采用半導體（光源）的燈具標準中恒功率要求

廣東產品質量監督檢驗研究院 戴高峰

采用半導體（光源）的燈具標準中恒功率要求

廣東產品質量監督檢驗研究院 戴高峰

【摘要】與傳統照明光源的光能是由熱能轉化而來的不同，半導體材料可直接將電能轉換為光；現在用于照明半導體芯片LED（純光源）在工作時也會產生較多的熱量，需要散熱器將熱量導出并散發到環境中。本文對在采用半導體（光源） 的燈具標準中增加恒功率考核指標進行了分析探索。

【關鍵詞】半導體；試驗；功率；分析

LED是一種固態的半導體組件，半導體芯片LED（純光源）在正向直流電壓下發光是通過電子與空穴的復合運動，將復合的能量以光（有效復合）和熱（無效復合）的形式釋放，不同種類的半導體芯片LED（純光源）能夠發出從紅外線到藍光之間和紫光到紫外線之間等不同波長的光線。近幾年的新發展則是在發出藍光的半導體芯片LED（純光源）上涂上螢光粉，可以將半導體芯片LED（純光源）上所發出的藍光穿過螢光粉轉化成發出白光的產品。此項操作一般需要搭配LED控制器 ，LED控制器的主要功能就是將交流電壓、交流電流轉換為直流電壓、直流電流，并同時完成與（負載） ［負載—半導體芯片LED（純光源）］功率相匹配的直流電壓和直流電流。

一、采用半導體芯片LED（光源）燈具耐久性試驗和熱試驗

耐久性試驗試驗期間，箱內環境溫度應保持在45℃±2℃。采用半導體芯片LED（光源）燈具耐久性試驗后；在通電狀態下，燈具的功率應達到在試驗前的燈具輸入總功率。

熱試驗試驗期間，燈具的環境溫度應保持在35℃±1℃。采用半導體芯片LED（光源）燈具熱試驗 （正常工作）、熱試驗（異常工作） 試驗后；在通電狀態下，燈具的功率應達到在試驗前的輸入總功率。

1.試驗方法：采用半導體芯片LED（光源）的燈具在燈具所標稱的最大電流連接處連接熱電偶測量燈具的LED光源溫度。

2.合格性判定：

2.1 半導體芯片LED光源在燈具中的焊接點［一個點光源發光體（LED）為正、負兩個焊接點來計算］＞50，燈具的輸入總功率＞25W；燈具的LED光源處溫度最高溫升值＜20℃.

2.2 有限的半導體芯片LED點光源組合燈具；半導體芯片LED光源在燈具中的［一個點光源發光體（LED）為正、負兩個焊接點來計算］焊接點＜50點，燈具的半導體LED光源處溫度最高溫升值＜30℃。

2.3 集成式半導體芯片LED光源燈具：半導體芯片LED光源在燈具中的［發光體（LED）只有正、負兩極的光源板供人們連接在燈具上通電的焊接點］光源處溫度最高溫升值＜40℃。

從大量的試驗中發現：當用恒定的直流電壓給采用半導體芯片LED（純光源）的燈具供電，在保持（直流電壓不變）通電的情況下，采用半導體芯片LED（純光源）的燈具直流電流是慢慢增加的，即采用半導體芯片LED（純光源）燈具的功率是增加的；就是說在這種狀態下半導體芯片LED（純光源）的PN結電阻是減少的.

這個現象是由半導體芯片LED（純光源）的特性決定的：半導體芯片LED（純光源）在正向直流電壓下發光是通過電子與空穴的復合運動，將復合的能量以光（有效復合）或熱（無效復合）的形式釋放，也就是說（PN結—由半導體芯片組成）PN結的電阻（負載）是隨著（直流電壓不變）直流電流的增加和半導體芯片LED（純光源）的溫度升高在不斷減小。

當增加通過（PN結—由半導體芯片組成）PN結的直流電流；光的有效復合能量是有極限范圍的，當通過PN結的直流電流超過光的有效復合能量上限時；它所產生的漏電流也可以稱為熱阻（無效復合）會把PN結擊穿或使PN結的阻值消失；從上述試驗現象可以得出結論：半導體芯片LED（純光源）的使用壽命是由半導體芯片LED（純光源）的散熱效率決定。

二、半導體芯片LED（純光源）的基本特性及使用時的注意事項

1.光電特性

半導體芯片LED（純光源）在其直流電流極限參數范圍內流過半導體芯片LED（純光源）的直流電流越大，它的發光亮度越高。即半導體芯片LED（純光源）的亮度與通過半導體芯片LED（純光源）的直流電流在一定范圍內是成正比的。但綠光和藍光及白光在大電流情況下會出現飽和現象，不僅發光效率大幅降低，而且使用壽命也會縮短。

