LED测试方法及测试内容

LED 测试方法及要求 半导体发光二极管 led 是新型的发光体 电光效率高 体积小 寿命长 电 压低 节能和环保 是下一代理想的照明器件 LED 光电测试是检验 LED 光电 性能的重要而且唯一的手段 相应的测试结果是评价和反映当前我国 LED 产业 发展水平的依据 制定 LED 光电测试方法的标准是统一衡量 LED 产品光电性能 的重要途径 是使测试结果真实反映我国 LED 产业发展水平的前提 本文结合 最新的 LED 测试方法的国家标准 介绍了 LED 的光电性能测试的几个主要方面 一 引言一 引言 半导体发光二极管 LED 已经被广泛应用于指示灯 信号灯 仪表显示 背光源 车载光源等场合 尤其是白光 LED 技术的发展 LED 在照明领域的应 用也越来越广泛 但是过去对于 LED 的测试没有较全面的国家标准和行业标准 在生产实践中只能以相对参数为依据 不同的厂家 用户 研究机构对此争议 很大 导致国内 LED 产业的发展受到严重影响 因此 半导体发光二极管测试 方法国家标准应运而生 二 二 LEDLED 测试方法测试方法 基于 LED 各个应用领域的实际需求 LED 的测试需要包含多方面的内容 包括 电特性 光特性 开关特性 颜色特性 热学特性 可靠性等 1 电特性 LED 是一个由半导体无机材料构成的单极性 PN 结二极管 它是半导体 PN 结二极管中的一种 其电压 电流之间的关系称为伏安特性 由图 1 可知 LED 电特性参数包括正向电流 正向电压 反向电流和反向电压 LED 必须在合适 的电流电压驱动下才能正常工作 通过 LED 电特性的测试可以获得 LED 的最大 允许正向电压 正向电流及反向电压 电流 此外也可以测定 LED 的最佳工作 电功率 图 1 LED 伏安特性曲线 LED 电特性的测试一般利用相应的恒流恒压源供电下利用电压电流表进行 测试 2 光特性 类似于其它光源 LED 光特性的测试主要包括光通量和发光效率 辐射通 量和辐射效率 光强和光强分布特性和光谱参数等 1 光通量和光效 有两种方法可以用于光通量的测试 积分球法和变角光度计法 变角光度 计法是测试光通量的最精确的方法 但是由于其耗时较长 所以一般采用积分 球法测试光通量 如图 2 所示 现有的积分球法测 LED 光通量中有两种测试结 构 一种是将被测 LED 放置在球心 另外一种是放在球壁 图 2 积分球法测 LED 光通量 此外 由于积分球法测试光通量时光源对光的自吸收会对测试结果造成影 响 因此 往往引入辅助灯 如图 3 所示 图 3 辅助灯法消除自吸收影响 在测得光通量之后 配合电参数测试仪可以测得 LED 的发光效率 而辐射 通量和辐射效率的测试方法类似于光通量和发光效率的测试 2 光强和光强分布特性 图 4 LED 光强测试中的问题 如图 4 所示 点光源光强在空间各方向均匀分布 在不同距离处用不同接 收孔径的探测器接收得到的测试结果都不会改变 但是 LED 由于其光强分布的 不一致使得测试结果随测试距离和探测器孔径变化 因此 CIE 127 提出了两 种推荐测试条件使得各个 LED 在同一条件下进行光强测试与评价 目前 CIE 127 条件已经被各 LED 制造商和检测机构引用 图 5 CIE 127 推荐 LED 光强测试条件 3 光谱参数 LED 的光谱特性参数主要包括峰值发射波长 光谱辐射带宽和光谱功率分 布等 单色 LED 的光谱为单一波峰 特性以峰值波长和带宽表示 而白光 LED 的光谱由多种单色光谱合成 所有 LED 的光谱特性都可由光谱功率分布表示 而由 LED 的光谱功率分布还可计算得到色度参数 光谱功率分布的测试需要通过分光进行 将各色光从混合的光中区分出来 进行测定 一般可以采用棱镜和光栅实现分光 图 6 白光 LED 光谱功率分布 3 开关特性 LED 开关特性是指 LED 通电和断电瞬间的光 电 色变化特性 通过 LED 开关特性的测试可以获得 