一種基于LED燈絲燈的標準燈的研制

劉 慧，劉 建，趙偉強，林延東，蘇 穎，姜 琳

(中國計量科學研究院，北京 100029)

一種基于LED燈絲燈的標準燈的研制

劉 慧，劉 建，趙偉強，林延東，蘇 穎，姜 琳

(中國計量科學研究院，北京 100029)

本文依據標準燈的特定要求，研制了一種基于LED 燈絲燈的總光通量標準燈。這種燈的預熱時間為5～9 min，而其他種類LED的預熱時間至少為30 min; 量值短期重復性優于0.1%; 連續點燃35 h的光通量變化小于0.16%，連續點燃6 045 h光通量的變化小于2.3%，光衰率約為白熾燈燈的1/30; 對LED燈絲標準燈進行了長期穩定性考察，在歷時10個月的多次測量中光通量變化小于0.3%；此外LED 燈絲燈比白熾燈更耐震動。這種LED燈絲標準燈的主要特性優于JJG 247—2008《總光通量標準白熾燈檢定規程》中對白熾標準燈的要求，在CCPR 和CIE 建立基于LED光度單位量值傳遞體系中，有望成為替代白熾標準燈的主要燈種。

標準燈；LED標準燈；發光二極管；光通量；光度；LED 燈絲燈

引言

為節約能源，我國目前已經禁止銷售15 W以上的普通照明白熾燈。LED光源由于其顯著的節能效果,隨著每流明價格的降低，成為替代白熾燈的主要光源。然而LED的光譜功率分布和光強空間分布與傳統白熾光源相差很大，如果沿用白熾標準燈的測量方法，LED測量結果的誤差很大。2012年，國際能源署組織、由世界上110多家實驗室參與的白光LED燈測量比對結果表明，各個實驗室光通量測量結果對平均值的偏差高達±5%，而測量白熾燈僅為±1%。[1]LED 的光色特性不同于白熾燈，用白熾燈作為標準測量LED燈顯然不合理。同時白熾標準燈的制造工藝復雜、要求高，價格昂貴。隨著LED光源逐步替代白熾燈和部分氣體放電燈，為了提高測量準確性必須研制LED標準燈代替白熾標準燈，這項工作已經被列為CCPR 和CIE 的戰略發展規劃。

1 關于光度計量標準

光度單位量值的傳遞通常有兩種方法：①基于源的方法，即標準燈；②基于光度探測器的方法[2-4]。標準燈長期穩定性好，三十年的量值的變化小于0.25%，但需要維護多組標準燈組和供電、電測設備。標準探測器短期穩定性優于標準燈，具有良好的線性，只需一個探測器就能滿足寬量程的測量，但長期穩定性差。目前僅NIST 采用探測器用于光度量值單位的保存和傳遞。

國際計量委員會(BIPM)下屬光度和輻射度咨詢委員會(CCPR)僅在1997年舉行過一次以探測器作為傳遞標準的國際比對CCPR K3b (光度計響應度)，其余光度領域的國際比對都是用標準燈作為傳遞標準。從目前的技術現狀看，標準燈比標準探測器更適合量值的長期保存。CCPR K3a(發光強度) 和CCPR K4 (總光通量)的國際比對都是使用白熾標準燈作為傳遞標準，比對取得了較好的一致性，但是在測量LED時，各國實驗室的測量結果一致性較差。2013年CCPR出版的戰略規劃中明確指出由于白光LED的光譜不同于光譜平坦的白熾燈，用白熾燈做標準來測量LED會使得LED 的測量結果偏差大，并且測量過程更復雜，推進實現固態照明產品LED向SI單位的準確溯源是CCPR未來的一項重要工作，并且在這份規劃中有三個地方強調提升LED計量水平的重要性和迫切性。

CCPR的工作并不是要采用一種新的方法復現SI單位，而是要找出一種簡單的方法實現LED向SI單位的準確溯源。研究表明使用LED燈替代白熾燈作為傳遞標準，可以使得LED測量結果的不確定度降低至少3%[4-7]。隨著白熾燈的淘汰，白熾標準燈變得更加稀缺,以及LED標準燈能有效減小測量結果的不確定度，CCPR成立了兩個工作組WG-KC TG4“先行研究用于光度國際比對的備用標準”(Pilot Study for the use of alternative standards for photometric comparisons)和WG-SP TG12”在光度測量中使用白光LED的論壇“(Discussion Forum on use of white LED sources in photometry)。用于光度、色度、輻射度測量新的校準光源和照明體(New Calibration Sources and Illuminants for Photometry, Colorimetry, and Radiometry)被列為CIE的十大戰略規劃之一[8]。

