廣東產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院 戴高峰

采用半導(dǎo)體（光源）的燈具標(biāo)準(zhǔn)中恒功率要求

廣東產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院 戴高峰

【摘要】與傳統(tǒng)照明光源的光能是由熱能轉(zhuǎn)化而來的不同，半導(dǎo)體材料可直接將電能轉(zhuǎn)換為光；現(xiàn)在用于照明半導(dǎo)體芯片LED（純光源）在工作時(shí)也會(huì)產(chǎn)生較多的熱量，需要散熱器將熱量導(dǎo)出并散發(fā)到環(huán)境中。本文對(duì)在采用半導(dǎo)體（光源） 的燈具標(biāo)準(zhǔn)中增加恒功率考核指標(biāo)進(jìn)行了分析探索。

【關(guān)鍵詞】半導(dǎo)體；試驗(yàn)；功率；分析

LED是一種固態(tài)的半導(dǎo)體組件，半導(dǎo)體芯片LED（純光源）在正向直流電壓下發(fā)光是通過電子與空穴的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，將復(fù)合的能量以光（有效復(fù)合）和熱（無效復(fù)合）的形式釋放，不同種類的半導(dǎo)體芯片LED（純光源）能夠發(fā)出從紅外線到藍(lán)光之間和紫光到紫外線之間等不同波長(zhǎng)的光線。近幾年的新發(fā)展則是在發(fā)出藍(lán)光的半導(dǎo)體芯片LED（純光源）上涂上螢光粉，可以將半導(dǎo)體芯片LED（純光源）上所發(fā)出的藍(lán)光穿過螢光粉轉(zhuǎn)化成發(fā)出白光的產(chǎn)品。此項(xiàng)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(zhuǎn)換為直流電壓、直流電流，并同時(shí)完成與（負(fù)載） ［負(fù)載—半導(dǎo)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(dǎo)體芯片LED（光源）燈具耐久性試驗(yàn)和熱試驗(yàn)

耐久性試驗(yàn)試驗(yàn)期間，箱內(nèi)環(huán)境溫度應(yīng)保持在45℃±2℃。采用半導(dǎo)體芯片LED（光源）燈具耐久性試驗(yàn)后；在通電狀態(tài)下，燈具的功率應(yīng)達(dá)到在試驗(yàn)前的燈具輸入總功率。

熱試驗(yàn)試驗(yàn)期間，燈具的環(huán)境溫度應(yīng)保持在35℃±1℃。采用半導(dǎo)體芯片LED（光源）燈具熱試驗(yàn) （正常工作）、熱試驗(yàn)（異常工作） 試驗(yàn)后；在通電狀態(tài)下，燈具的功率應(yīng)達(dá)到在試驗(yàn)前的輸入總功率。

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

2.合格性判定：

2.1 半導(dǎo)體芯片LED光源在燈具中的焊接點(diǎn)［一個(gè)點(diǎn)光源發(fā)光體（LED）為正、負(fù)兩個(gè)焊接點(diǎn)來計(jì)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(dǎo)體芯片LED點(diǎn)光源組合燈具；半導(dǎo)體芯片LED光源在燈具中的［一個(gè)點(diǎn)光源發(fā)光體（LED）為正、負(fù)兩個(gè)焊接點(diǎn)來計(jì)算］焊接點(diǎn)＜50點(diǎn)，燈具的半導(dǎo)體LED光源處溫度最高溫升值＜30℃。

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

從大量的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：當(dāng)用恒定的直流電壓給采用半導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)體芯片LED（純光源）燈具的功率是增加的；就是說在這種狀態(tài)下半導(dǎo)體芯片LED（純光源）的PN結(jié)電阻是減少的.

這個(gè)現(xiàn)象是由半導(dǎo)體芯片LED（純光源）的特性決定的：半導(dǎo)體芯片LED（純光源）在正向直流電壓下發(fā)光是通過電子與空穴的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，將復(fù)合的能量以光（有效復(fù)合）或熱（無效復(fù)合）的形式釋放，也就是說（PN結(jié)—由半導(dǎo)體芯片組成）PN結(jié)的電阻（負(fù)載）是隨著（直流電壓不變）直流電流的增加和半導(dǎo)體芯片LED（純光源）的溫度升高在不斷減小。

當(dāng)增加通過（PN結(jié)—由半導(dǎo)體芯片組成）PN結(jié)的直流電流；光的有效復(fù)合能量是有極限范圍的，當(dāng)通過PN結(jié)的直流電流超過光的有效復(fù)合能量上限時(shí)；它所產(chǎn)生的漏電流也可以稱為熱阻（無效復(fù)合）會(huì)把PN結(jié)擊穿或使PN結(jié)的阻值消失；從上述試驗(yàn)現(xiàn)象可以得出結(jié)論：半導(dǎo)體芯片LED（純光源）的使用壽命是由半導(dǎo)體芯片LED（純光源）的散熱效率決定。