LED 在通断电瞬间工作状态 物质属性等的变化规律 由此不仅可了解通断电对 LED 的损耗 也可用以指导 LED 驱动模块的设计等 4 颜色特性 ONq bI LED 的颜色特性主要包括色品坐标 主波长 色纯度 色温及显色性等 LED 的颜色特性对白光 LED 尤为重要 现有的颜色特性测试方法有分光光度法和积分法 如图 7 所示 分光光度 法是通过单色仪分光测得 LED 光谱功率分布 之后利用色度加权函数积分获得 对应色度参数 积分法是利用特定滤色片配合光电探测器直接测得色度参数 分光光度法的准确性要大大高于积分法 图 7 LED 颜色特性测试方法 5 热学特性 LED 的热学特性主要指热阻和结温 热阻是指沿热流通道上的温度差与通 道上耗散的功率之比 结温是指 LED 的 PN 结温度 LED 的热阻和结温是影响 LED 光电性能的重要因素 现有的对 LED 结温的测试一般有两种方法 一种是采用红外测温显微镜或 微型热偶测得 LED 芯片表面的温度并视其为 LED 的结温 但是准确度不够 另 外一种是利用确定电流下的正向偏压与结温之间反比变化的关系来判定 LED 的 结温 6 可靠性 LED 的可靠性包括静电敏感度特性 寿命 环境特性等 静电敏感度特性是指 LED 能承受的静电放电电压 某些 LED 由于电阻率较 高 且正负电极距离很短 若两端的静电电荷累积到一定值时 这一静电电压 会击穿 PN 结 严重时可将 PN 结击穿导致 LED 失效 因此必须对 LED 的静电敏 感度特性进行测试 获得 LED 的静电放电故障临界电压 目前一般采用人体模 式 机器模式 器件充电模式来模拟现实生活中的静电放电现象 为了观察 LED 在长期连续使用情况下光性能的变化规律 需要对 LED 进行 抽样试验 通过长期观察和统计获得 LED 寿命参数 对于 LED 环境特性的试验往往采用模拟 LED 在应用中遇到的各类自然侵袭 一般有 高低温冲击试验 湿度循环试验 潮湿试验 盐雾试验 沙尘试验 辐照试验 振动和冲击试验 跌落试验 离心加速度试验等 三 国家标准的制定三 国家标准的制定 总结以上测试方法 半导体发光二极管测试方法国家标准对 LED 电特性 光学特性 热学特性 静电特性及寿命测试都作了相应的规定 对于电特性测试 标准分别规定了 LED 正向电压 反向电压 反向电流的 测试框图 对于光通量测试 标准规定采用 2 立体角测试结构 对于光强测 试 标准引用了 CIE 127 的推荐条件 此外 对光谱测试 热学特性测试 静 电放电敏感度测试 寿命测试等都作了明确的规定 四 结论四 结论 国家标准的制定总结了现有 LED 的测试方法 将其中的科学适用的方法升级为标准测 试方法 很好地消除了各界在 LED 测试领域存在的分歧 也使测试结果更加真实地反映我 国 LED 产业的整体水平 但是鉴于 LED 技术还在处于不断地发展之中 国家标准的制定 并不是一劳永逸的 应当时刻将最新最合适的测试技术引入标准之中 LED 电源采用恒压还是恒流 LED 串并联使用方法 2011 05 18 15 39 LED 串并联使用方法 1 大功率 LED 的工作电流通常有 350mA 700mA 和 1000mA 等不同 对于这些 大功率 LED 工作时 应当在每一串 LED 中都用恒流驱动方式 也就是说大功率 LED 绝不建议采用直接并联的方式 如因电路结构的不同 确实需要采用 并联 的模式 必须才用多路恒流电路分别控制每串的 LED 否则极易产生并联 LED 的 亮度与发热不均现象 2 在使用较多的小功率 LED 如 5mm 进行串并联的时候 不建议使用恒流 源供电 而应该采用稳压源 并且每串 LED 都必须串联适当的的电阻以分压 同时平衡各串的电流 3 当存在多个并联支路的情况下采用一路的恒流源 首先由于 LED 的 VF 差 异 无法保证每一路电流的平衡 甚至出现严重不良后果 其次 当一路发生 开路时 该路的电流会分到其他路上 