LED路灯相关的能源之星温度特性试验方法探讨

2021-05-23 照明小编 www.gdzrlj.com
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LED路灯因其种类繁多和应用环境复杂,其光源和灯具的温度环境差异极大。由于LED的光度、色度指标漂移与芯片结温具有很强的相关性,而光度、色度的稳定性和一致性是照明环境的一个基本要求。因此,CIE、IEC以及IES等相关标准化组织高度关注LED照明产品的温度特性,各相关组织在近期出台的各项标准中明确提出了对LED的温度特性或性能温度进行测量。本文介绍并比较了各相关标准中关于LED温度特性和测试的相关要求,并结合各类LED路灯的应用及相关测试设备,对LED温度特性的测试方法进行全面介绍,并给出测试实例,为LED路灯的测试应用提供测试参考方案。

一、概述

众所周知,LED的光色性能对温度具有很强的依赖性,芯片结温的上升会导致其光输出降低和光谱峰值波长的漂移,这种影响对于大功率LED尤其明显。随着LED照明产品的日益广泛应用以及对LED照明产品研究的深入,其温度特性及其标准化测试方法吸引了国内外相关标准化组织的广泛关注,在CIE、IEC以及IES等标准化组织先后发布的多项标准中,对LED的温度敏感性及温度特性提出了明确的要求。

近年来,LED路灯因其在节能和寿命等方面的独特优势,在道路照明领域备受青睐,在“十城万盏”等国家政策的推动下,全国各地相继开展了大量的试点应用。随着应用产品和应用范围的拓展,LED路灯的光源以及灯具的温度环境差异日渐明显,并且不可忽视。具体可表现为:

1.对于同一个LED光源,该光源可能应用于样式各异的道路照明灯具或不同的道路环境中。由不同灯具散热性能的差异或不同应用环境所带来的工作温度的差异均可造成该光源在稳态燃点时的光度、色度指标上的差异;

2.对于同一种类型的LED路灯,其应用环境温度随着季节交替以及安装方式的变换而变化,其光度、色度指标也会随之改变。

因此,将对LED室外照明产品的温度特性的考察作为其性能客观评价的一部分至关重要。目前在道路照明设计的过程中,灯具的选择是依据灯具及灯具中所安装光源的光度测试数据而进行。根据现有的相关测试标准,灯具和光源的光度数据一般在25℃或者(20~27)℃的测试环境中获得,对于温度依赖性很强的LED光源和灯具,这样的测试数据对于照明设计的指导意义有限。而且,随着近期LED温度特性测试相关标准的出台,我们有必要参考相关标准的要求,对各类LED路灯的温度特性进行测试和评价,不仅是为了突破新的贸易壁垒,更重要的是为了促进道路照明设计的正确发展。

二、相关标准对LED温度特性的要求

LED的温度特性并不是一个新话题,早在2008年IES出台的IES LM-79-08以及IES LM-80-08等标准中,LED的温度敏感性已经有所体现。比如,在LED灯测试安装时,按照IES LM-79-08的要求,其燃点姿态应保持与实际工作状态相同,以避免LED散热对测试结果的影响;LED寿命需要在三个不同的温度下测得,并且这三个温度应涵盖其实际使用温度。这些信息已表明,IES制定上述标准时,相比于传统光源,对LED光源的温度依赖性问题予以更为重点的关注。

随着LED温度特性的研究深入,人们对LED的性能与温度的关系有了较为成熟的认识,并且逐步将LED温度特性测试方法和要求明确,不再局限于IES LM-79-08以及IES LM-80-08中的测试或安装要求。

北美照明工程学会(IESNA)在2012年2月针对LED温度特性测试,颁布了测试标准IESNA LM-82-12“IES Approved Method for the Characterization of LED Light Engines and LED Lamps for Electrical and Photometric Properties as a Function of Temperature”(以下简称LM-82),这是第一个针对LED温度特性测试的标准,这也说明LED温度特性测试从研究阶段进入了标准化测试阶段。

2012年11月,美国环保署(EPA)公布的能源之星灯具认证规范V1.2版本中给出规定,对于非定向照明灯具,替换的固态照明光源必须按照LM-82的标准方法测试不同温度下的光色参数。当其安装至灯具中,实际运行温度下的光色参数则根据LM-82中相近温度下的测试数据插值得到,插值计算得到的数据应满足该规范的规定,如表1所示。该规范的出台表明,在北美地区,LED的温度特性测试正式开启,出口至该区域的LED光源及LED灯具将遭遇新的贸易壁垒。

