基于远方积分球测试仪的LED测试及结果分析

基于远方积分球测试仪的LED测试及结果分析摘要:为了改善LED的性能对LED的测试是必不可少的，而对测试结果的分析，找出问题的所在，提出解决方案就是最主要的内容了。通过实验实践总结出对远方LED积分球测试仪测试结果的主要数据分析经验，包含了颜色参数分析、光度参数分析、电参数分析，从而评估测试LED的性能以及需要或者说可以改进的地方。其中还要判断测试结果的数据是否科学，误差是否在标准范围之内。关键字：数据分析测试参数积分球引言要对测试结果进行分析首先要确保可以得出正确的数据，所以测试之前要做一系列的准备工作，其中温度控制十分重要，根据国内外的相关标准，LED器件一般控制结温度或壳体热点温度，对于LED模块，则控制模块热沉上的热点温度。而LED应用产品，则以环境温度为基准，因此，在LED产品的光学和能效检验中，针对LED器件、模块和应用产品，测试设备中的温度控制方式非常重要。还有一些LED的光束指向性比较强，在积分球中测量时。光束投射区域、挡屏位置等比较敏感都有特殊的要求增加高反射的涂层材料。测试结果分析主要分析三个点，一个是颜色参数、一个是光参数、一个是电参数，其中颜色参数包括：色温colortemperature（TC）、显色指数colorrenderingindex（Ra）、色比、色品坐标、色纯度（pur），电参数包括：电压、电流、功率、功率因数。光参数包括：光效（LuminousEfficacy）、光通量（luminousflux）、辐射通量。一、测试结果中的主要参数1.1色温当某一光源所发出的光的光谱分布与不反光、不透光完全吸收光的黑体在某一温度时辐射出的光谱分布相同时，我们就把绝对黑体的温度称之为这一光源的色温。色温是表示光源光谱质量最通用的指标。一般用Ra表示。色温是按绝对黑体来定义的，光源的辐射在可见区和绝对黑体的辐射完全相同时，此时黑体的温度就称此光源的色温。低色温光源的特征是能量分布中，红辐射相对说要多些，通常称为“暖光”；色温提高后，能量分布集中，蓝辐射的比例增加，通常称为“冷光”。一些常用光源的色温为：标准烛光为1930K（开尔文温度单位）；钨丝灯为2760-2900K；荧光灯为3000K；闪光灯为3800K；中午阳光为5400K；电子闪光灯为6000K；蓝天为12000-18000K。光源色温不同，光色也不同，带来的感觉也不相同：如表1-1。表1-1不同色温给人不同感觉3300K温暖（带红的白色）稳重、温暖3000－5000K中间（白色）爽快5000K清凉型（带蓝的白色）冷2色温与亮度：高色温光源照射下，如亮度不高则给人们有一种阴冷的气氛；低色温光源照射下，亮度过高会给人们有一种闷热感觉。光色的对比：在同一空间使用两种光色差很大的光源，其对比将会出现层次效果，光色对比大时，在获得亮度层次的同时，又可获得光色的层次。1.2显色指数光源对物体的显色能力称为显色性，是通过与同色温的参考或基准光源（白炽灯或画光）下物体外观颜色的比较。光所发射的光谱内容决定光源的光色，但同样光色可由许多，少数甚至仅仅两个单色的光波纵使而成，对各个颜色的显色性亦大不相同。相同光色的光源会有相异的光谱组成，光谱组成较广的光源较有可能提供较佳的显色品质。当光源光谱中很少或缺乏物体在基准光源下所反射的主波时，会使颜色产生明显的色差(colorshift)。色差程度愈大，光源对该色的显色性愈差。显色指数系数(Kaufman)仍为目前定义光源显色性评价的普遍方法。白炽灯的显色指数定义为100，视为理想的基准光源。此系统以8种彩度中等的标准色样来检验，比较在测试光源下与在同色温的基准下此8色的偏离（Deviation）程度，以测量该光源的显色指数，取平均偏差值Ra20-100，以100为最高，平均色差越大，Ra值越低。低于20的光源通常不适于一般用途。