組合式LED模塊標準光源組研究

凌 銘，張建文，章世駿

(1.上海汽車燈具研究所，上海 201805；2.上海機動車檢測中心，上海 201805)

1 引言

LED環(huán)保、節(jié)能、長壽命、抗震、色純度高，是先進的汽車照明光源，高亮度白色LED將在未來幾年內(nèi)達到100lm/W的輸出，且可以組成各種形狀的光源模塊，具有極大的競爭力，廣泛應(yīng)用在前照燈、晝間行駛燈、前位燈上，已成為鎢絲燈、鹵素?zé)舻谋厝惶娲a(chǎn)品，為汽車照明的發(fā)展趨勢[1,2]。

由于使用積分球測量光通量是一種十分方便、常用的測量方法，這種方法需要用一只光通量標準燈(可由分布光度計標定)，該標準燈和待測燈要有類似的外形尺寸和形狀，光譜相同，否則會引起較大的測試誤差，因此標準燈是光源光通量測試的關(guān)鍵因素。我國現(xiàn)在使用的光通量標準燈，是以鎢絲為發(fā)光體的白熾標準燈，并有相應(yīng)的國家標準，而目前現(xiàn)有的LED光通量標準燈，僅是類似于白熾燈泡的單顆LED，其光通量小，遠低于汽車用LED模塊光源的光通量，采用自然散熱方式，其光通量受環(huán)境溫度影響大，光通量不穩(wěn)定[3,4]。

汽車用LED模塊同傳統(tǒng)白熾燈光源有較大差別，首先是汽車用LED模塊不是點光源，形狀各異，千差萬別；其次，汽車用LED模塊的光通量數(shù)值大，范圍廣，光通量值從幾百流明到上千流明，這就使得測試用的標準光源，要保持與待測LED模塊形狀相近，就不可能像傳統(tǒng)白熾燈光源那樣僅有幾只標準燈即滿足光源測試要求，同時要保持光通量大、工作溫度高的LED標準光源模塊的輸出光通量穩(wěn)定，傳統(tǒng)的自然散熱方式已經(jīng)不能滿足此要求，因此，要測量汽車車燈的LED模塊的光通量，就急需一種新型的LED模塊標準光源[5]。

本文研究了一種能對各種形狀的白光LED模塊進行光通量測量的標準光源組。它不但能讓白光LED在恒定溫度下工作，保持光通量的穩(wěn)定，並且能通過調(diào)整支臂長度和角度，選取白光LED顆數(shù)，保持與待測光源的具有相同的形狀和結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)待測LED光源的光通量的精密測試。

2 組合式LED模塊標準光源組結(jié)構(gòu)

組合式LED模塊標準光源組主要由白光LED和可調(diào)長度、角度的支臂組成。

白光LED是光源組最重要的組成部分，采用通用的藍光LED芯片激發(fā)黃色YAG熒光粉形成白光。因工作為長時連續(xù)制，且在無空氣流通的積分球內(nèi)進行，因此需要特別致冷設(shè)計，采用TEC致冷加鋁熱沉傳導(dǎo)散熱方式，同時鋁熱沉起支撐作用。見圖1和圖2，將藍光LED芯片直接粘在熱電制冷器TEC的中心位置上，方形框架粘在熱電制冷器TEC制冷面的外邊緣，其內(nèi)的熒光體將藍光LED芯片封蓋住并與方形框架上面平齊，藍光LED芯片的電源線穿過方形框架左壁，熱電制冷器TEC制熱面鑲嵌在正八邊形鋁熱沉的上平面內(nèi)，其右側(cè)的電源線未觸及上平面，插孔對稱分布在正八邊形鋁熱沉的8個側(cè)面的中心處。

圖1 白光LED簡圖Fig.1 The sketch of white-light LED

圖2 白光LED的剖面圖Fig.2 The section drawing of white-light LED

支臂可調(diào)節(jié)長度和角度，中心處的調(diào)角螺釘可使支臂分成的兩部分能繞其折成任意角度，兩部分中心處各裝有可調(diào)節(jié)長度的支臂長度調(diào)整旋鈕，支臂的兩端可緊密插入白光LED的正八邊形鋁熱沉上的任一插孔內(nèi)，形成不同形狀的LED模塊，見圖3，圖中1為支臂長度調(diào)整旋鈕，2為支臂角度調(diào)整螺釘。

