一種基于LED燈絲燈的標(biāo)準(zhǔn)燈的研制

劉 慧，劉 建，趙偉強(qiáng)，林延?xùn)|，蘇 穎，姜 琳

(中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，北京 100029)

一種基于LED燈絲燈的標(biāo)準(zhǔn)燈的研制

劉 慧，劉 建，趙偉強(qiáng)，林延?xùn)|，蘇 穎，姜 琳

(中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，北京 100029)

本文依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)燈的特定要求，研制了一種基于LED 燈絲燈的總光通量標(biāo)準(zhǔn)燈。這種燈的預(yù)熱時(shí)間為5～9 min，而其他種類(lèi)LED的預(yù)熱時(shí)間至少為30 min; 量值短期重復(fù)性優(yōu)于0.1%; 連續(xù)點(diǎn)燃35 h的光通量變化小于0.16%，連續(xù)點(diǎn)燃6 045 h光通量的變化小于2.3%，光衰率約為白熾燈燈的1/30; 對(duì)LED燈絲標(biāo)準(zhǔn)燈進(jìn)行了長(zhǎng)期穩(wěn)定性考察，在歷時(shí)10個(gè)月的多次測(cè)量中光通量變化小于0.3%；此外LED 燈絲燈比白熾燈更耐震動(dòng)。這種LED燈絲標(biāo)準(zhǔn)燈的主要特性優(yōu)于JJG 247—2008《總光通量標(biāo)準(zhǔn)白熾燈檢定規(guī)程》中對(duì)白熾標(biāo)準(zhǔn)燈的要求，在CCPR 和CIE 建立基于LED光度單位量值傳遞體系中，有望成為替代白熾標(biāo)準(zhǔn)燈的主要燈種。

標(biāo)準(zhǔn)燈；LED標(biāo)準(zhǔn)燈；發(fā)光二極管；光通量；光度；LED 燈絲燈

引言

為節(jié)約能源，我國(guó)目前已經(jīng)禁止銷(xiāo)售15 W以上的普通照明白熾燈。LED光源由于其顯著的節(jié)能效果,隨著每流明價(jià)格的降低，成為替代白熾燈的主要光源。然而LED的光譜功率分布和光強(qiáng)空間分布與傳統(tǒng)白熾光源相差很大，如果沿用白熾標(biāo)準(zhǔn)燈的測(cè)量方法，LED測(cè)量結(jié)果的誤差很大。2012年，國(guó)際能源署組織、由世界上110多家實(shí)驗(yàn)室參與的白光LED燈測(cè)量比對(duì)結(jié)果表明，各個(gè)實(shí)驗(yàn)室光通量測(cè)量結(jié)果對(duì)平均值的偏差高達(dá)±5%，而測(cè)量白熾燈僅為±1%。[1]LED 的光色特性不同于白熾燈，用白熾燈作為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量LED燈顯然不合理。同時(shí)白熾標(biāo)準(zhǔn)燈的制造工藝復(fù)雜、要求高，價(jià)格昂貴。隨著LED光源逐步替代白熾燈和部分氣體放電燈，為了提高測(cè)量準(zhǔn)確性必須研制LED標(biāo)準(zhǔn)燈代替白熾標(biāo)準(zhǔn)燈，這項(xiàng)工作已經(jīng)被列為CCPR 和CIE 的戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃。

1 關(guān)于光度計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)

光度單位量值的傳遞通常有兩種方法：①基于源的方法，即標(biāo)準(zhǔn)燈；②基于光度探測(cè)器的方法[2-4]。標(biāo)準(zhǔn)燈長(zhǎng)期穩(wěn)定性好，三十年的量值的變化小于0.25%，但需要維護(hù)多組標(biāo)準(zhǔn)燈組和供電、電測(cè)設(shè)備。標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器短期穩(wěn)定性優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)燈，具有良好的線性，只需一個(gè)探測(cè)器就能滿足寬量程的測(cè)量，但長(zhǎng)期穩(wěn)定性差。目前僅NIST 采用探測(cè)器用于光度量值單位的保存和傳遞。