指数（Ra）等级显色性一般应用：90-1001A优良需要色彩精确对比的场所；80-891B需要色彩正确判断的场所；60-792普通需要中等显色性的场所；40-593对显色性的要求较低，色差较小的场所；20-394较差对显色性无具体要求的场所。白炽灯的理论显色指数为100，但实际生活中的白炽灯种类繁多，应用也不同，所以其Ra值不是完全一致的。只能说是接近100，是显色性最好的灯具。具体灯具的Ra值可见下表所举：白炽灯97日光色荧光灯80-94白色荧光灯75-85暖白色荧光灯80-90卤钨灯95-99高压汞灯22-51高压钠灯20-30金属卤化物灯60-65钠铊铟灯60-65镝灯85以上。1.3光效光源所发出的总光通量与该光源所消耗的电功率（瓦）的比值，称为该光源的光效。发光效率值越高，表明照明器材将电能转化为光能的能力越强，即在提供同等亮度的情况下，该照明器材的节能性越强；在同等功率下，该照明器材的照明性越强，即亮度越大。光效也称为光源的发光效率或者光源的功率因素，表征从光源中射出的光通量与光源所消耗的电功率之比。即η=φ/E=φ/(φ+P)其中η为光效，φ为光源辐射的光能量，E为光源的功率，P为光源损耗的能量，主要是发热量。同时发热量与电流的关系是：P=IR。显然，随着电流的增大，光通量增大。但是另一方面电流的增大会引起光源热损耗的增加，综合效果是光效降低。1.4功率因数（PF）功率因数的大小与电路的负荷性质有关，如白炽灯泡、电阻炉等电阻负荷的功率因数为1，一般具有电感性负载的电路功率因数都小于1。功率因数是电力系统的一个重要的技术数据。功率因数是衡量电气设备效率高低的一个系数。功率因数低，说明电路用于交变磁场转换的无功功率大，从3而降低了设备的利用率，增加了线路供电损失。1.5色品图以不同位置的点表示各种色品的平面图。1931年由国际照明委员会(CIE)制定，故称CIE色品图。描述颜色品质的综合指标称为色品，色品用如下3个属性来描述：①色调。色光中占优势的光的波长称主波长，由主波长的光决定的主观色觉称色调。②亮度。由色光的能量所决定的主观明亮程度。③饱和度。描述某颜色的组分中纯光谱色所占的比例，即颜色的纯度。由单色光引起的光谱色认为是很纯的颜色，在视觉上称为高饱和度颜色。单色光中混有白光时纯度降低，相应地饱和度减小。例如波长为650纳米的色光是很纯的红色，把一定量白光加入后，混合结果产生粉红色，加入的白光越多，混合色就越不纯，视觉上的饱和度就越小。二、远方LED积分球测试仪2.1远方LED积分球介绍实物如图2-1图2-1远方LED积分球控温方式：环境控温、自动恒温；涂层：远方专有诗贝伦SPEKTRON涂层，特殊喷涂工艺，漫射性能良好，具有极平坦的光谱反射率曲线特性，易清洁，日久不发黄，长久稳定性好；涂层反射率：R97反射率、R80反射率、UV紫外高反射率；测试方式：如图2-2。4π结构：被测灯具安装在球中心；2π结构：被测灯具安装在球侧面、球顶部。44π结构2π结构2π结构图2-2被测灯不同安装位置2.2远方LED积分球操作流程(1)测试前检查积分卡测试系统，根据所测光源选择积分球，如测LED灯珠用0.3M的小积分球，如测试灯具用2M的大积分球。(2)打开积分球，将所测灯具装在积分球的测架上，接通电源，注意选接积分球接线盒上的电源插口（有灯具接线图和日光灯接线图两类）。(3)打开PF9811智能电量测量仪开关，打开HAAS-1200光谱辐射计开关。打开DPS交流电源开关，按下，检查DPS输出电压是否写被测灯具标称电压一致，不一致时奖DPS设定成与被测灯具标称电压和频率一致（例如：标称是220V50Hz），OK,然后按下DPS的输出开关，如图2-3。检查被测灯是否点亮，点亮OK。图2-3YF-1000系统测控柜三、影响积分球测试仪测试结果的因素及其分析3.1问题所在在使用积分球进行光通量测量过程中，与普通光源不同，LED光源的光通量测量在的测试准确性方面对设备提出了很大的挑战。由于光测量过程中，光在积分球内多次反射，每次反射都有一定的衰5减，而反射率的高和低对光强的影响在多次反射后得以加强。