大功率白光发光特性研究

时间：2023-12-08 百科知识版权反馈

【摘要】：在大功率白光LED照明中，光强分布曲线表示LED在空间各方向的分布状态，是衡量灯具性能的重要指标，因此测量光强比测光通量更有实际意义。LED光通量与消耗的电功率之比，称为发光效率，简称为光效，用η表示。由于大功率LED工作时发热严重，LED的温度变化引起光强变化，因此每改变一次LED电流值，要等光强读数基本稳定后才记录。

我国虽有多家企业开发生产LED照明灯，但很多是用小功率LED阵列作发光体，散热问题解决了，所用LED数量要很多，小功率LED光衰较强，安装成本高。城市照明LED路灯采用大功率LED是发展的趋势，少数用大功率LED作发光体的路灯产品由于没有很好地解决功率达到一定量时LED的散热问题，LED的散光和聚光控制问题，路灯在路面照射面的照度范围、型态和照度的均衡问题，光电转换效率太低且每瓦只有几个流明等问题。因此散热和可靠性是影响LED应用的主要因素，本实验主要测试大功率LED发光特性。

一、实验目的

(1) 了解大功率白光LED的工作原理与光电特性。

(2) 掌握大功率白光LED发光强度、发光效率、光强分布等参数的测量方法。

(3) 研究大功率白光LED在恒压驱动与恒流驱动下的温度特性。

二、主要实验仪器

FB2016型LED特性测量实验仪、1W暖白LED。

FB2016型LED特性测量实验仪如图25－1所示，包括LED数控电源、特性测试仪和测试台三部分，其详细使用方法见附录25－1。

图25－1 FB2016型LED特性测量实验仪

LED数控电源包括独立的0～5V恒压电源和0～350m A恒流电源，输出的恒压或恒流可通过“慢速上调”“快速上调”(10倍速) 或“慢速下调”“快速下调”键进行设定。

LED特性测试仪用来测量LED电压、电流和光强，以及对LED进行恒温控制和通过PT100测量LED基板温度(间接反映LED结温)。光强测量范围:0 ～400cd，分四档，自动量程转换;恒温控制器设定范围:0 ～80℃。

LED测试台包括LED固定架、LED方位转盘(0 ～±90°)、光强探测器以及安装在LED基片后部的LED加温/降温装置。当测量高于室温的LED光电参数时，用半导体对LED进行加热;当测量低于室温的LED光电参数时，用半导体制冷和风扇辅助降温，以节省测量时间。

三、实验原理

一般将功率大于0．5W的LED称为大功率LED。大功率白光LED诞生于20世纪90年代末，具有发光效率高、启动快、显色性好、寿命长、节能、环保等优点，将取代白炽灯、荧光灯等传统光源而成为21世纪的绿色光源，目前广泛用于白光照明和液晶显示背光源等领域。测量和掌握LED的光电特性及温度对光电特性的影响，是正确使用大功率白光LED的基础。

(一) 白光LED的发光原理

有3种方式获得白光LED，目前比较成熟且已商业化的白光LED是利用In Ga N蓝光LED(460nm) 照射YAG荧光粉产生555nm黄光，再用透镜将黄光与蓝光混合，得到白光，如图25－2所示。

图25－2 白光LED发光原理

图25－3 测量原理图

(二) 大功率白光LED特性测量原理

测量原理图如图25－3所示，LED数控电源输出恒压或恒流，用LED特性测试仪测出LED的电压、电流和光强，以及LED基板温度。

图25－4 白光LED的伏安曲线

1．伏安曲线

白光LED的伏安曲线如图25－4所示，类似于PN结和红光LED的伏安曲线。由于发光晶片材料不同，不同LED的导通电压Vt、反向击穿电压Vc等参数不同。红光LED的导通电压1．3V左右，白光LED的导通电压3V左右。

白光LED是电流型控制器件，电流越大，发光强度越大， LED越亮。如图25－4所示的AB工作区，LED电压的极小变化会引起电流较大变化，从而使发光强度变化很大。因此，为了亮度稳定，照明用的LED要用恒流源驱动。

2．光通量

光源在单位时间内发射并被人眼感知的能量总和，称为光通量，用Φ表示，单位为lm(流明)。

光通量与光源的辐射功率相关，同类灯的功率越高，光通量越大。光通量是一个人为量，人眼对1W功率不同波长的光所感受的光通量不同。光通量常用积分球测量，本实验不测量光通量。

3．发光强度

光源在给定方向单位立体角所发射的光通量，称为发光强度，用IΦ表示，即:

IΦ单位为cd(坎德拉)，1cd=1lm/sr。发光强度描述是光功率与光会聚能力的物理量。管芯完全一样的两个LED，会聚能力好的LED发光强度大，看起来更亮。

在大功率白光LED照明中，光强分布曲线表示LED在空间各方向的分布状态，是衡量灯具性能的重要指标，因此测量光强比测光通量更有实际意义。LED的发射角较小，方向性较强，一般呈橄榄状，如图25－5所示。