二、半導(dǎo)體芯片LED（純光源）的基本特性及使用時(shí)的注意事項(xiàng)

1.光電特性

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

2.光學(xué)特性

半導(dǎo)體芯片LED（純光源）按顏色分有紅、橙、黃、綠、藍(lán)、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(fā)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(jià)格相差很大。同時(shí)發(fā)光視角不同，光效亦不同，使用時(shí)需特別注意。

3.常見的半導(dǎo)體芯片LED（純光源）電性能參數(shù)

（1）半導(dǎo)體芯片LED（純光源）正向直流電壓。不同顏色的半導(dǎo)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(lán)色：2.7V～4.0V之間。對(duì)于同種顏色的半導(dǎo)體芯片LED（純光源），其正向直流壓降和光強(qiáng)也不是完全一致的。

（2）半導(dǎo)體芯片LED（純光源）的額定工作電流。半導(dǎo)體芯片LED（純光源）的額定直流電流各不相同，普通的半導(dǎo)體芯片LED（純光源）直流電流一般為20mA，大功率的半導(dǎo)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(shù)值選擇。一般半導(dǎo)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(dǎo)體芯片LED（純光源）的功率。半導(dǎo)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(jù)所選擇的半導(dǎo)體芯片LED（純光源），設(shè)計(jì)合理的使用電路和配置合適的半導(dǎo)體芯片LED（純光源）數(shù)量，使其完全滿足半導(dǎo)體芯片LED（純光源）電源的額定值。

4.溫度特性

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

（2）半導(dǎo)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(dǎo)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(fā)熱，并做一定的散熱處理。

采用大功率的半導(dǎo)體芯片LED（純光源）的燈具除了要注意設(shè)計(jì)散熱外，還要對(duì)引起半導(dǎo)體芯片LED（純光源）受損的其他因素進(jìn)行控制。

有這樣一個(gè)試驗(yàn)，標(biāo)稱為功率為1.0W的白光半導(dǎo)體芯片LED（純光源）；在給它施加正向直流電壓3.0V，半導(dǎo)體芯片LED（純光源）發(fā)光；通過半導(dǎo)體芯片LED（純光源）的直流電流顯示值為350mA；當(dāng)按照燈具安全標(biāo)準(zhǔn)GB7000.1進(jìn)行熱試驗(yàn)時(shí)給半導(dǎo)體芯片LED（純光源）施加1.06倍的電壓時(shí)，它的正向直流電壓為3.18V時(shí)，半導(dǎo)體芯片LED（純光源）發(fā)光；半導(dǎo)體芯片LED（純光源）直流電流值顯示值為1258mA，實(shí)測(cè)功率約為4.0W。

假設(shè)給標(biāo)稱為功率為1.0W的白光半導(dǎo)體芯片LED（純光源） 樣品施加正向直流電壓3.0V，半導(dǎo)體芯片LED（純光源）發(fā)光；它顯示的350mA直流電流己經(jīng)是這個(gè)樣品的半導(dǎo)體芯片LED（純光源）直流電流極限參數(shù)范圍內(nèi)的極限值了；隨著半導(dǎo)體芯片LED（純光源）直流電流的增加不會(huì)再產(chǎn)生光子（有效復(fù)合）了，只會(huì)產(chǎn)生大量熱（無效復(fù)合）；如果再增加正向直流電壓，它的直流電流就會(huì)向上直線地增加，它的半導(dǎo)體芯片LED（純光源）就有可能會(huì)受損；通過這個(gè)試驗(yàn)現(xiàn)象，得出結(jié)論，此樣品的極限功率就是1.0W。

如何才能有效地控制半導(dǎo)體芯片LED（純光源）的正常發(fā)光，又不致于使半導(dǎo)體芯片LED（純光源）因過熱而受損，我認(rèn)為應(yīng)該在半導(dǎo)體芯片LED（純光源）前增加限制半導(dǎo)體芯片LED（純光源）［負(fù)載—半導(dǎo)體芯片LED（純光源）］功率（負(fù)載）的裝置。當(dāng)調(diào)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(shí)，半導(dǎo)體芯片LED（純光源）所通過負(fù)載的直流電流就會(huì)減少；反之，當(dāng)調(diào)整LED控制器輸出端直流電流，假如將通過負(fù)載的直流電流增加時(shí)，它輸出的直流電壓就會(huì)自動(dòng)降低。以達(dá)到恒功率的目的，從而保證半導(dǎo)體芯片LED（純光源）不會(huì)很快受損。

如何才能使半導(dǎo)體光源可以按GB7000.1的燈具通用標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)兀挥性诎雽?dǎo)體芯片LED（純光源）前增加限制半導(dǎo)體芯片LED（純光源）功率（負(fù)載）的裝置來控制半導(dǎo)體光源電參數(shù)的總功率；才能保證半導(dǎo)體芯片LED（純光源）在正常發(fā)光時(shí)不會(huì)受損；達(dá)到其設(shè)計(jì)的使用壽命。

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