组合式LED模块标准光源组研究

凌 铭，张建文，章世骏

(1.上海汽车灯具研究所，上海 201805；2.上海机动车检测中心，上海 201805)

1 引言

LED环保、节能、长寿命、抗震、色纯度高，是先进的汽车照明光源，高亮度白色LED将在未来几年内达到100lm/W的输出，且可以组成各种形状的光源模块，具有极大的竞争力，广泛应用在前照灯、昼间行驶灯、前位灯上，已成为钨丝灯、卤素灯的必然替代产品，为汽车照明的发展趋势[1,2]。

由于使用积分球测量光通量是一种十分方便、常用的测量方法，这种方法需要用一只光通量标准灯(可由分布光度计标定)，该标准灯和待测灯要有类似的外形尺寸和形状，光谱相同，否则会引起较大的测试误差，因此标准灯是光源光通量测试的关键因素。我国现在使用的光通量标准灯，是以钨丝为发光体的白炽标准灯，并有相应的国家标准，而目前现有的LED光通量标准灯，仅是类似于白炽灯泡的单颗LED，其光通量小，远低于汽车用LED模块光源的光通量，采用自然散热方式，其光通量受环境温度影响大，光通量不稳定[3,4]。

汽车用LED模块同传统白炽灯光源有较大差别，首先是汽车用LED模块不是点光源，形状各异，千差万别；其次，汽车用LED模块的光通量数值大，范围广，光通量值从几百流明到上千流明，这就使得测试用的标准光源，要保持与待测LED模块形状相近，就不可能像传统白炽灯光源那样仅有几只标准灯即满足光源测试要求，同时要保持光通量大、工作温度高的LED标准光源模块的输出光通量稳定，传统的自然散热方式已经不能满足此要求，因此，要测量汽车车灯的LED模块的光通量，就急需一种新型的LED模块标准光源[5]。

本文研究了一种能对各种形状的白光LED模块进行光通量测量的标准光源组。它不但能让白光LED在恒定温度下工作，保持光通量的稳定，並且能通过调整支臂长度和角度，选取白光LED颗数，保持与待测光源的具有相同的形状和结构，在此基础上实现待测LED光源的光通量的精密测试。

2 组合式LED模块标准光源组结构

组合式LED模块标准光源组主要由白光LED和可调长度、角度的支臂组成。

白光LED是光源组最重要的组成部分，采用通用的蓝光LED芯片激发黄色YAG荧光粉形成白光。因工作为长时连续制，且在无空气流通的积分球内进行，因此需要特别致冷设计，采用TEC致冷加铝热沉传导散热方式，同时铝热沉起支撑作用。见图1和图2，将蓝光LED芯片直接粘在热电制冷器TEC的中心位置上，方形框架粘在热电制冷器TEC制冷面的外边缘，其内的荧光体将蓝光LED芯片封盖住并与方形框架上面平齐，蓝光LED芯片的电源线穿过方形框架左壁，热电制冷器TEC制热面镶嵌在正八边形铝热沉的上平面内，其右侧的电源线未触及上平面，插孔对称分布在正八边形铝热沉的8个侧面的中心处。

图1 白光LED简图Fig.1 The sketch of white-light LED

图2 白光LED的剖面图Fig.2 The section drawing of white-light LED

支臂可调节长度和角度，中心处的调角螺钉可使支臂分成的两部分能绕其折成任意角度，两部分中心处各装有可调节长度的支臂长度调整旋钮，支臂的两端可紧密插入白光LED的正八边形铝热沉上的任一插孔内，形成不同形状的LED模块，见图3，图中1为支臂长度调整旋钮，2为支臂角度调整螺钉。

图3 可调支臂简图Fig.3 The sketch of adjustable arm

使用时，先根据待测光源模块的形状和光通量值，调节支臂的长度和折角θ，确定白光LED的颗数，然后用支臂插入正八边形铝热沉上的插孔内，将白光LED1逐一插接起来，与待测光源模块形状相仿，作为积分球测量的标准光源。使用不同数量的白光LED和支臂，调整支臂长度调整旋钮和支臂角度调整螺钉，即可得到不同形状和光通量的标准模块。见图4，图中1为白光LED，2为支臂，θ为支臂折角。

图4 组合式LED模块标准光源组(4颗LED和三个支臂组成)Fig.4 Modular standard LED source (4 LED and 3 armes)

使用时，先根据待测光源模块的形状和光通量值，调节支臂的长度和折角，确定白光LED的颗数，然后用支臂插入正八边形铝热沉上的插孔内，将白光LED逐一插接起来，与待测光源模块形状相仿，作为积分球测量的标准光源。使用不同数量的白光LED和支臂，调整支臂长度调整旋钮和支臂角度调整螺钉，即可得到不同形状和光通量的标准模块。

3 实验验证

光通量输出的不稳定度是光源组的一项重要指标，如果光通量的不稳定度大于5%，则说明光源组的设计不合理。因此，我们取4颗LED，在额定输出下测量光通量输出平均光通量的不稳定度，实验时，单颗LED光通量425lm，四颗为1700lm，每隔10min记录一次输出光通量值，共采集10个数据，实验数据见表1。

表1 输出平均光通量表Table 1 The table of average out put luminous fluxt

根据表1的数据，计算蓝光输出功率平均值为

(1)

方均根误差为

(2)

不稳定度为

(3)

光通量输出的不稳定度较低，证明我们设计比较合理。

4 结论

组合式LED模块标准光源组可组合成多种形状，确保与待测光源的形状相符，理论上可实现形状零误差，LED芯片直接封装在热电制冷器TEC上，可保持光通量恒定，成功地解决了LED模块测试“一个形状需一种标准光源”和光通量难以稳定控制的两个难题。组合成的模块光通量保持稳定，与待测LED模块相仿，可作为汽车车灯LED模块积分球光通量测试的标准光源。其构造简单、操作简便、方法科学，精度高。该产品已获得国家专利，并在国家机动车产品质量监督检验中心使用，具有广泛的应用前景。

[1] 凌铭，张建文，黄中荣，等.汽车灯具的发展趋势[J].照明工程学报,2013,24(3):106～112.

[2] 么东阁,陈建新,闫静.大功率白光LED的应用及其可靠性研究[J].照明工程学报,2011,22(2):43～46.

[3] 刘康,郭震宁,林介本.高亮度白光LED混色理论及其实验研究[J].照明工程学报, 2012,23(1):51～57.

[4] 郝允祥，陈遐举，张保洲.光度学[M].北京：中国计量出版社，2003：172～174.

[5] 汽车灯具行业“十二五”专项发展规划[R].中国汽车工业协会车用灯具委员会,2011.