國(guó)際計(jì)量委員會(huì)(BIPM)下屬光度和輻射度咨詢委員會(huì)(CCPR)僅在1997年舉行過(guò)一次以探測(cè)器作為傳遞標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)際比對(duì)CCPR K3b (光度計(jì)響應(yīng)度)，其余光度領(lǐng)域的國(guó)際比對(duì)都是用標(biāo)準(zhǔn)燈作為傳遞標(biāo)準(zhǔn)。從目前的技術(shù)現(xiàn)狀看，標(biāo)準(zhǔn)燈比標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器更適合量值的長(zhǎng)期保存。CCPR K3a(發(fā)光強(qiáng)度) 和CCPR K4 (總光通量)的國(guó)際比對(duì)都是使用白熾標(biāo)準(zhǔn)燈作為傳遞標(biāo)準(zhǔn)，比對(duì)取得了較好的一致性，但是在測(cè)量LED時(shí)，各國(guó)實(shí)驗(yàn)室的測(cè)量結(jié)果一致性較差。2013年CCPR出版的戰(zhàn)略規(guī)劃中明確指出由于白光LED的光譜不同于光譜平坦的白熾燈，用白熾燈做標(biāo)準(zhǔn)來(lái)測(cè)量LED會(huì)使得LED 的測(cè)量結(jié)果偏差大，并且測(cè)量過(guò)程更復(fù)雜，推進(jìn)實(shí)現(xiàn)固態(tài)照明產(chǎn)品LED向SI單位的準(zhǔn)確溯源是CCPR未來(lái)的一項(xiàng)重要工作，并且在這份規(guī)劃中有三個(gè)地方強(qiáng)調(diào)提升LED計(jì)量水平的重要性和迫切性。

CCPR的工作并不是要采用一種新的方法復(fù)現(xiàn)SI單位，而是要找出一種簡(jiǎn)單的方法實(shí)現(xiàn)LED向SI單位的準(zhǔn)確溯源。研究表明使用LED燈替代白熾燈作為傳遞標(biāo)準(zhǔn)，可以使得LED測(cè)量結(jié)果的不確定度降低至少3%[4-7]。隨著白熾燈的淘汰，白熾標(biāo)準(zhǔn)燈變得更加稀缺,以及LED標(biāo)準(zhǔn)燈能有效減小測(cè)量結(jié)果的不確定度，CCPR成立了兩個(gè)工作組WG-KC TG4“先行研究用于光度國(guó)際比對(duì)的備用標(biāo)準(zhǔn)”(Pilot Study for the use of alternative standards for photometric comparisons)和WG-SP TG12”在光度測(cè)量中使用白光LED的論壇“(Discussion Forum on use of white LED sources in photometry)。用于光度、色度、輻射度測(cè)量新的校準(zhǔn)光源和照明體(New Calibration Sources and Illuminants for Photometry, Colorimetry, and Radiometry)被列為CIE的十大戰(zhàn)略規(guī)劃之一[8]。

研制LED白光標(biāo)準(zhǔn)燈無(wú)疑是簡(jiǎn)化LED測(cè)量過(guò)程，減小測(cè)量誤差，提高測(cè)量結(jié)果一致性，縮短量值傳遞鏈的最有效手段，也是應(yīng)對(duì)白熾標(biāo)準(zhǔn)燈短缺的有效措施。

2 LED標(biāo)準(zhǔn)燈的研制

2.1 標(biāo)準(zhǔn)燈的要求及現(xiàn)狀

標(biāo)準(zhǔn)燈用于光度單位量值的保存和傳遞的一種計(jì)量器具。它是專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)制造的一種特殊類(lèi)型的燈。標(biāo)準(zhǔn)燈應(yīng)具有良好的量值再現(xiàn)性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，此外光強(qiáng)空間分布還應(yīng)具有良好的角度特性。[9-11]。標(biāo)準(zhǔn)燈的特性要求與標(biāo)準(zhǔn)燈使用時(shí)所需的不確定度密切相關(guān)，業(yè)內(nèi)對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)燈的一般要求見(jiàn)表1。圖1 和圖2分別為國(guó)際比對(duì)所用的polaron LF 200(90 V, 2.0 A, 2 200 lm) 標(biāo)準(zhǔn)燈和我國(guó)BDT2(100 V, 1.2 A, 1 500 lm)標(biāo)準(zhǔn)燈。

表1 光通量標(biāo)準(zhǔn)燈的一般要求Table 1 Criteria for photometric standard lamp screening

圖1 國(guó)際比對(duì)用polaron LF 200總光通量標(biāo)準(zhǔn)燈Fig.1 Polaron LF 200 Total luminous flux standard lamp using as an transferring standard in international comparison

圖2 BDT2 總光通量標(biāo)準(zhǔn)燈Fig.2 BDT2 Total luminous flux standard lamp

日本計(jì)量院 NMIJ 和德國(guó)計(jì)量院 PTB 通過(guò)外加恒溫控制系統(tǒng)或制冷系統(tǒng)的方式，研制的LED 標(biāo)準(zhǔn)燈，計(jì)量特性性良好。但外形與商用LED 燈的差別較大，燈座不兼容，還需另加供電系統(tǒng)，使用不夠方便，無(wú)法在一般檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室推廣使用。圖3 和圖4 分別為日本計(jì)量院 NMIJ 和德國(guó)計(jì)量院 PTB 所研制的LED 標(biāo)準(zhǔn)燈。

