劃要求的不確定度進行判斷。

依據(jù)CNAS-GL03:2006能力驗證樣品均勻性和穩(wěn)定性評價指南對本次能力驗證的樣品進行了穩(wěn)定性評價。該評價指南有關(guān)t檢驗法的t值計算如下:

式中 x——n次測量的平均值;

μ——標準值/參考值;

n——測量次數(shù);

S——n次測量結(jié)果的標準偏差。注:為了保證平均值和標準偏差的準確度，應保證 n≥6。

若t＜顯著性水平α(通常α=0.05)，自由度為n－1的臨界值 (n－1)tα，則平均值與標準值/參考值之間可以認為無顯著性差異。

參與比對的6W樣品燈初始為10個，規(guī)格為A60。經(jīng)過400h老化后，使用兩米積分球測試，并BDP60標準燈定標。測量環(huán)境溫度是25℃±1℃，濕度≤65%。每次測試均在積分球外預熱50～55min，再在積分球內(nèi)預熱15min。測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 400h老煉后測試數(shù)據(jù)Table 1 Data after 400h ageing

再經(jīng)過300h老化后，其700h測試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 700h老煉后測試數(shù)據(jù)Table 2 Data after 700h ageing

根據(jù)上述兩次測量，把兩次測量的變化率用百分比表示，見表3。

表3 燈兩次測量數(shù)據(jù)變化率 (%)Table 3 Change rate after aging

根據(jù)表3，隨機選取其中的2、7、8、9號繼續(xù)測試。老化至1000h后，根據(jù)CNAS-GL03《能力驗證樣品均勻性和穩(wěn)定性評價指南》，對同一樣品燈進行6次測試，每次測試后均在室溫下完全冷卻后再進行，其測量參數(shù)見表4。

表4 老化1000h后對同一樣品燈進行6次測試的結(jié)果Table 4 Data after 1000h ageing(same sample)

將以上測試結(jié)果與700h測試結(jié)果用t檢驗法進行穩(wěn)定性評價，得結(jié)果見表5。

表5 1000h時，用t檢驗法進行穩(wěn)定性評價(700小時～1000小時穩(wěn)定度)Table 5 t-test result after 1000h aging

根據(jù)CNAS-GL03:2006，兩次測量均為6次，N1+N2－2=10，取α=0.05，查表得當 t＜1.812時，兩個平均值之間可以認為無顯著性差異，但是，表5中的4個燈都有參數(shù)沒達到要求，由此可知1000小時樣品燈仍未達到完全穩(wěn)定。繼續(xù)將樣品燈繼老化至1100h，仍按上述方式再次測試，結(jié)果見表6。

表6 樣品燈老化至1100h時的6次測量參數(shù)Table 6 Data after 1100h ageing(same sample)

將1000h數(shù)據(jù)與1100h數(shù)據(jù)用t檢驗法做穩(wěn)定性分析，得結(jié)果見表7。

表7 1100h時，用t檢驗法進行穩(wěn)定性評價(1000小時～1100小時穩(wěn)定度)Table 7 t-test result after 1100h ageing

從表7可以看出，7號、8號和9號樣品燈的兩次平均值的計算結(jié)果已經(jīng)小于1.812，可以認為是無顯著性差異，已完全滿足能力驗證比對樣品的穩(wěn)定性要求。實踐證明了LED球泡燈，其穩(wěn)定性明顯優(yōu)于自鎮(zhèn)流熒光燈，并且能完全達到的能力驗證樣品穩(wěn)定性評價指南的要求。

2012年，中國合格評定國家認可中心和臺灣的TAF聯(lián)合進行的項目號為T0670的LED球燈泡能力驗證中，上述8號和9號樣品燈被用于海峽兩岸的23家實驗室的比對檢測，通過比對前、中、后的3次測量，證明這些能力驗證樣品燈的穩(wěn)定性完全達到了國際水平，并且被廣泛認可。

［1］俞安琪.普通LED照明器具應關(guān)注的核心參數(shù).第七屆中國國際半導體照明論壇.

［2］CNAS-GL03:2006.能力驗證樣品均勻性和穩(wěn)定性評價指南.