發(fā)光二極管光源及燈具的性能研究

發(fā)光二極管光源及燈具的性能研究

0led產(chǎn)品的光學(xué)性能要求隨著廣州液壓機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，其性能不斷提高，產(chǎn)品不斷出現(xiàn)。國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制定跟上產(chǎn)品的更新。作為新一代的照明光源,LED具有功耗低、體積小、壽命長(zhǎng)、亮度高、可控性強(qiáng)以及PN結(jié)電特性等特點(diǎn),由于與傳統(tǒng)的照明產(chǎn)品有著較大差異,因此在品質(zhì)的評(píng)價(jià)和檢測(cè)方法方面產(chǎn)生了許多新的問(wèn)題,且對(duì)LED測(cè)試方法及測(cè)試設(shè)備的要求更加苛刻,測(cè)量精準(zhǔn)度也要求更高。不同的應(yīng)用場(chǎng)合,決定了對(duì)LED產(chǎn)品的不同性能要求。從光學(xué)性能來(lái)看,用于顯示的LED,主要是亮度、視角分布、顏色等參數(shù)。用于普通照明的LED,更注重光通量、光束的空間分布、顏色、顯色指數(shù)等參數(shù),而生物應(yīng)用的LED,則更關(guān)心生物有效輻射功率、有效輻射照度等參數(shù)[1、2]。1為非晶態(tài)產(chǎn)品的性能參數(shù)1.1發(fā)酵后顯色性t顯色系光學(xué)性能評(píng)價(jià)中,光通量和亮度是照明功能的體現(xiàn),發(fā)光效率是重要的節(jié)能指標(biāo),而光強(qiáng)分布、色溫及顯色指數(shù)是照明質(zhì)量和效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)。其中,光通量隨著驅(qū)動(dòng)電流的增加而增大,而亮度具有很強(qiáng)的方向性,與環(huán)境溫度有關(guān),環(huán)境溫度升高,亮度減小,環(huán)境溫度不變時(shí),電流增大足以引起結(jié)溫升高,溫升后,亮度呈飽和狀態(tài)。LED的光譜分布曲線與半導(dǎo)體材料的元素、性質(zhì)及pn結(jié)結(jié)構(gòu)(外延層厚度、摻雜雜質(zhì))等有關(guān),與器件的幾何形狀、封裝方式無(wú)關(guān)。顯色指數(shù)是評(píng)價(jià)光源顯示物體顏色能力的指標(biāo),它和色溫指標(biāo)之間沒(méi)有必然的聯(lián)系。具有不同光譜分布的光源可能有相同的色溫,但顯色性可能差別很大。照度作為另外一項(xiàng)重要的指標(biāo)與色溫的對(duì)應(yīng)關(guān)系滿足照明舒適感的條件是:低照度低色溫、高照度高色溫。1.2led芯片三特性LED具有單向非線性導(dǎo)電、低電壓驅(qū)動(dòng)以及對(duì)靜電敏感等半導(dǎo)體器件特性,同時(shí)作為化合物材料制成PN結(jié)的光電器件,具備PN結(jié)結(jié)型器件的電學(xué)特性:I-V特性、C-V特性、功耗、響應(yīng)時(shí)間等。I-V特性是表征LED芯片PN結(jié)制備性能的主要參數(shù),具有非線性和整流性質(zhì)。C-V特性呈二次函數(shù)關(guān)系,由于PN結(jié)面積大小不一,因此其結(jié)電容也不同。LED工作時(shí),外加正向偏壓促使載流子復(fù)合發(fā)出光,一部分變?yōu)闊?使結(jié)溫升高。若結(jié)溫為T(mén)j、外部環(huán)境溫度為T(mén)a,則當(dāng)Tj>Ta時(shí),內(nèi)部熱量借助基座向外傳熱,散逸熱量,可表示為P=KT(Tj-Ta)。LED響應(yīng)時(shí)間反映了器件的電輸入轉(zhuǎn)換為光輸出的速度快慢,主要取決于載流子壽命、器件的結(jié)電容及電路阻抗。1.3溫度對(duì)led主波長(zhǎng)和波長(zhǎng)的影響LED的熱性能參數(shù)主要是結(jié)溫和熱阻。結(jié)溫測(cè)試時(shí),LED一般工作在小電流,如:<10mA,或者10~20mA,長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)點(diǎn)亮LED溫升不明顯。若環(huán)境溫度較高,LED的主波長(zhǎng)或峰值波長(zhǎng)就會(huì)向長(zhǎng)波長(zhǎng)漂移,亮度也會(huì)下降。