圖3 NMIJ 研制的恒溫控制的LED 標(biāo)準(zhǔn)燈Fig.3 Temperature controlled LED standard lamp by NMIJ

圖4 PTB研制的大功率2 500 lm的LED標(biāo)準(zhǔn)燈Fig.4 High power LED standard lamp with 2 500 lm by PTB

2.2 LED燈絲標(biāo)準(zhǔn)燈的研制和特性

LED 的基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)半導(dǎo)體P-N 結(jié)，當(dāng)電流流過(guò)過(guò) LED 元件時(shí)，P-N 結(jié)的溫度上升。在恒定電流時(shí)隨著結(jié)溫升高LED的光通量會(huì)隨之降低[12-13]，溫度系數(shù)約為0.16%/℃～0.20%/℃。常見(jiàn)LED 燈如球泡燈、平板燈、PAR 燈的組成一般為若干顆單獨(dú)封裝的LED串并聯(lián)，工作模式為低電壓大電流，采用熱沉通過(guò)熱傳導(dǎo)方式進(jìn)行散熱。單顆LED的功率高熱穩(wěn)定性差。一般需要至少 30 min 才能達(dá)到熱平衡，光輸出達(dá)到穩(wěn)定。散熱設(shè)計(jì)良好的LED 球泡燈預(yù)熱 30 min 后光通量的重復(fù)性為1.0%，傳統(tǒng)LED 燈工作時(shí)由于結(jié)溫高使得熒光粉易于老化變性，且封裝材料為有機(jī)材料，在高溫下也容易發(fā)生變性，長(zhǎng)期穩(wěn)定性差, 因此這些結(jié)構(gòu)的燈均不適宜直接用做標(biāo)準(zhǔn)燈。長(zhǎng)期穩(wěn)定性差一直是困擾LED標(biāo)準(zhǔn)燈研制的一個(gè)難題。LED 燈絲燈(見(jiàn)圖5)的每個(gè)燈絲由28顆LED串聯(lián)固定于藍(lán)寶石基底上，能快速達(dá)到熱平衡，工作時(shí)芯片的結(jié)溫約為120 ℃，玻殼表面溫度僅為40 ℃，即使長(zhǎng)期連續(xù)點(diǎn)燃熒光粉也僅緩慢變化。LED燈絲燈是一種新型的LED光源，其外觀形狀和空間光強(qiáng)分布與傳統(tǒng)白熾燈相接近，光效高達(dá)140 lm/W～180 lm/W。經(jīng)過(guò)工藝質(zhì)量的嚴(yán)格控制，有望制作成為標(biāo)準(zhǔn)燈。

圖5 LED燈絲燈及燈絲結(jié)構(gòu)Fig.5 LED filament lamp and filament construction

在商用LED 燈絲燈的基礎(chǔ)上，我們經(jīng)過(guò)燈絲布置設(shè)計(jì)改進(jìn)、燈絲材料篩選、老化篩選等環(huán)節(jié)，成功研制了4 W LED 燈絲總光通量標(biāo)準(zhǔn)燈，有交流或直流兩種供電方式，色溫2 700 K或6 000 K。其典型參數(shù)為直流20 mA 、128 V、470 lm;交流220 V、32 mA、580 lm。其特性全部滿足表1對(duì)標(biāo)準(zhǔn)燈的特性要求，其中光衰特性僅為傳統(tǒng)白熾標(biāo)準(zhǔn)燈的1/30。

圖6 DC20160229-1# 4 W LED燈絲燈短期重復(fù)性Fig.6 Short-term repeatability of a 4 W LED filament lamp

為了考察LED 燈絲燈的短期重復(fù)性我們將DC20160229-1# 4 W LED 燈絲標(biāo)準(zhǔn)燈，室溫25.0 ℃時(shí)恒流20 mA點(diǎn)燃20 min, 熄滅30 min,同樣條件下再次點(diǎn)燃20 min,共點(diǎn)燃三次，以第一次點(diǎn)燃20 min時(shí)的光通量值對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行歸一，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖6。從圖中的數(shù)據(jù)可見(jiàn)其預(yù)熱時(shí)間小于9 min, 在整個(gè)點(diǎn)燃過(guò)程中量值的重復(fù)性優(yōu)于0.1%。