使得其他支路的电流增大 加速其他的 寿命衰减或损坏 4 由于 LED 并不是十分要求电流的稳定 在适当范围的电流波动造成的光强 波动 人眼基本上是感觉不到的 之所以提出要用恒流 是因为电压的较小变 动会引起电流较大的变动 尤其对于大功率 LED 采用恒流电源 是为了批量生 产的适应性 并不表示非恒流源而不能使 LED 安全工作 现在有关这个问题有很多各种不同似是而非的说法 有人说 在 LED 的伏安特 性上 电压定了 电流也就定了 所以采用恒压和恒流效果是一样的 有人说 LED 并联时就应该采用恒压电源供电 而 LED 串联时就应该采用恒流电源供电 有人说 因为 LED 是恒流器件 所以要用恒流源供电 有人说 采用市电供电 时就应该采用恒压电源供电 采用蓄电池供电时 就应该采用恒流电源供电 至于为什么这样要求 似乎谁也说不明白 那么 到底是应该采用恒压电源 还是恒流电源供电呢 首先来看一 下 LED 到底是什么样的器件 因为 LED 的亮度是和它的正向电流成正比 而且 一些 LED 的结构决定了它的散热也就是功耗 所以大多数 LED 会给出额定电流 例如 5 为 20mA 1W 的为 350mA 等 但这并不等于 LED 只能工作于这些额定 电流 更不意味着 LED 就是一个恒流器件 例如 Cree 的 1 瓦 LED 和 3 瓦 LED 是 同一型号 电流从 350mA 加大到 700mA 功率就从 1W 加大成 3W 所以这个 LED 可以工作在 350 700mA 之间的任意值 要深入了解这个问题首先要知道 LED 的 伏安特性 1 1 LEDLED 的伏安特性的伏安特性 LED 的中文名字就是发光二极管 所以它本身就是一个二极管 它的伏安特性 和一般的二极管伏安特性非常相似 只不过通常曲线很陡 例如一个 20mA 的草 帽 LED 的伏安特性如图 1 所示 图 1 小功率 LED 的伏安特性 假如用干电池或蓄电池供电 那么因为 LED 伏 安特性的非线性 很小的电压变化就会引起很大的电流变化 上图中电源电压 在 3 3V 时正向电流为 20mA 的 LED 如果用 3 节干电池供电 新的电池电压超过 1 5V 3 节就是 4 5V LED 的电流就会超过 100mA 很快就会烧坏 对于 1W 的 大功率 LED 也是如此 图 2 是某公司 1W 的 LED 伏安特性 而一个 12V 蓄电池的 电压 在充满电到快放完电的电压可以从 14 5V 降到 10 5V 相差将近 20 从 伏安特性上可以看出 电源电压的 10 的变化 3 4V 3 1V 就会引起正向电 流的 3 5 倍的变化 从 350mA 变到 100mA 图 2 1W 大功率 LED 的伏安特性 2 2 伏安特性的温度系数 伏安特性的温度系数 到现在为止 还有很多人以为 LED 电压定了 电流也就定了 所以采用恒压和 恒流是一样的 实际上 LED 的伏安特性并不是固定的 而是随温度而变化的 所以电压定了 电流并不一定 而是随温度变化的 这是因为是 LED 是一个二 极管 它的伏安特性具有负温度系数的特点 图 3 伏安特性的温度特性 温度系数通常是 2mV 度 1 5 2 5mV C 也就是随着温度的升高 其伏安特性左移 假如所加的电压为恒定 那么显然 电流会增加 而 LED 本身的效率很低 温升很高 加电以后 假如散热不好 其温度很容易上升到八 九十度以上 假定采用 3 3V 恒压源常温下工作在 20mA 而温度升高到 85 度时 电流就会增加到 35 37mA 而其亮度并不增加 电流增加只会使它的温升更高 这样就会增加光衰 降低寿命 而且如果 不用恒流源而用恒压源供电时 常温下工作在 20mA 时 到了 40 度时 电流就会 降低至 8 10mA 亮度会降低 对于 1W 的大功率 LED 芯片 情况也是一样 而且由于功率大 散热更不容易 温升问题更加严重 可以说 除了散热 问题以外 采用恒压电源供电是引起光衰的主要原因 