研制LED白光標準燈無疑是簡化LED測量過程，減小測量誤差，提高測量結果一致性，縮短量值傳遞鏈的最有效手段，也是應對白熾標準燈短缺的有效措施。

2 LED標準燈的研制

2.1 標準燈的要求及現狀

標準燈用于光度單位量值的保存和傳遞的一種計量器具。它是專門設計制造的一種特殊類型的燈。標準燈應具有良好的量值再現性和長期穩定性，此外光強空間分布還應具有良好的角度特性。[9-11]。標準燈的特性要求與標準燈使用時所需的不確定度密切相關，業內對于標準燈的一般要求見表1。圖1 和圖2分別為國際比對所用的polaron LF 200(90 V, 2.0 A, 2 200 lm) 標準燈和我國BDT2(100 V, 1.2 A, 1 500 lm)標準燈。

表1 光通量標準燈的一般要求Table 1 Criteria for photometric standard lamp screening

圖1 國際比對用polaron LF 200總光通量標準燈Fig.1 Polaron LF 200 Total luminous flux standard lamp using as an transferring standard in international comparison

圖2 BDT2 總光通量標準燈Fig.2 BDT2 Total luminous flux standard lamp

日本計量院 NMIJ 和德國計量院 PTB 通過外加恒溫控制系統或制冷系統的方式，研制的LED 標準燈，計量特性性良好。但外形與商用LED 燈的差別較大，燈座不兼容，還需另加供電系統，使用不夠方便，無法在一般檢測實驗室推廣使用。圖3 和圖4 分別為日本計量院 NMIJ 和德國計量院 PTB 所研制的LED 標準燈。

圖3 NMIJ 研制的恒溫控制的LED 標準燈Fig.3 Temperature controlled LED standard lamp by NMIJ

圖4 PTB研制的大功率2 500 lm的LED標準燈Fig.4 High power LED standard lamp with 2 500 lm by PTB

2.2 LED燈絲標準燈的研制和特性

LED 的基本結構是一個半導體P-N 結，當電流流過過 LED 元件時，P-N 結的溫度上升。在恒定電流時隨著結溫升高LED的光通量會隨之降低[12-13]，溫度系數約為0.16%/℃～0.20%/℃。常見LED 燈如球泡燈、平板燈、PAR 燈的組成一般為若干顆單獨封裝的LED串并聯，工作模式為低電壓大電流，采用熱沉通過熱傳導方式進行散熱。單顆LED的功率高熱穩定性差。一般需要至少 30 min 才能達到熱平衡，光輸出達到穩定。散熱設計良好的LED 球泡燈預熱 30 min 后光通量的重復性為1.0%，傳統LED 燈工作時由于結溫高使得熒光粉易于老化變性，且封裝材料為有機材料，在高溫下也容易發生變性，長期穩定性差, 因此這些結構的燈均不適宜直接用做標準燈。長期穩定性差一直是困擾LED標準燈研制的一個難題。LED 燈絲燈(見圖5)的每個燈絲由28顆LED串聯固定于藍寶石基底上，能快速達到熱平衡，工作時芯片的結溫約為120 ℃，玻殼表面溫度僅為40 ℃，即使長期連續點燃熒光粉也僅緩慢變化。LED燈絲燈是一種新型的LED光源，其外觀形狀和空間光強分布與傳統白熾燈相接近，光效高達140 lm/W～180 lm/W。經過工藝質量的嚴格控制，有望制作成為標準燈。

圖5 LED燈絲燈及燈絲結構Fig.5 LED filament lamp and filament construction

在商用LED 燈絲燈的基礎上，我們經過燈絲布置設計改進、燈絲材料篩選、老化篩選等環節，成功研制了4 W LED 燈絲總光通量標準燈，有交流或直流兩種供電方式，色溫2 700 K或6 000 K。其典型參數為直流20 mA 、128 V、470 lm;交流220 V、32 mA、580 lm。其特性全部滿足表1對標準燈的特性要求，其中光衰特性僅為傳統白熾標準燈的1/30。

圖6 DC20160229-1# 4 W LED燈絲燈短期重復性Fig.6 Short-term repeatability of a 4 W LED filament lamp

為了考察LED 燈絲燈的短期重復性我們將DC20160229-1# 4 W LED 燈絲標準燈，室溫25.0 ℃時恒流20 mA點燃20 min, 熄滅30 min,同樣條件下再次點燃20 min,共點燃三次，以第一次點燃20 min時的光通量值對測量結果進行歸一，測量結果見圖6。從圖中的數據可見其預熱時間小于9 min, 在整個點燃過程中量值的重復性優于0.1%。

對一只未經老化的4 W LED燈絲標準燈我們還考察了其連續點燃35 h的光通變化和電壓變化，測量結果見圖7。JJG 247—2008規范中要求白熾標準燈老化后的穩定性應滿足：在規定參考電流(或電壓)下點燃8 h，總光通量的變化小于0.2%，電壓變化小于0.05%(對于真空燈)和0.07%(對于充氣燈)。從圖7可見LED燈絲標準燈35 h的光通量變化小于0.16%，電壓變化小于0.05%，優于白熾燈點燃8 h的指標。

