本帖最后由 woyaya 于 2014-6-24 21:15 编辑
LED球泡测试 2014年6月246月24日月24日24日日 内容目录
一、测试由来 2 二、测试目标 2 三、测试对象 2 四、测试工具 3 五、测试过程中存在的误差因数 4 六、功耗测试 5 七、电光转化效率测试 6 八、温度测试 7 九、频闪控制 11 十、其他 15 十一、总结 18
一、由来 家里的照明系统，照明灯以白炽灯为主，氛围灯以射灯为主，厨卫则以荧光吸顶灯为主。这套照明系统交付使用已有十多年，大部分已经坏掉。近期准备对家里的照明系统进行改造，LED灯照明节能环保，寿命极长，现在的价格也比较亲民，照明改造便以此为方向。 市面上LED灯具琳琅满目，网上评测又众说纷纭，找不到满足自己需求的文档，便准备自己动手测一回。此为本文档由来。 二、目标理想的测试目标有这么几个：
实际由于条件的限制，目标5在业余条件下较难实现，不得不放弃；其余目标在业余条件下均难以精确测量，只做定性分析、横向比较，作为采购的参考，诸看官知悉。
三、测试对象家里的照明系统涉及球泡、射灯、吸顶灯三大类，球泡用得最多，便以此为先，若有余暇再着手射灯、吸顶灯的测试。
LED球泡种类繁多，作为有洁癖的技术宅，本应将市场上主流的球泡都测一遍，怎奈预算有限，以适用照明改造为原则，仅选取几种球泡作为测试对象，先来看一张全家福：
从上到下从左到右分别为：
- 萤火虫4.8W、品苑3W(型号3001)
- 欧司朗(OSRAM)系列：4W(型号：LED star classic A25)、6W(LED star classic A40)、9W(LED star classic A60)、10W(LED star classic A70)、
- 飞利浦(Philips)系列：3W(型号：9290002558)、5W(型号：9290002485)、7.5W(型号：9290002488C)、10W(型号：9290002491)
- 通用电气(GE)系列： 2W(代码：903434)、3W(代码：11452)、3W(代码：94101)、5W(代码：11455)、8W(代码：11458)、11W(代码：11483)
另外还有一只25W白炽灯作为参考标准。 这里除了GE 3W(94101)是冷白光外，其他全部都是暖白光。之所以选暖白光，除了个人偏好外，LED的蓝光溢出对视力的影响也是一个考虑：暖白光中蓝光成分相对较少。可以看下OSRAM 2700K与6500K色温的LED光谱 OSRAM 2700K色温光谱 OSRAM 6500K光谱 可以看到，6500K色温的LED光谱中，短波段成分很高。虽然说蓝光溢出对眼睛的影响，其研究尚未有定论，但能够避免的还是注意下比较好。 四、测试工具虽然测试并不全面，测试用具却用到不少，看看工具全家福：
从左到右从上到下分别为：
- 自制测试灯座1、示波器、精密温度计2根、数字温度计、照度计、功率表
- 卷尺、自制光敏电阻测试电路及供电电池
- 自制测试灯座2
五、测试过程中存在的误差因数测试过程中存在较多的误差因数。最重要的误差来源是光敏器件的非线性。比如数字照度计的频率响应曲线
照度计频谱响应 这个工具的非线性特性，导致其对不同光谱的敏感度不同，偏偏各个LED灯泡的光谱特性在业余条件下很难测试，而且生产厂家，除了OSRAM，均未提供光谱，所以光谱特性导致的误差，不但没法测量，甚至连评估都很困难。基于此种情况，以下的所有测试几乎都可以说是不可信的。但我仍做完所有测试，主要原因是除GE 3W(94101)外，其他所有待测灯泡色温都是2700K—3300K。色温接近，光谱特性、光敏器件的敏感度偏差不会太大。况且这次测试以横向对比为主，并不强求精确量化，所以还是有一定参考价值的。