LED的主波長(zhǎng)隨溫度關(guān)系可表示為λp(T)=λo(To)+ΔTg×0.1nm/℃。由式可知,每當(dāng)結(jié)溫升高10℃,則波長(zhǎng)向長(zhǎng)波漂移1nm,且發(fā)光的均勻性、一致性變差。目前作為照明用的燈具設(shè)計(jì)通常是光源小型化、密集排列以提高單位面積上的光強(qiáng)、光亮度,因此對(duì)于散熱的要求也比較高,需要用散熱好的散熱器或燈具外殼作為傳導(dǎo)和輻射的介質(zhì),從而確保LED的工作壽命和光效。2led照明及節(jié)能技術(shù)LED的光學(xué)性能測(cè)試主要有兩種配光曲線:即發(fā)光強(qiáng)度的空間分布和光譜分布。發(fā)光強(qiáng)度的空間分布是一個(gè)三維圖形,而作為其中的一個(gè)剖面的配光曲線則是一個(gè)二維圖形,且一般都采用極坐標(biāo)表示。如圖1所示為L(zhǎng)ED燈管的空間光強(qiáng)分布曲線(單位:cd),如圖2所示為L(zhǎng)ED格柵燈的空間光強(qiáng)分布曲線(單位:cd)。圖1中燈管曲線為cosθ或cosnθ(1≤n≤3)分布,而圖2格柵燈垂直于燈管平面的曲線分布為蝙蝠翼配光設(shè)計(jì),最大光強(qiáng)位于軸線兩邊,對(duì)稱分布,對(duì)于室內(nèi)照明配光設(shè)計(jì)而言非?？茖W(xué)合理,避免燈具垂直入射造成工作面反射及高輻射亮度對(duì)人眼的危害,有效地利用燈具配光設(shè)計(jì)解決了空間亮度分布和眩光的問(wèn)題。因此,結(jié)合光源的配光設(shè)計(jì)以及燈具反射器的有效利用可以為市場(chǎng)提供設(shè)計(jì)科學(xué)合理的照明燈具,提高空間的照明利用,降低能源消耗。如圖3所示是雙管支架燈亮度限制曲線,對(duì)應(yīng)眩光等級(jí)表及使用照度值,得到燈具的照明質(zhì)量等級(jí)為D級(jí)。為進(jìn)一步提高照明質(zhì)量等級(jí)對(duì)芯片進(jìn)行重新布局、對(duì)亮度分布進(jìn)行限制,減少眩光對(duì)人眼的影響,從而提高照明質(zhì)量。如圖4所示,通過(guò)芯片的布局改善,照明質(zhì)量等級(jí)提高到B級(jí)。LED芯片溫度的測(cè)試方法眾多,目前常用的是電壓法熱性能測(cè)試,由于特定電流下LED的正向壓降Vf與LED芯片的溫度成線性關(guān)系,因此只要測(cè)試兩個(gè)以上溫度點(diǎn)的Vf值,就可以確定該LED的電壓溫度系數(shù)K值,即K=△Vf/△Tj,K值確定后,通過(guò)測(cè)量實(shí)時(shí)的Vf值,計(jì)算出芯片的結(jié)溫。在測(cè)量瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)條件的結(jié)溫的基礎(chǔ)上,可以根據(jù)Rja=△T/P=(Ta-Tj)/P算出LED相應(yīng)的熱阻值,其中Ta是系統(tǒng)內(nèi)參考點(diǎn)的溫度(如基板溫度),Tj是結(jié)溫,P是使芯片發(fā)熱的功率,對(duì)于LED可以認(rèn)為是LED電功率減去發(fā)光功率。改變LED的工作電流和環(huán)境溫度可以分析熱性能對(duì)LED的影響。如表1所示是額定工作電流為350mA的LED器件熱性能測(cè)試數(shù)據(jù):根據(jù)測(cè)試結(jié)果可以得到,在一定環(huán)境溫度下,隨著工作電流的增大,LED的光輸出增大,但是顯色指數(shù)和照明效率卻逐漸下降,而發(fā)光效率和光電轉(zhuǎn)換效率卻不是在電流值最大的情況下達(dá)到最高。因此,應(yīng)該依據(jù)實(shí)際需要來(lái)設(shè)計(jì)LED的工作電流,對(duì)于需要增大光輸出的需求,電流越大越好,但是從環(huán)保節(jié)能的角度出發(fā),則應(yīng)該選擇發(fā)光效率最高的工作電流。同理可以得到工作電流一定,不同環(huán)境溫度對(duì)LED性能的影響,如表2所示:測(cè)試結(jié)果顯示隨著溫度的升高,LED的工作電壓、光通量、光功率、發(fā)光效率、光電轉(zhuǎn)換效率都逐漸減小,只有顯色指數(shù)逐漸升高。3led片面追求高光效的原因目前,關(guān)于LED的光、色、電、熱性能等存在著以下幾個(gè)問(wèn)題:(1)色容差和顯色指數(shù)不理想,尤其在高色溫情況下,色溫偏差大,色彩還原性不佳,且一些廠家犧牲顏色特性,片面追求高光效,也造成了以上問(wèn)題;(2)LED的窄光束分布造成區(qū)域的高輻射亮度,與低照度區(qū)