国际电工委员会(IEC)最近出版的通用照明LED模块和LED灯具的性能要求IEC62717及IEC62722中规定,LED模块的光色测量参数应标明其测量时的性能温度。LED灯具可以在25℃的环境温度下测量,但需要给出实际应用温度下的光度参数或者不同温度下光色电参数之间的校正系数,同时需要测量灯具中安装的模块的性能温度。该标准的规定表明,LED模块和LED灯具的性能与温度息息相关,没有温度信息的光色参数,对于LED产品的评价来说,意义十分有限。

国际照明委员会(CIE)的技术委员会TC 2-71“CIE Standard on test methods for LED lamps, luminaires, and modules”在其技术报告中指明,如果LED模块、LED灯、LED灯具的光色电性能在25℃环境温度下测量,那么必须给出厂商要求温度下的光色电参数或者不同温度下光色电参数之间的校正系数。因为25℃的光色度测量值不能作为其在应用环境温度下的性能参数,也就是说,灯或灯具在25℃的环境条件下满足应用要求,当其实际应用温度不是25℃,就可能不再满足应用要求。

三、LED路灯的光度及温度特性测量

1.LED路灯的光度测量

目前,LED路灯的光度测试主要依据GB/T 24824、GB/T 9468以及IESNA LM-79-08等标准的要求进行测试。图1所示为一典型分布光度计,用于测量LED的光强分布以及光通量等光度参数。根据标准要求,光源及灯具的测试环境温度为25℃或(20~27)℃。这对于传统照明光源来说没有问题,但对于LED这类具有较强温度依赖性的照明产品来说,25℃的环境温度普遍低于光源安装到灯具中的实际应用环境温度,且与灯具的实际应用温度也不一定相符。

图1 分布光季度——用于灯光的光分布测试

2.LED温度特性的测量

北美照明工程学会颁布的LM-82是目前为止唯一能够为LED的温度特性测试提供指导的测试标准,该标准适用于LED灯和LED光引擎产品。以下结合测试设备和实际测试案例,对该标准进行简单介绍。

(1)室温绝对光度测量

图2所示为通过美国NVLAP LM-82-12标准方法认可的远方检测校准中心(EVERFINE Test and Calibration Center)所配置的典型LED温度特性测试系统,图2左边为LED初始光度测试系统,该套系统完全满足IESNA LM-79-08的标准要求。

图2 通过NVLAP LM-82标准方法认可的实验室所配的LED温度特性测试系统

(2)升温测量

LM-82标准推荐了三类温控装置:1. 恒温积分球;2.半导体制冷器件;3.温控箱。其中,温控箱可以模拟被测样品的运行环境,通过控制环境温度来控制被测样品上指定一点的Tb温度,与实际应用中的温升原理相似,可靠性也比较高。

图2所推荐的升温测试系统(图2右方)适用于LED光源、模组及灯具的温度特性测试。升温过程中,系统通过温控箱内置的光度探头实时监控LED产品的光色度值。其升温及室温下的光色度测量值可按照标准LM-82进行修正。另外,系统还具备光度自校正功能,以防止高温工作环境下的测量漂移。

(3)LED温度特性测试的典型案例及数据应用

以一典型的LED灯升温光度参数测量为例,利用图2所示设备对其进行升温测试。初始温度为51.5℃,第一升温温度为76.5℃,第二升温温度为91.5℃,由光度测量结果可得到光通量与温度之间的关系,如图3所示。当该LED灯安装至灯具中,其实际应用温度Tb在51.5~91.5℃之间,以80℃为例,其光通量可根据第一升温测量和第二升温测量数据进行线性插值计算,应为265.17lm,则利用该灯具进行照明设计时,应使用265.17lm的光源光通量数据。

图3 示例LED的光通量与温度之间的函数关系

四、结论

本文对CIE、IEC和IES等国际标准组织的相关标准进行了解读和探讨,并给出了能够完全实现其相关标准测试所需的测试系统解决方案。由于LED路灯应用环境的复杂性及灯具热结构的差异,使得LED路灯的光度、色度指标与环境温度具有高度相关且较为复杂的表现。因此,测量不同温度下LED光源的电气和光度参数,是实现LED路灯有效设计的必要手段,也是国际LED照明标准发展的一个重要动态。(本文作者:陈聪 杨培芳 黄艳 岑松原 杭州远方光电信息股份有限公司远方检测校准中心 浙江省半导体照明测试系统工程技术研究中心 本文选自(《半导体照明》杂志第39期)