其他的误差来源，比如仪器精度、手工操作的不确定性、环境温度、环境亮度等影响反而不是太大，在测试过程或数据处理过程稍加注意即可。
六、功耗测试功耗测试在整个过程中算是比较精确的一个测试。LED灯具与白炽灯的显著区别就是LED灯有驱动电路。整个LED灯具的功耗由电路的插入损耗加上LED本身的功耗构成。虽然目前来说各种LED驱动电路效率都蛮高，但显然任何电路的效率都不可能100%，我们买到的几瓦几瓦，都是额定功率，而不是LED本身的功耗--这一点与常识有点出入。虽然在不拆解的情况下无法得到电路效率，但就算假设电路效率100%，通过额定功率和实测功率的对比可以看到，哪些产品存在虚标功率的现象。
功率测试 上图蓝色部分为额定功率，红色为实测功率。从图中我们可以看到，各家的产品，额定功率与实际功率相差都不大。需要注意到是实测功率小于额定功率的那部分产品，肯定存在功率虚标现象，只不过大多虚标得不多----想起在上次买的洁康CE-7200A超声清洗机，标称超声功率120W，实测整机功耗才90W左右，就算100%的电路效率，虚标值也达到了30W之多；投诉后居然有88%的大众评委认为不存在虚标，真是相当无语：永动机离我们不远了！
测功耗的同时，也测了下功率因数。虽然国家对居民用电设备的功率因数没有要求，对实际的电费也不会产生影响，但低功率因数对电网来说总归是种负担，所以我们在可能的情况下，尽量选功率因数高的产品比较好。
功率因数测试 从功率因数上来看，普遍是功率比较大的，功率因数比较高。这可能与其电路设计有关：低功耗的估计直接电容降压，高功率的可能用到专用的芯片来驱动----这只是推测。 这里赞下GE 3W(94101)，这是唯一在包装上标识了功率因数的产品。大家可以看到，从上到下已经多次提到它了,这绝对是一个奇葩产品，不仅与其他厂家的产品很不一样，甚至与GE自己的产品比也是独树一帜的。下面还会有很多其表现的地方。 七、电光转化效率测试 这个参数无法精确测量，我们只能通过迂回对比的方法，来得到各个球泡的光电转化效率。灯具的转换效率应为流明/瓦，但光通量的测量需要用到积分球，没有这个条件，也不需要这个精度，就简单粗暴地使用发光强度代替光通量来做横向比较。具体方法如下：
测出球泡的功耗 测出球泡产生某个照度的距离 求出发光强度 求出每瓦功耗对光强的贡献
实际测试中，用功率表得到每个球泡的功耗P；用照度计测试得到每个球泡产生40Lux照度的点，并测量这个点与球泡中心点的距离D。公式(40*D^2)/P即是每瓦功耗对光强的贡献，也即我们想要的光电转化效率。这个效率测出来误差很大，主要受球泡大小及发光角度的影响。但对我们使用者来说，照度是实际体现灯具使用情况的一个指标，所以这个测试虽不精确但很实用。测试结果如下
LED电光转化效率 从这个图表中我们可以看到，白炽灯的效率明显低于LED灯。LED灯之间，则是功率越高，效率越高。这很容易理解：整体功耗越低，LED驱动电路上消耗的能量占整体功耗比重越大，效率自然就越低。在总体功耗达到一定程度后，效率反而下降了，个人推测是由于灯泡内部空间过小，功率越大发热越严重，温度会严重影响电路效率。 这里我们再次可以看到奇葩GE 3W(94101)，效率远超相同品牌相同额定功率的GE 3W(11453)。主要是因为GE 3W(94101)是6500K冷白光，冷白光LED本身效率就要比暖白光高；当然可能还有其他未知原因，比如照度计的敏感度。 