LED照明產品光色參數(shù)測量比對及結果分析

孫雪嬌，趙麗霞，GANEV Hristo，WAGNER Max，KHANH Tran Quoc

(1.中國科學院半導體研究所，北京 100083；2.中國科學院大學，北京 100049；3.達姆斯塔特工業(yè)大學，德國 達姆斯塔特 64283)

與傳統(tǒng)照明產品相比，LED照明產品具有節(jié)能、壽命長、環(huán)境友好等諸多優(yōu)勢。隨著LED技術的發(fā)展，相應的照明產品[1～3]在普通照明、汽車、農業(yè)等應用領域的占有率不斷提高。隨著應用的不斷推廣，對LED照明產品測量結果準確度的要求也越來越高。然而，測量的準確度不僅由儀器校準、測試過程所決定，還與被測樣品的特性緊密相關，這些因素都成為構成測量結果不確定度的一個分量。例如，評價一個LED產品的性能，最常用的指標就是光通量[4]，而光通量的測試結果容易受到燈座類型、環(huán)境溫度、燈具電源的穩(wěn)定性、預熱時間等因素的影響。對于同一種照明產品，采取不同的測量方法之間也存在差異。這些不確定因素嚴重影響著LED照明市場的健康發(fā)展。因此，為了更好地了解LED照明產品的計量差異，提高中德兩國LED照明產業(yè)計量和測試的一致性，此次比對具有重要的現(xiàn)實意義。

1 比對流程和安排

比對的大體流程如圖1所示。首先傳遞樣品的選擇，包括測量設備校準，待選LED產品進行首次測試，然后經歷一定時間的老化過程，在其中選取一定數(shù)量的性能優(yōu)良的燈作為傳遞標準。主導實驗室對傳遞標準進行第一次測試，然后同一國家的其他實驗室進行測試，測試完畢后，將傳遞樣品送往另外一個國家的各實驗室進行測試。待對方國家測試完畢后，樣品返還到傳遞樣品的提供國，該國的主導實驗室進行二次測試，以便監(jiān)測比對傳遞樣品的穩(wěn)定性。最后，兩個國家將實驗數(shù)據(jù)進行交換、分析。

圖1 比對試驗測試流程圖Fig.1 Test flow of LED comparison

1)傳遞樣品的篩選。樣品篩選主要通過前期的老化實驗得到。所有的被選LED樣品都是在兩國的燈具市場隨機選取，包括至少10個LED球泡燈、10個LED筒燈、10個LED路燈。在進行測試之前，為了確保測試結果的一致性，減少LED照明產品本身不穩(wěn)定帶來的影響，所有LED照明產品在進行實驗之前均在常溫環(huán)境下老化1 000 h，然后在其中選取性能優(yōu)良的樣品作為傳遞樣品。圖2是1 000 h老化試驗過程中LED球泡燈的光通量和相對色溫(CCT)變化情況，其中LED球泡燈的光通量取10個球泡燈光通量的平均值，CCT取10個球泡燈色溫的平均值。可以看出，經過400 h的老化試驗以后，傳遞樣品的性能趨于穩(wěn)定。為了保證測試的準確性，本比對的初始老化時間定為1 000 h，最終選取3個LED球泡燈、2個LED筒燈、2個LED路燈構成一組傳遞樣品。

2)傳遞路線。比對試驗在中德兩國的六個實驗室之間進行，每個國家分別選取3個實驗室，并從中選取具有代表性的一個實驗室最為主導實驗室。其中一個國家提供的一組傳遞樣品被稱為系列A，另外一個國家提供的另一組樣品被稱為系列B。對于系列A，樣品的傳遞順序為實驗室3，實驗室5，實驗室6，實驗室1，實驗室2，實驗室4，其中實驗室3為主導實驗室；對于系列B，樣品的傳遞順序為實驗室1，實驗室2，實驗室4，實驗室3，實驗室5，實驗室6，其中實驗室1為主導實驗室。

2 比對技術要求

1)依據(jù)的標準。所有測試樣品的測試都是依據(jù)該類燈的相關標準[5～8]進行，包括GB/T 29295—2012《反射型自鎮(zhèn)流LED燈性能測試方法》、GB/T 29296—2012《反射型自鎮(zhèn)流LED燈性能要求》、IES LM-79-08《Approved Method: Electrical and Photometric Measurements of Solid-State Lighting Products》、IES LM-80-08《Approved Method: Measuring Lumen Maintenance of LED Light Sources》。

