LED照明产品在生产在线测试的可行性与必要性

前言
LED因其省电、环保的特性,普遍被认为是下世代的主流照明技术,各厂商各国政府无不看好此项技术,纷纷投入大量资源投资,然而时至今日,LED照明相对偏高的价格,让市场的开展始终不如预期。除了价格因素之外,LED照明的规格标示不一、参差不齐的质量、无法预期的可靠度等等,也都是LED照明市场推广的阻碍。有鉴于此,各LED照明标准纷纷出台,对量测手法也多所著墨,如IES LM-79便规范了积分球与分布亮度计等量测方式。然而标准规范的方式往往只考虑了准确性,对使用上的方便性、测试所需花费的时间等等其他因素往往忽略,使得标准所规范的量测方式只能在实验室应用,如积分球与分布亮度计的上下料件便利性,测试所需花费的空间与时间等,均使其在生产在线不易使用,而只在实验室里的少量测试,对于整体LED照明产品的质量提升帮助有限,也使消费者不易更广泛的接受LED照明产品。

系统原理
若能有一测试方式能满足1)方便上下料件,2)设备尺寸适中,3)量测时间快速,4)测试成本低廉,5)量测数值能与实验室设备有良好比对结果,若能满足这些条件,则LED照明产品在生产在线百分之百测试将是可行,LED照明产品的质量问题也才能不再为消费者诟病。

因此,假若能在LED待测物周围,以适当的方式布满光侦测器,则此量测设备本身将只比待测物尺寸略大一些,而此量测设备亦较容易与自动化结合。

致茂电子推出一创新之量测方式,采用单晶硅太阳能板(mono-crystalline silicon solar cell)为光侦测器,在待测物周围适当布满,如图一的灯泡测试与图二的灯管测试结构,利用太阳能板的光电转换原理,以及太阳能板相对大面积与成本较低廉之特点,不仅大幅缩减了量测设备尺寸,也大幅提升了测试速度,含上下料件时间在内,每颗LED灯泡的所有光电参数测试可在六秒钟内完成,实现了在生产在线测试的可能性。




  

本方法利用太阳能板接收到光的能量能转换成电的特性,来达成光能量侦测的目的。一般商用单晶硅太阳能板对波长的响应如图三所示,图中列了三片太阳能板的波长响应实际量测数据,由图中可知,在一般LED的波长应用范围内,单晶硅太阳能板均能有不错的响应。而太阳能板的短路电流,其电流值大小为其所接收光能量的函式,由此特性,便能藉由量测此短路电流的数值,而得知LED照明产品所发出光的能量,亦即其流明值。当然,太阳能板的质量须经过严格的筛选程序,方能用来做为光侦测器,例如每片太阳能板上各区的响应度均需一致等等条件。


系统架构
在LED照明市场推广过程中,各国政府无不推行各相关标准规范,如美国的能源之星计划,便要求LED照明厂家提供光电参数规格予消费者,诸如光通量流明(lumen)、功率因子(power factor)、色温(CCT)、演色性(CRI)、发光效率(efficacy, lm/W)…等等,所以一完善的生产量测设备,需有能力能完成这些所有的光电参数量测。因此,此量测系统包含了交流电源、数字功率表、直流电源、与光学量测模块。光学量测模块如上述图一与图二所示,模块根据待测物尺寸做适当设计,于模块内侧各面贴附太阳能板做为光侦测器,并配备有光谱仪与多信道光纤,如图六所示,用以量测颜色相关参数。

以球泡灯量测设备为例,其系统架构如图四,光学量测模块如图五所示。其中各模块之功能如下:

  • 交流电源:提供待测物交流电源
  • 直流电源:提供待测物直流电源
  • 数位功率表:量测相关电性参数
  • 光学量测模块:提供光学参数量测之光路与工具
  • 光谱仪:量测颜色相关参数


 

系统表现
可由两主要指标来衡量此生产测试设备之表现,一为量测之重复性,一为量测之精准度。实验结果显示流明值与颜色相关参数的重复性表现均极为优秀,量测数值与积分球比对也具有高度关联性。从系统重复性与精准度的表现,可知此量测方式用于生产在线的测试是极为恰当。

系统表现:重复性
重复性验证待测物采用卤素灯泡,并预热暖机一小时使光源稳定后,置于图五之光学量测模块内,进行400次之重复性量测。量测结果如表一与图七所示。光通量流明值重复性结果为0.19%,颜色色坐标重复性Δu'v‘ 在0.00021之内。





系统表现:精准度
精准度的比较是使用如图五与图六所示之光学模块,比较对象则为一50cm积分球。两套系统在精准度比较前,均先经过适当的校正与对校流程。待测物为7瓦暖白灯泡与10瓦冷白灯泡各十颗。所有待测物在实验前,均需经过足够之预热暖机程序,确保所有量测均是在光源稳定的稳态下进行。

7瓦暖白灯泡精准度比对
待测物为10颗7瓦暖白灯泡,光通量流明值范围为350lm~430lm,色温范围为2400K~2600K。经过足够之预热暖机程序后,分别于光学量测模块与积分球进行量测。比对结果如表二与图八所示。





比对结果显示,最大的流明值误差小于2%,色温最大误差小于25K。精准度比对的标准偏差分别为,流明值约0.85%,色温约为11K。

10瓦冷白灯泡精准度比对
待测物为10颗10瓦冷白灯泡,光通量流明值范围为500lm~570lm,色温范围为5500K~5900K。经过足够之预热暖机程序后,分别于光学量测模块与积分球进行量测。比对结果如表三与图九所示。

 



 

比对结果显示,最大的流明值误差小于1%,色温最大误差小于32K。精准度比对的标准偏差分别为,流明值约0.45%,色温约为19K。

生产测试之必要性
如图十所示为某一厂家采用如图二所示之灯管光学量测模块,针对生产在线两批量生产之四尺LED灯管进行量测,每批量各约1000根灯管,共约2000根灯管所得之量测数据。由分析可知,此两批量的生产间存在生产质量的变异,且单一批量的生产也存在制程管控所造成质量发散的现象。



 
 

结论
由实验结果显示,这样的量测系统无论在重复性或精准度上,均能达成生产在线使用之目的。而此种量测系统所需空间仅约比待测物略大,亦方便搭配自动化机构而成全自动化量测设备,因此特别适合在生产在线使用。

而由前述生产在线实际发生的案例,与消费者的使用经验可知,现今的LED照明产品确实存在着质量参差不齐的现象,对LED照明市场的推广确实形成了阻碍。值此之时,唯有透过生产在线的百分之百测试,方能对质量把关,也唯有如此,LED照明方能早日蓬勃发展。

致茂电子将于广州照明展时展出此先进检测设备,欢迎业界先进莅临指导。

 

来源:致茂电子 LED产品经理张敏宏

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