八、温度测试 温度的测试也算是相对准确的一个测试。这个测试主要考察两个性能：温度控制和散热效率。温度控制的测试很简单，让灯泡点亮一段时间，测下最高温度即可。散热效率则没那么容易测，我想到的方法为：看点亮后壳体温度达到稳定态的时间。时间越短，说明内部电路与外壳之间的热阻越低，散热性能越好。就像用火烧铁棍的一端，另一端很快会觉得烫；而用火烧木棍的一段，另一端要烫起来就比较困难。这个方法只是定性对比下散热效率，实际会因为壳体材料的发射系数、环境温度、空气流动等误差因素的影响。 测试方法为：先用精密温度计选择一致性较好的两根T型热电偶；校正偏差后；用数字温度计同时采集环境温度和灯具表面温度，每种至少采集10000点数据。得到的数据经过处理，可以得到需要的结论。 实际测试时，所有灯具都处于开放空间(无风室内环境)，灯具螺口朝下球体朝上。环境温度则较难控制（测试的时间跨度很大，基本每个灯具的测试时间都在两小时左右)，所以这个测试中有部分环境温度较高，对部分灯具来说有失公平，结果仅供参考。总体环境温度在28～29度，白炽灯的测试较晚，环境温度在27度左右，用的是K型热电偶。
温升测试 可以看到白炽灯的工作温度远远高于LED灯的工作温度。这点在冬季还好，在夏季会导致房间内温度升高，空调降温的费用也会随之升高。 由于白炽灯的温度过高，LED灯具部分的温升曲线过于密集，下面另外提供一张只显示LED灯具的温升曲线
LED灯具温升曲线 这张图右边的图例是按照最高温度从高到低排列的。这是温升图，我们再来看看环境最高温度、灯体最高温度、温差之间的关系(忽视白炽灯) 环境温度、灯具温度、温升图 这张图紫色是环境最高温度，可以看到各次测试区别不算太大；黄色是灯具表面最高温度，可以看到大部分大功率灯具表面温度将近80度；红色是温升。很明显的是功率越高，温升越大。不过Philips3W是个例外，居然比Philips7.5W的温度还高。 温度是LED寿命最大的杀手，壳体外的温度都这么高了，内部的温度肯定更高。散热做得特别好会不会导致壳体外温度特别高呢？散热做得再好，也不可能外部温度比内部温度高吧，倒是散热效率低的话，内部温度会比外部温度高出许多。 我们再开看看散热效率。这个测试是从前面的测试数据中，找出各个灯泡的最高温度，再寻找灯泡首次达到最高温度的95%时，所耗费的时间。为什么是最高温度的95%，而不直接是最高温度呢？一则95%已经非常接近最高温度；二则灯泡到一定温度后，其表面温度会上下浮动，最高温度出现的时间反而不太准。 达到稳定温度耗时测试 这个时间应该是越短越好。这里有两点需要注意：一个是白炽灯的稳定时间，一个是大功率LED的稳定时间。 我们可以看到所有灯具中，白炽灯的耗时反而最短。这是白炽灯的散热最好吗？并不是。而是白炽灯热量发散主要靠热辐射，而LED灯具靠的热传导，两者有本质上的区别，所以无法比较。 大功率LED灯则因为本身功耗高，温度上升本身的耗时就比较长。 写到这里，忽然发现这个测试有硬伤：灯具内部达到稳定温度的时间会影响外部达到稳定温度的时间。有比较意义的应该是：相同额定功率的灯具，其达到稳定温度的耗时。 品苑3W看起来散热做得不错；GE 2W看起来非常差，则可能与其外壳是陶瓷的有关；Philips 3W看起来散热做得还可以，但其最高温度太高了。不明白为什么会这样，查了下其内部电路只是简单的电容限流，按说电路效率是高的，若说恒流性能不好，LED超负荷工作了也不像，毕竟功率测试时，其实测功率还没达到标称功率呢。网上找了个拆解图，发现有个LED3未焊接，难道真是超功率使用了？