韓京城 田 玲 陳 穎 李江山 裘繼紅 俞安琪

(1.中國合格評(píng)定國家認(rèn)可委員會(huì)，北京 100062;2.上海時(shí)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(yàn)中心 (上海)，國家燈具質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，上海 201114)

1 引言

鑒于LED照明產(chǎn)品如此快的發(fā)展勢(shì)頭，國內(nèi)已有較多照明電器檢測實(shí)驗(yàn)室具有國家實(shí)驗(yàn)室認(rèn)可委認(rèn)可的LED照明產(chǎn)品的檢測資質(zhì)。另有大量的檢測實(shí)驗(yàn)室在準(zhǔn)備申請(qǐng)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(yùn)的實(shí)驗(yàn)室并不多，開展國際公認(rèn)的能力驗(yàn)證比對(duì)是迅速提高此類實(shí)驗(yàn)室能力并使這些實(shí)驗(yàn)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(jìn)行能力驗(yàn)證比對(duì)首先需要高穩(wěn)定性 (重復(fù)測量光、色、電參數(shù)的變化應(yīng)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(yàn)證比對(duì)用。鑒于上述情況，亟待對(duì)LED球泡燈的設(shè)計(jì)、元件選用和結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

2 能力驗(yàn)證比對(duì)用高穩(wěn)定性的LED球泡燈的研制

要使LED球泡燈實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定性并且達(dá)到能力驗(yàn)證比對(duì)用的要求，必須同時(shí)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(duì)策

對(duì)于LED球泡燈來說，要實(shí)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(chǔ)。通過對(duì)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(yīng)的對(duì)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(shí)，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(gè)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?yàn)槠涔ぷ髟诟咚匍_關(guān)狀態(tài)，當(dāng)浪涌電流的峰值通過高頻變壓器時(shí)，高頻變壓器的鐵氧體磁芯往往都工作在局部時(shí)間磁通接近或達(dá)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(duì)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(kuò)大了1倍，還采用溫度變化為－10℃～120℃的10個(gè)周期的溫變老練，并剔除了不良品的鐵氧體磁芯。通過實(shí)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(duì)各工作于脈沖狀態(tài)的電阻的實(shí)際測量，發(fā)現(xiàn)它們承受的瞬時(shí)功率值往往都是額定值的5～8倍，所以，對(duì)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(gè)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(duì)策

對(duì)于LED發(fā)光模組，國內(nèi)外有很多論文報(bào)道“LED的工作結(jié)溫是核心參數(shù)”(1)，通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)確實(shí)如此。LED的光效、色坐標(biāo)、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(shè)備，其穩(wěn)定性要求并不高，但作為能力驗(yàn)證的比對(duì)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(dān)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(lán)光芯片上涂覆機(jī)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(diǎn)是有機(jī)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(biāo)或者只是瞬時(shí)超標(biāo)，都會(huì)造成有機(jī)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(gè)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(yuǎn)低于會(huì)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(dǎo)到熒光粉及硅膠層上。對(duì)于6W的LED球燈泡，采用前面的方案。通過試驗(yàn)，當(dāng)LED的工作點(diǎn)從通常的A點(diǎn)下降到B(見圖1)時(shí)，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(yuǎn)離了硅膠層的變性溫度，使LED球燈泡的光效、色溫、色坐標(biāo)及顯色指數(shù)都接近了能力驗(yàn)證比對(duì)樣品必須的穩(wěn)定度。

我國高職院校開設(shè)中外合作辦學(xué)基本始于2003年，從目前我國高職院校所開設(shè)的中外合作辦學(xué)現(xiàn)狀來看，盡管高職高專中外合作辦學(xué)項(xiàng)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(xiàng)目的質(zhì)量和效果來看，還基本處于淺層次的合作項(xiàng)目，再加上目前國家層面上還缺乏相應(yīng)的可操作性的實(shí)施和指導(dǎo)意見，使得我國不少高職院校的中外合作辦學(xué)項(xiàng)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(xué)項(xiàng)目或者考慮經(jīng)濟(jì)利益等，都在重復(fù)性地引進(jìn)中外合作辦學(xué)項(xiàng)目，尤其較多地集中在金融、法律以及商務(wù)等專業(yè)領(lǐng)域上，高職高專中外合作辦學(xué)項(xiàng)目的數(shù)量呈現(xiàn)不斷上升趨勢(shì)，但在辦學(xué)的質(zhì)量上卻沒有實(shí)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(dá)到將LED球泡燈能力驗(yàn)證比對(duì)樣品的穩(wěn)定度要求，還需要進(jìn)行如下的老化篩選。