圖3 可調(diào)支臂簡圖Fig.3 The sketch of adjustable arm

使用時，先根據(jù)待測光源模塊的形狀和光通量值，調(diào)節(jié)支臂的長度和折角θ，確定白光LED的顆數(shù)，然后用支臂插入正八邊形鋁熱沉上的插孔內(nèi)，將白光LED1逐一插接起來，與待測光源模塊形狀相仿，作為積分球測量的標準光源。使用不同數(shù)量的白光LED和支臂，調(diào)整支臂長度調(diào)整旋鈕和支臂角度調(diào)整螺釘，即可得到不同形狀和光通量的標準模塊。見圖4，圖中1為白光LED，2為支臂，θ為支臂折角。

圖4 組合式LED模塊標準光源組(4顆LED和三個支臂組成)Fig.4 Modular standard LED source (4 LED and 3 armes)

使用時，先根據(jù)待測光源模塊的形狀和光通量值，調(diào)節(jié)支臂的長度和折角，確定白光LED的顆數(shù)，然后用支臂插入正八邊形鋁熱沉上的插孔內(nèi)，將白光LED逐一插接起來，與待測光源模塊形狀相仿，作為積分球測量的標準光源。使用不同數(shù)量的白光LED和支臂，調(diào)整支臂長度調(diào)整旋鈕和支臂角度調(diào)整螺釘，即可得到不同形狀和光通量的標準模塊。

3 實驗驗證

光通量輸出的不穩(wěn)定度是光源組的一項重要指標，如果光通量的不穩(wěn)定度大于5%，則說明光源組的設(shè)計不合理。因此，我們?nèi)?顆LED，在額定輸出下測量光通量輸出平均光通量的不穩(wěn)定度，實驗時，單顆LED光通量425lm，四顆為1700lm，每隔10min記錄一次輸出光通量值，共采集10個數(shù)據(jù)，實驗數(shù)據(jù)見表1。

表1 輸出平均光通量表Table 1 The table of average out put luminous fluxt

根據(jù)表1的數(shù)據(jù)，計算藍光輸出功率平均值為

(1)

方均根誤差為

(2)

不穩(wěn)定度為

(3)

光通量輸出的不穩(wěn)定度較低，證明我們設(shè)計比較合理。

4 結(jié)論

組合式LED模塊標準光源組可組合成多種形狀，確保與待測光源的形狀相符，理論上可實現(xiàn)形狀零誤差，LED芯片直接封裝在熱電制冷器TEC上，可保持光通量恒定，成功地解決了LED模塊測試“一個形狀需一種標準光源”和光通量難以穩(wěn)定控制的兩個難題。組合成的模塊光通量保持穩(wěn)定，與待測LED模塊相仿，可作為汽車車燈LED模塊積分球光通量測試的標準光源。其構(gòu)造簡單、操作簡便、方法科學(xué)，精度高。該產(chǎn)品已獲得國家專利，并在國家機動車產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心使用，具有廣泛的應(yīng)用前景。

[1] 凌銘，張建文，黃中榮，等.汽車燈具的發(fā)展趨勢[J].照明工程學(xué)報,2013,24(3):106～112.

[2] 么東閣,陳建新,閆靜.大功率白光LED的應(yīng)用及其可靠性研究[J].照明工程學(xué)報,2011,22(2):43～46.

[3] 劉康,郭震寧,林介本.高亮度白光LED混色理論及其實驗研究[J].照明工程學(xué)報, 2012,23(1):51～57.

[4] 郝允祥，陳遐舉，張保洲.光度學(xué)[M].北京：中國計量出版社，2003：172～174.

[5] 汽車燈具行業(yè)“十二五”專項發(fā)展規(guī)劃[R].中國汽車工業(yè)協(xié)會車用燈具委員會,2011.