2)環(huán)境條件及預熱時間。測試環(huán)境條件規(guī)定要求為溫度(25±1)℃，相對濕度不超過65%。LED傳遞樣品測試前的熱穩(wěn)定時間為2 h。對預熱時間的選取非常重要，只有合理的預熱時間選定，才能確保所有的參比實驗室在相同的條件下進行測試。因為LED產品具有不同的熱分散設計，不同產品達到熱平衡的時間不同。LED球泡燈的熱穩(wěn)定性比較差，需要較長的穩(wěn)定時間，室內筒燈和室外路燈與其相比所需的穩(wěn)定時間較短。圖3是LED球泡燈的光通量隨時間的變化情況。當預熱時間超過60 min 后，光通量趨于穩(wěn)定。但為了保證測試數(shù)據(jù)的準確性，所有LED測試樣品的熱穩(wěn)定時間均定為2 h。

3)測試設備。根據(jù)不同傳遞標準的特點，可選用球形光度計或分布式光度計進行測量。對于LED球泡燈，球形光度計(即積分球)和分布式光度計均可用于測量；對于室內筒燈和室外路燈，主要采用分布式光度計進行測量。所用測試設備校準均經本國的計量機構校準。

3 比對結果

3.1 分析方法

標準偏差是最常用的統(tǒng)計學分析手段，用來度量數(shù)據(jù)分布的分散程度，以衡量數(shù)據(jù)值偏離算術平均值的程度。標準偏差越小，這些值偏離平均值就越少，反之亦然。其計算公式如下：

(1)

(2)

CV是變異系數(shù)，用于表示數(shù)據(jù)離散程度大小，為原始數(shù)據(jù)標準差與原始數(shù)據(jù)平均數(shù)的比，計算公式為

(3)

3.2 比對結果分析

兩國共有6個實驗室參加了這次計量比對試驗。對于球泡燈，測量設備是積分球和C-γ分布式光度計。其中系列A為一個國家提供的LED照明產品總稱，系列B是另外一個國家提供的LED照明產品總稱。對于系列A來說，主導實驗室是實驗室3；對于系列B來說，主導實驗室是實驗室1。圖4是不同實驗室對這兩個系列傳遞樣品的測試結果歸一化分析情況，其中圖(a)是LED球泡燈光通量歸一化分析結果，而圖(b)是LED室內筒燈和LED室外路燈的歸一化化分析結果。圖4中標識了偏差的最大值和最小值，以主導實驗室的測量結果作為標準值，所有的偏差都是與主導實驗室的測試結果相比得到的偏差。由圖4(a)可以得出，球泡燈的測試數(shù)據(jù)的偏差都在±5%之內，其中系列B的測試結果的一致性更好，系列A球泡燈的測試結果一致性較差，最大的偏差表現(xiàn)在實驗室2對球泡燈1-1的測試結果上，偏差為-4.9%。通過分析圖4(b)可以得出，LED筒燈和LED路燈測試數(shù)據(jù)的偏差也在±5%內，但是由于筒燈光束角較窄，積分球不是測試LED室內筒燈的最優(yōu)選擇，在測試結果中表現(xiàn)出比較大的波動性，特別是對于系列A室內筒燈2-10的測量偏差最大，為-4.8%。

圖4 不同實驗室對LED照明產品的光通量比對分析結果Fig.4 Relative normalized luminous flux for different LED lighting products measured by different labs

圖5是LED產品CCT測試比對情況。通過分析發(fā)現(xiàn)，所有LED照明產品的CCT偏差都在±250 K以內(以主導實驗室的測量結果作為標準值)。

圖6是LED照明產品的光通量、相對色溫(CCT)、電功率(P)、功率因子(PF)的CV評價分析，通過計算分析可以得出，所有照明產品的CV偏差都在4%以內。再綜合以上分析，可以得出，只要設備按時校準并在相同的測試條件下,如預熱時間、環(huán)境溫度等，得到的測試結果基本一致。

圖5 不同實驗室對LED照明產品的CCT測試比對分析結果Fig.5 Measured values of correlated color temperature for different LED lighting products measured by different labs

圖6 LED照明產品在光通量、CCT、功率因數(shù)、功率方面的CV數(shù)據(jù)分析Fig.6 The coefficient of variation of flux,CCT,power and power factor for retrofit lamps and luminaires

4 結論

中德兩國以LED球泡燈、LED筒燈和LED路燈作為傳遞標準，進行了光通量和色溫的測量比對。比對結果表明，盡管各實驗室采用了不同的測試設備、測試方法和校準方式，這些照明產品的光通量的測量誤差都在±5%以內，CCT的測量偏差在±250 K以內，CV偏差在4%以內。因此，只要測試設備按規(guī)定周期校準，并且在規(guī)定的測試條件下進行測試，兩國6個不同實驗室間的測試結果的偏差在可接受范圍之內。此次比對將為中德兩國的LED產品的國際貿易及技術交流提供計量參考。