图25－5 LED光强分布曲线

LED的光强用光强计测量。按照国际CIE规定，光强测量分远场(探测器距LED发光中心316mm) 和近场(探测器距LED发光中心100mm) 两种条件。由光强的定义可知，在电流和温度相同时，理论上LED的远场光强与近场光强是相等的。

4．发光效率

LED光通量与消耗的电功率之比，称为发光效率，简称为光效，用η表示。由于光强与光通量成正比，故发光效率可表示为:

式中，U和I分别为LED的电压和电流，P为LED消耗的电功率。光效是衡量光源节能的重要指标，光效越高，表明光源将电能转化为光能的能力越强，节能性越好。

5．温度特性

由于LED发光晶片的折射率远高于空气，LED发射的光80%在发光晶片内部产生全反射或内反射变成热量，致使LED结温上升。大功率LED结温的上升，使LED光谱红移、寿命缩短、发光效率降低，如图25－6所示，所以大功率LED必须很好散热。

图25－6 发光效率随温度变化曲线

四、实验内容

1．测LED伏安曲线(选做)

(1) 关闭LED实验仪所有电源，LED特性测试仪的“加热/制冷温度控制”旋钮调至“关”(在室温下测量)，LED数控电源的恒压电源的输出电压调至零。

(2) 从LED数控电源的恒压输出端为LED输出工作电压，按图25－1接好LED特性测试仪与LED数控电源、LED测试台之间的连线(电源正负极不要接反)。

(3) 打开LED实验仪电源，调节恒压源的“慢速上调”等按键，从零开始改变电源的输出电压，直到3．5V(不要超过3．5V，否则会烧毁LED)。用LED特性测试仪的电压表和电流表测量LED电压和电流，同时观察LED的发光亮度，将电压和电流数据记录到表25－1(数据点不少于20个，曲线抬头点附近密集测量，测量点自行选择) 中。

2．测量LED光强与电流的关系

(1) 关闭LED实验仪所有电源，LED特性测试仪的“加热/制冷温度控制”旋钮调至“关”(在室温下测量)，LED数控电源的恒流电源的输出电流调至零。

(2) 将图25－1连接LED数控电源的恒压输出端的两根线改接到恒流输出端，用恒流对LED供电。

(3) LED测试台的光强探测器放置远场位置(316mm)，LED方位转盘固定于0°(LED法线)，合上盖板以屏蔽外界光影响;LED特性测试仪的“光强测量”键调至“远场”(默认)。

(4) 打开LED实验仪电源，调节恒流源的“快速上调”等按键，从零开始增大输出电流至250m A，同时从LED测试台的观察窗察看LED的亮度，用LED特性测试仪测量LED的电流与光强。由于大功率LED工作时发热严重，LED的温度变化引起光强变化，因此每改变一次LED电流值，要等光强读数基本稳定后才记录。然后，按一定步长(如10m A) 改变LED电流，直到320m A(不要超过350m A，否则会烧毁LED)，将电流和光强数据记录到表25－2中。

3．测量LED光强角分布

(1) 保持实验内容2接线不变。

(2) LED设定为恒流恒温工作。LED电源输出恒流调为300m A，LED特性测试仪的LED温度设定为高于环境温度的某个恒温(如38℃)，“加热/制冷温度控制”旋钮调至“加热”。

(3) 将LED方位转盘调为－40°，合上盖板，同时从LED测试台的观察窗观看LED的亮度。当LED测量温度达到设定且稳定时，记下LED特性测试仪的温度和光强。然后，按一定步长(如10°) 改变LED的方位角，直到40°，将光强与LED方位角数据记录到表25－3中。

4．测量恒流下LED发光效率与温度的关系

(1) 保持实验内容2接线不变。

(2) LED设定为恒流工作。LED电源输出恒流调为300m A，LED方位转盘调为0°，合上盖板，同时观察LED是否正常发光。

(3) LED温度设定为10℃，“加热/制冷温度控制”旋钮调至“制冷”。当LED测量温度达到设定温度且稳定时，记下LED特性测试仪的温度、电压和光强。

(4) 按一定步长(如10℃) 改变LED设定温度，直到70℃，当设定温度高于环境温度时，“加热/制冷温度控制”旋钮调至“加热”。当LED测量温度达到设定温度且稳定时，测量每个温度对应的光强、电压，将数据记录于表25－4中。

5．测量恒压下LED发光效率与温度的关系(选做)

将实验内容4中LED的工作电源改为3V恒压供电，按照实验内容4的测量方法自拟表25－5，测出LED10 ～70℃的η-t曲线，并与恒流LED的η-t曲线比较，分析原因。

五、数据处理