--这是推测！ Philips 3W内部LED图 九、频闪控制 早期的镇流器荧光灯由于频闪严重而饱受诟病，后来出了电子荧光灯，频闪有所改善。市场上还有一种护眼灯，则完全没有频闪。虽然频闪肉眼感觉不到，但容易导致眼睛疲劳，已经有很多研究证明过这一点，IEEE也有风险提示。LED灯本来有专门的驱动电路，应该是很容易做到无频闪的。市电供电的产品，减少或消除频闪主要靠电容或者电感，电感体积太大，普通电解电容在灯泡内部的高温下容易出问题，钽电容成本很高，所以我对LED灯具如何控制频闪非常不放心。其实这次的测试，主角就是频闪控制。 要测灯具的频闪，业余条件下只能使用光敏二极管。我选的是PT333-3C，其典型上升下降时间都是15uS，跟工频的10mS比起来差了几个数量级，可以忽略不计。影响测试精度的是其频率响应曲线。 PT333-3C频率响应曲线 图中我们可以看到，其对不同波长的入射光敏感度不同，这会导致不同光源，测出来的频闪与实际频闪有区别。正如之前所述，定性测试不求精确—也只能如此了。 电路很简单，只要注意使用电池供电即可。如下图 频闪测试电路 在各灯具提供40Lux照度距离处，将光敏管D1在对准灯具中心，示波器测量D1两端波形即可。
频闪测试 看到这张图我相当无语：同一个品牌、同一个系列，不同功率的LED灯具，频闪差异居然可以这么大。比如OSRAM 10w和OSRAM 9W，一个只有120mV，一个却达到1320mV，功率只差1w，频闪幅度却是整整11倍！GE 3W(11452)和GE 3W(94101)之间还要夸张，达到14.5倍！ 关于频闪，还有一点常常被忽视：大型吊灯通常会使用大量的相同型号灯泡，这些灯泡具有相同相位，频闪幅度则会叠加，导致比单个灯泡更严重的频闪。 相同相位是什么意思呢？正弦波的波形大家都知道，所谓相同相位，就是说某个灯泡出于波峰时，其他灯泡也都处于波峰；某个灯泡出于波谷时，其他灯泡也处于波谷，则就是相同相位。既然存在这个频闪叠加的问题，那就来测下各个灯泡的相位吧。 相位的测试用到两个上面的光敏电路图，其中一个对准白炽灯，一个对准待测光源，示波器同时采集两个输出，就可以得到以白炽灯为参考基准的相位。 相位的测试结果如下图
相位测试 由于工频经全波整流后的频率为100Hz，周期为10mS，所以上图中0mS和10mS、1mS和9mS，以此类推，都是等效的相位。 这个图上需要注意的是，GE 2W和GE 3W(11452)两个并非数据遗漏。GE 2W经驱动电路变化了输出方式，跟工频无关；GE 3W(11452)的频闪输出几乎是一条直线，其相位也可以忽略不计。GE 2W的相位图如下
GE 2W相位图 图中黄色曲线是白炽灯，蓝色曲线为GE 2W。 为了验证大型灯具上多个相同灯泡频闪幅度叠加效果，以安装了两个相同灯泡的灯具为例，距离两只Philips 3W LED灯2米处，分别测得其频闪输出如下 相同的位置，两只灯同时打开时，测得其频闪输出如下 频闪幅度叠加 可以看到，频闪的峰峰值从480mV，460mV，升到了900mV，其频闪幅度叠加了。 反过来，两个不同相位的灯具，若其相位差为5mS或者接近5mS，则其频闪幅度会互相抵消。比如Philips3W LED灯和白炽灯，其相位差就接近5mS，让我们来看看他们两个的频闪输出叠加后的效果
上面左图为距离Philips3W LED灯1.5米处测得的频闪；右图是同样位置测得25W白炽灯频闪。两者同时打开后，在相同位置测得的频闪如下图