對(duì)一只未經(jīng)老化的4 W LED燈絲標(biāo)準(zhǔn)燈我們還考察了其連續(xù)點(diǎn)燃35 h的光通變化和電壓變化，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖7。JJG 247—2008規(guī)范中要求白熾標(biāo)準(zhǔn)燈老化后的穩(wěn)定性應(yīng)滿足：在規(guī)定參考電流(或電壓)下點(diǎn)燃8 h，總光通量的變化小于0.2%，電壓變化小于0.05%(對(duì)于真空燈)和0.07%(對(duì)于充氣燈)。從圖7可見(jiàn)LED燈絲標(biāo)準(zhǔn)燈35 h的光通量變化小于0.16%，電壓變化小于0.05%，優(yōu)于白熾燈點(diǎn)燃8 h的指標(biāo)。

圖7 LED燈絲燈點(diǎn)燃35 h光通量及電壓變化Fig.7 Relative deviation of luminous flux and voltage during 35 h uninterrupted buring

對(duì)一組LED燈絲燈我們進(jìn)行了長(zhǎng)期穩(wěn)定性考核，光通量隨點(diǎn)燃時(shí)間的變化見(jiàn)圖7，其中DC201604-5# 燈我們老化500 h之后，僅在測(cè)試時(shí)點(diǎn)燃，平時(shí)靜置在實(shí)驗(yàn)室中。由圖8的測(cè)量結(jié)果可見(jiàn)，歷經(jīng)10個(gè)月點(diǎn)燃6 045 h后，LED燈絲燈的光通量的最大變化為2.3%，僅為傳統(tǒng)白熾標(biāo)準(zhǔn)燈的光衰率的1/50。長(zhǎng)期重復(fù)性優(yōu)于0.3%，這些指標(biāo)均優(yōu)于 JJG 247—2008對(duì)工作基準(zhǔn)白熾標(biāo)準(zhǔn)燈的要求。

我們還對(duì)LED燈絲燈的燈絲排布進(jìn)行了改進(jìn)，使得燈泡底部的光分布的均勻性增加，減小了用積分球測(cè)量時(shí)由于光分布造成的測(cè)量誤差。我們所研制的4 W LED燈絲標(biāo)準(zhǔn)燈及光分布見(jiàn)圖9。

圖8 LED燈絲燈點(diǎn)燃6 045 h光通量隨時(shí)間變化關(guān)系Fig.8 Relationship of luminous flux versus 6 045 h burning time

3 總結(jié)及展望

隨著LED 被廣泛用于照明領(lǐng)域，為減小測(cè)量誤差簡(jiǎn)化測(cè)量過(guò)程，我們研制了新的基于LED 的光度標(biāo)準(zhǔn)燈。經(jīng)過(guò)近一年的實(shí)驗(yàn)考察，這種LED燈絲標(biāo)準(zhǔn)燈表現(xiàn)出了良好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和短期穩(wěn)定性，其指標(biāo)與傳統(tǒng)白熾標(biāo)準(zhǔn)燈等同，光衰率遠(yuǎn)優(yōu)于白熾燈，光分布與BDT2型標(biāo)準(zhǔn)燈接近，且具有較強(qiáng)的抗震性，易于運(yùn)輸。 但是這種標(biāo)準(zhǔn)燈目前的功率僅為

圖9 4 W LED燈絲標(biāo)準(zhǔn)燈及其光分布Fig.9 4 W LED filament standard lamp and its luminous intensity spatial distribution

4 W, 光通量約為500 lm,近期我們將研制出1 000 lm的光通燈。這種燈的長(zhǎng)期穩(wěn)定性還需進(jìn)一步考察，光強(qiáng)空間分布均勻性還有待提高，品種和種類(lèi)還有待豐富。

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The Development of LED Filament Standard Lamp

LIU Hui, LIU Jian, ZHAO Weiqiang, LIN Yandong, SU Ying，Jiang Lin

(NationalInstituteofMetrology,Beijing100029,China)

According to the performance requirements of standard lamp, a kind of LED filament standard lamp has been developed. This kind of LED lamp has a shorter warm-up time about 5～9 min, but the other LED lamps need 30 min at least. The short-term stability of luminous flux is less than 0.10%, and the relative fluctuation of luminous flux is less than 0.16% during 35-hours uninterrupted burning. The maximum descent of luminous flux is 2.3% after 6 045 h burning, which is one-thirtieth of incandescent standard lamp. The long-term stability has been investigated, the relative fluctuation of luminous flux is less than 0.3% during the 10-month measurement, it is also insensitive to shock. The main characteristics of this LED filament lamp are superior to the criteria for incandescent lamp on JJG 247—2008CalibrationSpecificationforIncandescentBulb. It should be a candidate of luminous flux standard lamp in “Future photometry based on solid-state lighting products”progrom of CCPR and CIE.

standard lamp; LED-based standard lamp; light-emitting diode; luminous flux; photometry; LED filament lamp

O432.3

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2017.02.003