以反射光在球内进行15次反射为例，如果两者的反射率相差5%，则信号的衰减可能会超过一倍以上。而实际上积分球内的反射率差别远远不止于此。一方面LED较普通光源通常具有较强的方向性，通常不会在整个空间均匀地发光。该特性使得LED直射光在积分球表面的分布呈不均匀分布，该不均匀分布又直接导致不同LED的直接反射光相对探测器的反射特性不同。因为探测器口的位置及挡板的设置是固定的，而不同的反射分布直接表现为信号起伏。在普通的测量系统中，不同的正向发散角的LED、同一LED不同的放置方向、同一方向不同位置等差异，即使光通量是一致，表现出来的测量值也表现出极大的差异性。根据客户的验证结果，普通LED测量系统LED的放置方向对光通量测量结果的影响往往超过50%（同一LED在不同方向测量得到的最大信号和最小信号的差异）。在测量不同LED不同发光角度时，由于在积分球内表面的分布差异使得直接反射的分布对探测器的影响也不同，从而直接影响到两者测量的准确性的差异。另一方面LED测量系统通常使用卤钨灯作为标准光源，使用的标准灯本身与LED无论实在外形上、发光的分布特性上还是光谱特性上都有较大的差异。对于LED光源灯具测试安装方向的不同造成的不确定度，因为测试设备条件的限制，LED光源灯具的安装方式只能是垂直向下安装于积分球的中心，不能对安装角度进行调节，所以本次测量的无法对这一因素造成的不确定度进行评定。总结出造成测量结果不确定度的来源：（1）TPS-500B交流测试电源电压波动造成的不确定度；（2）线性探测器的测量误差造成的不确定度；（3）标准灯校准结果的不确定度造成的不确定度；（4）LED光源灯具测试安装方向的不同造成的不确定度；3.2解决办法测试出来的数据必然存在一定的误差，但是至今的技术还是无法完全消除误差，或者将使可以消除误差也要提高巨大的成本代价，所以只能在一定程度上减少误差，最好按标准要求选用与样品光通量相接近、色温接近、外形尺寸相近的标准灯泡进行光通量和颜色标定；对于积分球应选择温度控制精度高并对内部涂层的光谱选择性提出更高要求，以及在使用中对涂层的清洁程度进行完善的保护。此外还应从其余各方面降低影响因素，有效控制光通量检测的测量不确定度。通常采用指定LED以特殊的安装方向进行测试，或者将系统设计成待测光源直接朝向探测端口或背向端口方式。或者在不同角度测量看看他们的差异取平均值。四、实际案例测试结果系统分析以某公司某款型号的LED灯测试报告为例做出测试结果的系统分析，测试报告如图4-1。6图4-1测试报告图首先由图可知被测试灯，实际功率为6.968W，除去误差因素以及误差可接受范围此款球泡灯设计瓦数为7W，可以满足要求。第二看电源功率因素为0.9186根据实际情况以及成本因素以及国家对LED的相关标准一般规定是高于0.9此点亦可满足要求，第三看光效此款球泡灯光效为65.22lm/W，由于现在市场的灯珠光效一般在120lm/W到140lm/W除去电源因素以及灯罩因素一般普通球泡灯的光效可以达到85lm/W到105lm/W可以确定此款灯无法满足要求，原因分析见后文论述。第四看显色指数为82.8对LED灯而言显色指数一般在80到85之间，所以这一点也是可以的，第五看色温。对色温来说有暖色和冷色，前面已有论述此处不再重复，此灯为3504K暖色灯，色温一般设计在某一个范围之内这点也没有什么问题，第六看主图波峰图，由图可知此灯波峰较陡（一般来说波峰平缓比较好）红光较多，这也是为什么光效不高的原因，由此处还可分析出此款灯珠本身也有一定的问题应该是制作灯珠的荧光粉有问题导致红光增加，第七看色拼图如图4-2。7图4-2色品图色品图主要看光源颜色品质和黑×的坐标由图可知黑×偏向黄光和红光方向以及多次测试的偏移方向确定光源的热漂移现象。例如，当我们现在测试一个LED灯，它是冷态的，让灯点几个小时后再去测量就会发现黑×出现了漂移，灯的质量的好坏对于它的漂移大小控制也是非常重要的。