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能力验证比对用高稳定性的LED球泡灯的设计和制作

放大字体  缩小字体 照明中国网   发布日期:2015-05-22  来源:《照明》  作者:韩京城 田玲 陈颖 李江山 裘继红 俞安琪  
  1 前言
 
  LED光源是利用半导体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、抗震动、能瞬时启动和环保的特点。其环保特性表现在生产工程中,所用材料和工艺过程不会产生对环境有污染的气体和污染物。LED照明是二十一世纪照明领域的创新点,世界各发达国家和地区为此投入了大量的人力和物力,尤其近三年内,LED在制造技术、光效、光输出质量及价格方面有了明显的突破,目前已具备了向传统光源挑战并在某些领域取代传统光源的实力。国务院六部委联合发文以来,国内LED照明产业得到蓬勃发展,据不完全统计,LED照明产品生产企业多达5000多家,生产的最终照明产品有LED自镇流灯(包括有方向灯和无方向灯)、嵌入式下射筒灯、固定式吸顶灯、壁灯、隧道灯具及道路灯具等。从LED照明产品的发展来看,随着制造技术的进步和成本的下降,在今后的5年内,将有30%~50%的传统照明产品被LED照明产品所取代。
 
  鉴于LED照明产品如此快的发展势头,国内已有较多照明电器检测实验室具有国家实验室认可委认可的LED照明产品的检测资质。另有大量的检测实验室在准备申请这方面的检测能力。但是LED照明产品的性能和能效检测涉及很多专业技术,而国内在这方面资深的具有较深技术底蕴的实验室并不多,开展国际公认的能力验证比对是迅速提高此类实验室能力并使这些实验室检测数据保持在合理的测量不确定度内的最有效手段。但是,进行能力验证比对首先需要高稳定性(重复测量光、色、电参数的变化应小于0.5%)的LED球泡灯,普通的LED球泡灯的参数的变化基本都大于3%,根本不能作为能力验证比对用。鉴于上述情况,亟待对LED球泡灯的设计、元件选用和结构进行改进。
 
  2 能力验证比对用高稳定性的LED球泡灯的研制
 
  要使LED球泡灯实现高稳定性并且达到能力验证比对用的要求,必须同时保证电路的稳定性和LED发光器件的稳定性。
 
  2.1 电路的不稳定性及对策
 
  对于LED球泡灯来说,要实现高稳定性,其电路的稳定性是首要的,电路的稳定性不仅是保证了LED球泡灯电参数测量的稳定性,而且是光参数稳定的基础。通过对商品化的LED球泡灯的分析可知,影响LED球泡灯电参数测量稳定性及采取相应的对策主要有:
 
  (1)商品化的LED球泡灯内的滤波电容都采用电解电容,而电解电容的电容量是较不稳定的,尤其是工作在较大的充、放电浪涌电流的场合并且使用温度接近tc值时,其电容量的稳定性和保持都是不能满足高稳定性的LED球泡灯的要求的。解决的方案是采用tc=135℃达的CBB无极性电容,还采用了温度变化为-10℃~80℃的10个周期的温变老练,并剔除了不良品的合格电容。
 
  (2)商品化的LED球泡灯内恒流电源采用的高频变压器,因为其工作在高速开关状态,当浪涌电流的峰值通过高频变压器时,高频变压器的铁氧体磁芯往往都工作在局部时间磁通接近或达到饱和的状态,所以也是不可能满足高稳定性的LED球泡灯的要求的。解决的方案是对功率为6w的LED球泡灯,所述铁氧体磁芯的截面积为1.5~2cm2,比商品化的LED球泡灯内的高频变压器铁氧体磁芯的截面积扩大了1倍,还采用温度变化为-10℃~120℃的10个周期的温变老练,并剔除了不良品的铁氧体磁芯。通过实际测量,其磁通饱和的现象基本消失,表现在因磁通饱和而造成的温度上升现象也几乎消失,铁氧体工作温度从原来的约65℃下降大约30℃.
 
  (3)商品化的LED球泡灯内衡流电源有较多的电阻,这些电阻功率小,看似不起眼,他们的金属膜或碳膜电阻的涂膜厚度及刻制结构及冷热交替的工况,很容易使阻值变化,还有一些电阻因经受长期的脉冲电流冲击而造成阻值变化从而造成整灯输出的变化。通过对各工作于脉冲状态的电阻的实际测量,发现它们承受的瞬时功率值往往都是额定值的5~8倍,所以,对于此类电阻不仅都采用了比额定功率大10倍的功率裕量,而且还采用了温度变化为-20℃~100℃的10个周期的快速温变老练,并剔除了不良品的合格产品。以保证在较大脉冲电流下电阻值的变化量≤0.2%.从而保证了整灯的稳定性。
 