圖7 LED燈絲燈點燃35 h光通量及電壓變化Fig.7 Relative deviation of luminous flux and voltage during 35 h uninterrupted buring

對一組LED燈絲燈我們進行了長期穩定性考核，光通量隨點燃時間的變化見圖7，其中DC201604-5# 燈我們老化500 h之后，僅在測試時點燃，平時靜置在實驗室中。由圖8的測量結果可見，歷經10個月點燃6 045 h后，LED燈絲燈的光通量的最大變化為2.3%，僅為傳統白熾標準燈的光衰率的1/50。長期重復性優于0.3%，這些指標均優于 JJG 247—2008對工作基準白熾標準燈的要求。

我們還對LED燈絲燈的燈絲排布進行了改進，使得燈泡底部的光分布的均勻性增加，減小了用積分球測量時由于光分布造成的測量誤差。我們所研制的4 W LED燈絲標準燈及光分布見圖9。

圖8 LED燈絲燈點燃6 045 h光通量隨時間變化關系Fig.8 Relationship of luminous flux versus 6 045 h burning time

3 總結及展望

隨著LED 被廣泛用于照明領域，為減小測量誤差簡化測量過程，我們研制了新的基于LED 的光度標準燈。經過近一年的實驗考察，這種LED燈絲標準燈表現出了良好的長期穩定性和短期穩定性，其指標與傳統白熾標準燈等同，光衰率遠優于白熾燈，光分布與BDT2型標準燈接近，且具有較強的抗震性，易于運輸。 但是這種標準燈目前的功率僅為

圖9 4 W LED燈絲標準燈及其光分布Fig.9 4 W LED filament standard lamp and its luminous intensity spatial distribution

4 W, 光通量約為500 lm,近期我們將研制出1 000 lm的光通燈。這種燈的長期穩定性還需進一步考察，光強空間分布均勻性還有待提高，品種和種類還有待豐富。

[1] OHNO Y, NARA K. Solid State Lighting Annex 2013, Interlaboratory Comparison Final Report. International Energy Agency, 2014. http://ssl.iea-4e.org.

[2] METZDORF J, SPERLING A, A new FEL-type quartz-halogen lamp as an improved standard of spectral irradiance. Metrologia,1998,35:423-426I.

[3] OHNO Y, JACKON J K. Characterization of modified FEL quartz-halogen lamps for photometric standards.Metrologia,1995,32:693-69604.

[4] OSA Handbook of Applied Photometry.

[5] LIU H, et al. Experimental Estimation of the Effect of Spectrum Distribution to LED Colormetric Quantities//Proceedings of CIE 2012 “Lighting Quality and Energy Efficiency”.

[6] LIU H, et al.Characterization of LED Filamernt Lamp for Luminous Flux Standard//Proceedings CIE Session 2016.

[7] D?NSBEKG T, PULLI T, POIKONEN T, et. al. New source and detector technology for the realization of photometric units. Metrologia,2014,51(6):S276-S281.

[8] Future photometry based on solid-state lighting products.http:// msu.euramet.org/si_broader_scope_2015/SRT-s13.pdf.

[9] SPERLING A, BENTLAGE V.A stabilized transfer-standard system for spectral irradiance. Metrologia, 1998,35:437-440.

[10] 發光強度標準燈檢定規程:JJG 246—2005[S].北京：中國計量出版社，2005.

[11] 總光通量標準白熾燈檢定規程：JJG 247—2008[S].北京：中國計量出版社，2008.

[12] PARK S, KIM Y. Preparation of a standard light-emitting diode(LED) for photometric measurements by functional seasoning. Metrologia, 2006，43：299-305.

[13] First Development of the Standard LED Covering the full Visible light. http:// www.aist.go.jp/aist_e/list/latest_research/2016/20160414/en20160414.html.

The Development of LED Filament Standard Lamp

LIU Hui, LIU Jian, ZHAO Weiqiang, LIN Yandong, SU Ying，Jiang Lin

(NationalInstituteofMetrology,Beijing100029,China)

According to the performance requirements of standard lamp, a kind of LED filament standard lamp has been developed. This kind of LED lamp has a shorter warm-up time about 5～9 min, but the other LED lamps need 30 min at least. The short-term stability of luminous flux is less than 0.10%, and the relative fluctuation of luminous flux is less than 0.16% during 35-hours uninterrupted burning. The maximum descent of luminous flux is 2.3% after 6 045 h burning, which is one-thirtieth of incandescent standard lamp. The long-term stability has been investigated, the relative fluctuation of luminous flux is less than 0.3% during the 10-month measurement, it is also insensitive to shock. The main characteristics of this LED filament lamp are superior to the criteria for incandescent lamp on JJG 247—2008CalibrationSpecificationforIncandescentBulb. It should be a candidate of luminous flux standard lamp in “Future photometry based on solid-state lighting products”progrom of CCPR and CIE.

standard lamp; LED-based standard lamp; light-emitting diode; luminous flux; photometry; LED filament lamp

O432.3

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2017.02.003