所以原则上来说 LED 是 禁止采用恒压电源供电的 3 3 用恒压电源以后能不能靠串联电阻来稳定电流 用恒压电源以后能不能靠串联电阻来稳定电流 串联电阻只有限流的作用 也就是如果电源电压比 LED 串联以后的电压还要高 那么就需要串联电阻来限流 以免损坏 LED 但是如果想要用串联电阻来减小温 度的影响 它的作用是很小的 这可以从伏安特性上看出 串联电阻以后的确 可以减小温升带来的电流升高 电阻越大 电流随温度变化越小 但是只是减 小 并不能消除 而且很明显 电阻将带来额外的功耗 使得 LED 的总体效率 降低 假定所用的 LED 为 1W 的 LED 其电流为 0 35A 假定串联的电阻为 100 欧姆 所消耗的功率就高达 12 25W 显然是不能接受的 即使把电阻降低到 10 欧姆 其功耗仍然有 1 225W 比 LED 本身的功耗还要大 为了减小这种功耗 就必须把电阻再减小 然而 减小电阻的结果是使得由温升所引起的电流变化 还是照样加大 所以 串联电阻决不是一个好办法 图 4 串联电阻只能减小温度的影响 而不能消除其影响 4 4 几个 几个 LEDLED 并联 能不能用恒压电源 并联 能不能用恒压电源 由于 LED 伏安特性的离散性 不 但不同厂家生产的同样瓦数的 LED 伏安特性不一样 就是同一厂家生产的同一 型号的 LED 其伏安特性也是不同的 图 5 不同厂家和同一厂家生产的 LED 伏安特性的离散性 很明显 假如用恒压电源 3 4V 供电 显然流过每个 LED 的电流都不一样 每个 LED 的亮度也就不一样 所以不能采用恒压电源供电 5 5 多个多个 LEDLED 并联后 采用恒压电源供电 能不能用不同的串联电阻来使电流平并联后 采用恒压电源供电 能不能用不同的串联电阻来使电流平 衡 衡 在常温下是可以的 但在温升以后就不能保持了 图 6 中就显示了这个问题 常温下的 LED 伏安特性以实线表示 两个 LED 的伏安特性在斜率上略有区别 在用恒压电源 Vo 供电时 选用不同的电阻 可以得到同样的正向电流 Io 但是 当温度升高时 其伏安特性左移 如虚线所示 因为还是原来的恒压和原来的 电阻 此时的电流却变成了 I1 和 I2 不等于原来的 Io 了 图 6 串联电阻可以在常温下保持其电流不变 但在温升以后就不能保持电流平 衡 6 N6 N 个个 LEDLED 串联后 假如用恒压电源供电 其温度效应 由温升而引起的电流增串联后 假如用恒压电源供电 其温度效应 由温升而引起的电流增 加 将会扩大加 将会扩大 N N 倍 这是因为所有倍 这是因为所有 LEDLED 串联以后相当于各个串联以后相当于各个 LEDLED 的伏安特性沿的伏安特性沿 电压轴串联电压轴串联 图 6 多个 LED 串联 相当于多个伏安特性在恒流点叠接 加电以后温度上 升 所有伏安特性左移 温升以后 N 个伏安特性都左移 就使电流的增 加也加大了 N 倍 如果采用恒流电源供电 那么温升以后 仍然能够保持电流 恒定为 Io 7 7 多个多个 LEDLED 串联时 采用恒流电源供电时 可以利用伏安特性的温度效应推测串联时 采用恒流电源供电时 可以利用伏安特性的温度效应推测 其结温的上升度数其结温的上升度数 在很多应用中 例如日光灯 路灯 往往将很多 LED 串联 这时候 LED 的温 度系数效应就更加明显 因为采用恒流电源供电时其效果相当于把每一个 LED 的伏安特性沿电压轴叠加 假如温升为 60 度 那么伏安特性将会向左偏移 0 12V 如果 10 个 LED 串联 所有伏安特性全部左移 总偏移就会达到 1 2V 这是相当可观的数字 反过来也可以利用 LED 的这种特性来测量其结温 例如有一个 10 串 3 并的 LED 组合 在接上恒流电源以后 测得其正向压降从 32 3V 降低到 30 6V 变化达 1 7V 那么可以推测其结温升高为 1 7 10 002 85 度 8 8 恒流供电时 