  2.2 LED发光器件的不稳定性及对策
 
  对于LED发光模组,国内外有很多论文报道“LED的工作结温是核心参数”,通过试验发现确实如此。LED的光效、色坐标、色温、显色指数的稳定性都直接与LED的结温直接相关。作为普通照明设备,其稳定性要求并不高,但作为能力验证的比对样品,这种因LED结温过高而造成的误差是不能接受的。有效的方法是让LED芯片承担的功率下降,从而保证因LED结温变化而引起的不稳定影响下降到可接受范围。目前普遍采用的蓝光芯片上涂覆机硅胶掺有黄色和/或红色荧光粉的方案,这一技术最大的薄弱点是有机硅胶和荧光粉这些怕高温的东西直接贴在发热源LED芯片上,LED芯片的结温超标或者只是瞬时超标,都会造成有机硅胶和荧光粉不可逆转的变性。要解决这一问题只有两个途径,一是把LED芯片承受的功率减小,使它的结温大幅下降,使硅胶和荧光粉层受的温度远低于会产生变性的温度。另一种方法是使荧光粉和硅胶层与LED芯片分离,LED芯片产生的温度不直接传导到荧光粉及硅胶层上。对于6W的LED球灯泡,采用前面的方案。通过试验,当LED的工作点从通常的A点下降到B(见图1)时,LED芯片的结温下降到55℃(美国能源之星里的最低温度推荐值),芯片温度远离了硅胶层的变性温度,使LED球灯泡的光效、色温、色坐标及显色指数都接近了能力验证比对样品必须的稳定度。
 
  2.3 整灯的老化工艺过程
 
  通过上述的制造过程,LED球泡灯的参数稳定性还不能完全达到将LED球泡灯能力验证比对样品的稳定度要求,还需要进行如下的老化筛选。
 
  (1)对整灯进行100h老练后,进行参数测定,并记录LED球泡灯的初始参数;
  (2)将LED球泡灯进行10℃~95℃的交替温变老练5个周期,进行参数测定,并记录LED球泡灯的最终参数;
  (3)将LED球泡灯的初始参数和最终参数进行比对,保留两者参数偏差在2%以内的LED球泡灯,其余的剔除。
  但仍应注意:
  a.这些对整灯的热冷交替试验,旨在考核LED芯片(封装)与散热基板的胶合是否因为骤热骤冷而有微小缝隙,从而影响LED芯片的散温。
  b.最高温度取95℃是出于在老练时,灯的极端温度可能是40℃,LED芯片自身的发热(结温)本次产品可能达55℃,两者叠加最不利条件是90℃.
 
  3 样品筛选、稳定性处理及评价
 
  比对样品的一致性对实验室间进行能力验证比对至关重要。在实施能力验证计划时,组织方应确保能力验证中出现的不满意结果不归咎于样品之间或样品本身的变异性。因此,对于能力验证样品的检测性测量,必须进行稳定性检验。
 
  对于稳定性检验的结果,可根据有关统计量表标明的显著性或样品变化是否满足能力验证计划要求的不确定度进行判断。
 
  依据CNAS-GL03:2006能力验证样品均匀性和稳定性评价指南对本次能力验证的样品进行了稳定性评价。该评价指南有关t检验法的t值计算如下:
 
        
 
  式中:x—n次测量的平均值;
  μ—标准值/参考值;
  n—测量次数;
  S—n次测量结果的标准偏差。
  但应注意,为了保证平均值和标准偏差的准确度,应保证n≥6.
  若t<显著性水平α(通常α=0.05)自由度为n-1的临界值(n-1)tα,则平均值与标准值/参考值之间可以认为无显著性差异。
  参与比对的6W样品灯初始为10个,规格为A60.经过400h老化后,使用两米积分球测试,并BDP60标准灯定标。测量环境温度是25℃±1℃,湿度≤65%.每次测试均在积分球外预热50~55min,再在积分球内预热15min。测试数据如表1所示。
  再经过300h老化后,其700h测试数据如表2所示。
  根据上述两次测量,把两次测量的变化率用百分比表示(见表3)。
  根据表3中的数据显示,随机选取其中的2、7、8、9号继续测试。老化至1000h后,根据CNAS-GL03《能力验证样品均匀性和稳定性评价指南》,对同一样品灯进行6次测试,每次测试后均在室温下完全冷却后再进行,其测量参数见表4.
  将以上测试结果与700h测试结果用t检验法进行稳定性评价,得结果见表5.
  根据CNAS-GL03:2006,两次测量均为6次,N1+N2-2=10,取α=0.05,查表5得,当t<1.812时,两个平均值之间可以认为无显著性差异,但是,表5中的4个灯都有参数没达到要求,由此可知,1000h样品灯仍未达到完全稳定。继续将样品灯继老化至1100h,仍按上述方式再次测试,结果见表6.
 
  将1000h数据与1100h数据用t检验法做稳定性分析,得结果见表7.
 
  从表7可以看出,7号、8号和9号样品灯的两次平均值的计算结果已经小于1.812,可以认为是无显著性差异,已完全满足能力验证比对样品的稳定性要求。实践证明了LED球泡灯,其稳定性明显优于自镇流荧光灯,并且能完全达到的能力验证样品稳定性评价指南的要求。
  2012年,中国合格评定国家认可中心和台湾地区的TAF联合进行的项目号为T0670的LED球灯泡能力验证中,上述8号和9号样品灯被用于海峡两岸的23家实验室的比对检测,通过比对前、中、后的3次测量,证明这些能力验证样品灯的稳定性完全达到了国际水平,并且被广泛认可。
 
  参考文献
  1 俞安琪.普通LED照明器具应关注的核心参数.第七届中国国际半导体照明论坛,2010-10-15
  2 CNAS—GL03:2006能力验证样品均匀性和稳定性评价指南
 
 
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