LED照明產品光色參數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.達姆斯塔特工業大學，德國 達姆斯塔特 64283)

與傳統照明產品相比，LED照明產品具有節能、壽命長、環境友好等諸多優勢。隨著LED技術的發展，相應的照明產品[1～3]在普通照明、汽車、農業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、環境溫度、燈具電源的穩定性、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照明產業計量和測試的一致性，此次比對具有重要的現實意義。

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，在其中選取一定數量的性能優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，以便監測比對傳遞樣品的穩定性。最后，兩個國家將實驗數據進行交換、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境下老化1 000 h，然后在其中選取性能優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)依據的標準。所有測試樣品的測試都是依據該類燈的相關標準[5～8]進行，包括GB/T 29295—2012《反射型自鎮流LED燈性能測試方法》、GB/T 29296—2012《反射型自鎮流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)環境條件及預熱時間。測試環境條件規定要求為溫度(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球泡燈的熱穩定性比較差，需要較長的穩定時間，室內筒燈和室外路燈與其相比所需的穩定時間較短。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，光通量趨于穩定。但為了保證測試數據的準確性，所有LED測試樣品的熱穩定時間均定為2 h。

3)測試設備。根據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計學分析手段，用來度量數據分布的分散程度，以衡量數據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，用于表示數據離散程度大小，為原始數據標準差與原始數據平均數的比，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，球泡燈的測試數據的偏差都在±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路燈測試數據的偏差也在±5%內，但是由于筒燈光束角較窄，積分球不是測試LED室內筒燈的最優選擇，在測試結果中表現出比較大的波動性，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。通過分析發現，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、功率方面的CV數據分析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，只要測試設備按規定周期校準，并且在規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。