在串并联电路中如何保证每串的电流均衡恒流供电时 在串并联电路中如何保证每串的电流均衡 假如用恒流电源只供给一串 LED 那当然是最理想的了 但是 假如要供给几串 并联的 LED 那如何能保证每串中的电流一样呢 是的 假如用恒流源供给 几串并联的 LED 由于 LED 伏安特性的离散性 各串的电流是一定不一样的 但 是实际上 由于各串 LED 不大可能某一串里都是正向电压偏低的 另一串里都 是正向电压偏高的 而是会相对均匀分布 所以各串之间的电流不会相差很大 9 9 在恒流供电的串并联电路中 如何避免因某个 在恒流供电的串并联电路中 如何避免因某个 LEDLED 损坏所引起的问题损坏所引起的问题 假如只是两串并联 而且其中某一串的一个 LED 坏了 开路 这时候不但这 一串不亮 而且所有的电流都会流到另一串 使得另一串的电流加大一倍 用 不了多久也会坏掉 为了避免一个坏了一串不亮 那么可以采用全部并串联的 方法 也就是每串中的任何一个都和其他串中的同样位置的 LED 并联 这样 任何一个坏了 开路 只是这一个不亮 其余的 LED 仍然都亮 但是假如并 联的 LED 只有两串 其中有一个 LED 开路了 电流就都流到和它并联的另一个 LED 中去 它的电流也加大一倍 使得这一个 LED 寿命不长 很快烧掉 假如烧 坏是开路 那么就会导致所有 LED 全部不亮 但其它的 LED 损害并不严重 因 为没有长期工作于过流状态 为了减小某一个 LED 损坏以后对其它 LED 的影响 希望并联的 LED 串数越多越好 图 7 中画出了 3 串 5 并而且同行相并的图 这 时候 某一个 LED 坏了 总电流分散到其余的 4 个 LED 中 总电流在每一行所 有并联的 LED 中分配 正向电压偏低的 LED 分到的电流就会大一些 但不致造 成太大的危害 图 7 三串五并中的每一个 LED 都和其它串中同样位置的 LED 相并联 而且只是这一行的电流分到其余 4 路中去 而其它几行都还是和原来一样 假如 LED 坏的时候是短路而不是开路 那么这一行的其它几个 LED 就都不亮了 当然为了避免这个现象 最好的办法是在每个 LED 上都并联一个稳压管 而各串之间不要并联 这时候任何一个 LED 坏了 开路 稳压管就导通 电 流的分配关系变化很小 短路则就是少一个 LED 发光 图 7 每个发光二极管都并联一个稳压管 采用这种方法以后 就不需要再同行并联了 结构结构任何一个坏了 开路 任何一个坏了 开路 任何一个坏了 短任何一个坏了 短 路 路 单独一串这一串开路不亮这一个不亮 两串并联 这一串不亮 另一串所有 LED 电流加 倍 寿命缩短 很快都坏 这一个不亮 这一 串电流略为加大 两串中两两并 联 这一个不亮 同行另一个电流加倍 很快坏掉 如为开路 所有不亮 如 为短路这一行两个 LED 不亮 这一个不亮 和它 并联的另一个也不 亮 N 串同行并联 这一个不亮 同行其余电流加大 N N 1 倍 N 越大越安全 这一个不亮 和它 并联的其它各个也 都不亮 每个 LED 并联 稳压管 各串 并联 只是这一个不亮 对其它影响不大只是这一个不亮 那么是不是恒压电源在 LED 照明中就无用武之地了呢 完全不是这样 1010 在市电 在市电 LEDLED 路灯中采用恒压开关电源加恒流模块的方法供电路灯中采用恒压开关电源加恒流模块的方法供电 任何市电供电的系统里 都需要一个 AC DC 的开关电源 有两种供电方法 一种是在开关电源里加上恒流反馈控制电路 保证输出电流恒定 但是这种方 法大多只能单路大电流输出 而且恒流的精度不高 还有一种是 前面采用恒 压电源 后面加很多路恒流模块 这种方案灵活性很高 恒流精度也高 例如 一个 150W 300W 的市电 LED 路灯供电方案图如下 而且 这种结构的最大 优点是可以程序调光 可节省能源达 40 以上 变压器绕法 高频变压器的两种基本绕法 顺序绕法和三明治绕法 普通顺序绕法 普通顺序绕法 一般的单输出电源