频闪幅度抵消 可以明显看到，频闪幅度从760mV和680mV，叠加后降到了320mV，叠加后的波形也有所不同。之所以没有完全抵消，是因为两种灯具不仅仅是相位差不同，其他参数并非完全一致。 这两个测试给我们在大型灯具的组装方式上提供了很好的建议：大型组合灯具应当尽可能避免使用完全相同型号的LED灯泡--其实白炽灯、节能灯也同样适用，只是白炽灯由于没有驱动电路，再怎么换型号，相位也是相同的。 十、外观、做工，以及价格对灯泡的性能我们了解得差不多了，接下来就是外观、做工、价格等。
外观上大同小异，2W、3W以小灯为主，其他以大灯为主。比较特别的是GE 2W，外壳是陶瓷(?)的,不知道是不是这个影响了它的散热性能。
GE 2W 品苑3W则在灯体上设计了很多小孔。这些小孔虽然有助于散热，但估计会很容易进灰，时间久了可能更不利于散热。另外，这个灯上一个字/logo都没有，节约成本节约得有点过了啊
品苑3W 再说做工。做工方面不得不说的是OSRAM。先是淘宝上买了3个他家的LED球泡，分别是4W 6W和10W，结果这三只里面4W和6W存在明显的瑕疵
OSRAM 4W 先看4W的，这面看上去，字体印刷明显从淡到深再到淡
OSRAM 4W 另一面，一个是logo字迹非常淡，另一个在螺口上残留有白色胶水。
OSRAM 6W 再看6W的灯泡，灯罩与灯体之间有明显的胶水溢出--图拍得不是很好，实物非常明显。 只有10W的质量看起来还成，但与Philips和GE的比还是有点差距的。我想该不是在淘宝上买到假货了吧，便又跑到百安居买了个9W的，结果......见下图
OSRAM 9W 这个9W，居然在螺口与杯体交界处残留了一个金属球。如果说上面那些都只是影响观感，那么这个则有安全之虞：是否会导致意外触电？ 至此，若非鄙人人品差到极致，就是OSRAM的品控有问题。在微博上发了问题产品的照片@欧司朗中国照明，几天后他们联系我说能够给我换品质没问题的灯，还让给淘宝卖家和更清晰度图片过去来鉴定真假，结果图片给过去十几天也没回应，我估计淘宝卖家没问题，东西也是真货吧，那就是品控真的有问题了。 还有更奇怪的，OSRAM主页上居然没有4W、6W、9W灯泡的产品信息。 说到主页，GE的主页就更奇怪了，其中文主页上找不到我买的任何一款灯具信息；北美版里面倒是有部分信息，11W产品居然是停产而且库存都是firesale的...... 价格方面，品苑3W不到5元，非常亲民；其他的都有点小贵，如下图
LED球泡价格图 其中OSRAM 9W购于百安居，所以价格比其他淘宝上买的贵些。基本上是功率越高，价格越贵。家里一堆灯泡改造下来，也是一笔不菲的支出。 十一、点评与总结 从这么一堆测试结果来看，没有任何一款符合所有期望的灯具—当然，这是常态。 就被测试的产品总的来说，GE的产品，除了GE 3W(94101)还不错，但价格偏高；Philips的产品价格、性能都比较中庸；OSRAM的则很难评说，好坏差异很大，且品控貌似有问题，买它拼人品？；国产的测得不多，有价格取胜的，也有无甚性价比的。 只能说，作为一个消费者，实在太难了：我略懂硬件，又有如此多的工具，花了大量时间精力金钱，也只能得到有限的一些参考信息，更不要提一般的消费者在没有足够信息的情况下，该如何选择了。 十二、其他希望此文能给准备选购LED灯具的人一点参考，也希望有更多人能提供更多灯具的测试报告。
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发表于 2014-6-24 21:29
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