2.光學特性

半導體芯片LED（純光源）按顏色分有紅、橙、黃、綠、藍、紫、白等多種顏色。按亮度分有普亮、高亮、超高亮等，同種芯片在不同的封裝方式下，它的亮度也不相同。按人的視覺可分為可見光和不可見光。按發光顏色的多少可分為單色、雙色、七彩等多種類型。色彩的純度不同，價格相差很大。同時發光視角不同，光效亦不同，使用時需特別注意。

3.常見的半導體芯片LED（純光源）電性能參數

（1）半導體芯片LED（純光源）正向直流電壓。不同顏色的半導體LED（純光源）在額定的正向直流電流條件下，有著各自不同的正向直流壓降值，紅、黃色：1.8V～2.5V之間，綠色和藍色：2.7V～4.0V之間。對于同種顏色的半導體芯片LED（純光源），其正向直流壓降和光強也不是完全一致的。

（2）半導體芯片LED（純光源）的額定工作電流。半導體芯片LED（純光源）的額定直流電流各不相同，普通的半導體芯片LED（純光源）直流電流一般為20mA，大功率的半導體芯片LED（純光源）直流電流一般為40mA到350mA不等。具體要按各封裝廠提供的電流參數值選擇。一般半導體芯片LED（純光源）在反向直流電壓VR=5V的條件下，反向直流電流IR=10A.

（3）半導體芯片LED（純光源）的功率。半導體芯片LED（純光源）功率的大小也各不相同，有70mW、100mW、1W、2W、3W、5W等，所以必須根據所選擇的半導體芯片LED（純光源），設計合理的使用電路和配置合適的半導體芯片LED（純光源）數量，使其完全滿足半導體芯片LED（純光源）電源的額定值。

4.溫度特性

（1）半導體芯片LED（純光源）的焊接溫度應在250℃以下，焊接時間控制在3s～5s之間。要注意避免半導體芯片LED（純光源）溫度過高從而使芯片受損。

（2）半導體芯片LED（純光源）的亮度輸出與溫度成反比，溫度不僅影響半導體芯片LED（純光源）的亮度，也影響它的壽命。使用中盡量減少電路發熱，并做一定的散熱處理。

采用大功率的半導體芯片LED（純光源）的燈具除了要注意設計散熱外，還要對引起半導體芯片LED（純光源）受損的其他因素進行控制。

有這樣一個試驗，標稱為功率為1.0W的白光半導體芯片LED（純光源）；在給它施加正向直流電壓3.0V，半導體芯片LED（純光源）發光；通過半導體芯片LED（純光源）的直流電流顯示值為350mA；當按照燈具安全標準GB7000.1進行熱試驗時給半導體芯片LED（純光源）施加1.06倍的電壓時，它的正向直流電壓為3.18V時，半導體芯片LED（純光源）發光；半導體芯片LED（純光源）直流電流值顯示值為1258mA，實測功率約為4.0W。

假設給標稱為功率為1.0W的白光半導體芯片LED（純光源） 樣品施加正向直流電壓3.0V，半導體芯片LED（純光源）發光；它顯示的350mA直流電流己經是這個樣品的半導體芯片LED（純光源）直流電流極限參數范圍內的極限值了；隨著半導體芯片LED（純光源）直流電流的增加不會再產生光子（有效復合）了，只會產生大量熱（無效復合）；如果再增加正向直流電壓，它的直流電流就會向上直線地增加，它的半導體芯片LED（純光源）就有可能會受損；通過這個試驗現象，得出結論，此樣品的極限功率就是1.0W。

如何才能有效地控制半導體芯片LED（純光源）的正常發光，又不致于使半導體芯片LED（純光源）因過熱而受損，我認為應該在半導體芯片LED（純光源）前增加限制半導體芯片LED（純光源）［負載—半導體芯片LED（純光源）］功率（負載）的裝置。當調整LED控制器輸出端正向直流電壓，假如將正向直流電壓增大時，半導體芯片LED（純光源）所通過負載的直流電流就會減少；反之，當調整LED控制器輸出端直流電流，假如將通過負載的直流電流增加時，它輸出的直流電壓就會自動降低。以達到恒功率的目的，從而保證半導體芯片LED（純光源）不會很快受損。

如何才能使半導體光源可以按GB7000.1的燈具通用標準的要求進行試驗呢，只有在半導體芯片LED（純光源）前增加限制半導體芯片LED（純光源）功率（負載）的裝置來控制半導體光源電參數的總功率；才能保證半導體芯片LED（純光源）在正常發光時不會受損；達到其設計的使用壽命。

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