對(duì)整燈進(jìn)行100h老練后，進(jìn)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(jìn)行10℃～95℃的交替溫變老練5個(gè)周期，進(jìn)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(jìn)行比對(duì)，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(duì)整燈的熱冷交替試驗(yàn)，旨在考核LED芯片 (封裝)與散熱基板的膠合是否因?yàn)轶E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(shí)，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(dá)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(píng)價(jià)

比對(duì)樣品的一致性對(duì)實(shí)驗(yàn)室間進(jìn)行能力驗(yàn)證比對(duì)至關(guān)重要。在實(shí)施能力驗(yàn)證計(jì)劃時(shí)，組織方應(yīng)確保能力驗(yàn)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(duì)于能力驗(yàn)證樣品的檢測性測量，必須進(jìn)行穩(wěn)定性檢驗(yàn)。

對(duì)于穩(wěn)定性檢驗(yàn)的結(jié)果，可根據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)量表標(biāo)明的顯著性或樣品變化是否滿足能力驗(yàn)證計(jì)劃要求的不確定度進(jìn)行判斷。

依據(jù)CNAS-GL03:2006能力驗(yàn)證樣品均勻性和穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指南對(duì)本次能力驗(yàn)證的樣品進(jìn)行了穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。該評(píng)價(jià)指南有關(guān)t檢驗(yàn)法的t值計(jì)算如下:

式中 x——n次測量的平均值;

μ——標(biāo)準(zhǔn)值/參考值;

n——測量次數(shù);

S——n次測量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差。注:為了保證平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差的準(zhǔn)確度，應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)值/參考值之間可以認(rèn)為無顯著性差異。

參與比對(duì)的6W樣品燈初始為10個(gè)，規(guī)格為A60。經(jīng)過400h老化后，使用兩米積分球測試，并BDP60標(biāo)準(zhǔn)燈定標(biāo)。測量環(huán)境溫度是25℃±1℃，濕度≤65%。每次測試均在積分球外預(yù)熱50～55min，再在積分球內(nèi)預(yù)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(jī)選取其中的2、7、8、9號(hào)繼續(xù)測試。老化至1000h后，根據(jù)CNAS-GL03《能力驗(yàn)證樣品均勻性和穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指南》，對(duì)同一樣品燈進(jìn)行6次測試，每次測試后均在室溫下完全冷卻后再進(jìn)行，其測量參數(shù)見表4。

表4 老化1000h后對(duì)同一樣品燈進(jìn)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(yàn)法進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，得結(jié)果見表5。

表5 1000h時(shí)，用t檢驗(yàn)法進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)(700小時(shí)～1000小時(shí)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(dāng) t＜1.812時(shí)，兩個(gè)平均值之間可以認(rèn)為無顯著性差異，但是，表5中的4個(gè)燈都有參數(shù)沒達(dá)到要求，由此可知1000小時(shí)樣品燈仍未達(dá)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(shí)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(yàn)法做穩(wěn)定性分析，得結(jié)果見表7。

表7 1100h時(shí)，用t檢驗(yàn)法進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)(1000小時(shí)～1100小時(shí)穩(wěn)定度)Table 7 t-test result after 1100h ageing

從表7可以看出，7號(hào)、8號(hào)和9號(hào)樣品燈的兩次平均值的計(jì)算結(jié)果已經(jīng)小于1.812，可以認(rèn)為是無顯著性差異，已完全滿足能力驗(yàn)證比對(duì)樣品的穩(wěn)定性要求。實(shí)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(dá)到的能力驗(yàn)證樣品穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指南的要求。

2012年，中國合格評(píng)定國家認(rèn)可中心和臺(tái)灣的TAF聯(lián)合進(jìn)行的項(xiàng)目號(hào)為T0670的LED球燈泡能力驗(yàn)證中，上述8號(hào)和9號(hào)樣品燈被用于海峽兩岸的23家實(shí)驗(yàn)室的比對(duì)檢測，通過比對(duì)前、中、后的3次測量，證明這些能力驗(yàn)證樣品燈的穩(wěn)定性完全達(dá)到了國際水平，并且被廣泛認(rèn)可。

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

［2］CNAS-GL03:2006.能力驗(yàn)證樣品均勻性和穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指南.