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環保、節能、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，廣泛應用在前照燈、晝間行駛燈、前位燈上，已成為鎢絲燈、鹵素燈的必然替代產品，為汽車照明的發展趨勢[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鍵因素。我國現在使用的光通量標準燈，是以鎢絲為發光體的白熾標準燈，并有相應的國家標準，而目前現有的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，其光通量受環境溫度影響大，光通量不穩定[3,4]。

汽車用LED模塊同傳統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定，傳統的自然散熱方式已經不能滿足此要求，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，保持光通量的穩定，並且能通過調整支臂長度和角度，選取白光LED顆數，保持與待測光源的具有相同的形狀和結構，在此基礎上實現待測LED光源的光通量的精密測試。

2 組合式LED模塊標準光源組結構

組合式LED模塊標準光源組主要由白光LED和可調長度、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芯片激發黃色YAG熒光粉形成白光。因工作為長時連續制，且在無空氣流通的積分球內進行，因此需要特別致冷設計，采用TEC致冷加鋁熱沉傳導散熱方式，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，其右側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

支臂可調節長度和角度，中心處的調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節長度的支臂長度調整旋鈕，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，形成不同形狀的LED模塊，見圖3，圖中1為支臂長度調整旋鈕，2為支臂角度調整螺釘。

圖3 可調支臂簡圖Fig.3 The sketch of adjustable arm

使用時，先根據待測光源模塊的形狀和光通量值，調節支臂的長度和折角θ，確定白光LED的顆數，然后用支臂插入正八邊形鋁熱沉上的插孔內，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。使用不同數量的白光LED和支臂，調整支臂長度調整旋鈕和支臂角度調整螺釘，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，先根據待測光源模塊的形狀和光通量值，調節支臂的長度和折角，確定白光LED的顆數，然后用支臂插入正八邊形鋁熱沉上的插孔內，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。使用不同數量的白光LED和支臂，調整支臂長度調整旋鈕和支臂角度調整螺釘，即可得到不同形狀和光通量的標準模塊。

3 實驗驗證

光通量輸出的不穩定度是光源組的一項重要指標，如果光通量的不穩定度大于5%，則說明光源組的設計不合理。因此，我們取4顆LED，在額定輸出下測量光通量輸出平均光通量的不穩定度，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個數據，實驗數據見表1。

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

根據表1的數據，計算藍光輸出功率平均值為

(1)

方均根誤差為

(2)

不穩定度為

(3)

光通量輸出的不穩定度較低，證明我們設計比較合理。

4 結論

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”和光通量難以穩定控制的兩個難題。組合成的模塊光通量保持穩定，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。其構造簡單、操作簡便、方法科學，精度高。該產品已獲得國家專利，并在國家機動車產品質量監督檢驗中心使用，具有廣泛的應用前景。

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

[2] 么東閣,陳建新,閆靜.大功率白光LED的應用及其可靠性研究[J].照明工程學報,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].照明工程學報, 2012,23(1):51～57.

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

[5] 汽車燈具行業“十二五”專項發展規劃[R].中國汽車工業協會車用燈具委員會,2011.