講義：大功率白光LED特性測量(A4)

PAGEPAGE4——大功率白光LED特性測量——實驗33大功率白光LED特性測量一般將功率大于0.5W的LED稱為大功率LED。大功率白光LED誕生于20世紀90年代末，具有發(fā)光效率高、啟動快、顯色性好、壽命長、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點，將取代白熾燈、熒光燈等傳統(tǒng)光源而成為21世紀的綠色光源，目前廣泛用于白光照明和液晶顯示背光源等領域。測量和掌握LED的光電特性及溫度對光電特性的影響，是正確使用大功率白光LED的基礎?！緦嶒災康摹?.了解大功率白光LED的工作原理與光電特性；2.掌握大功率白光LED發(fā)光強度、發(fā)光效率、光強分布等參數(shù)的測量方法；3.研究大功率白光LED在恒壓驅動與恒流驅動下的溫度特性?！绢A備問題】1.多少瓦的LED稱為大功率LED？為什么大功率白光LED稱為“綠色光源”？圖1白光LED發(fā)光原理2.什么是發(fā)光強度？遠場光強的測量距離是多少？圖1白光LED發(fā)光原理3.人眼對相同功率不同波長的光所感受的光通量和光強是否相同？【實驗儀器】FL10-I型LED特性測量實驗儀?！緦嶒炘怼?.白光LED的發(fā)光原理有三種方式獲得白光LED，目前比較成熟且已商業(yè)化的白光LED是利用InGaN藍光LED(460nm)照射YAG熒光粉產(chǎn)生555nm黃光，再用透鏡將黃光與藍光混合，得到白光，如圖1所示。2.大功率白光LED特性測量原理測量原理如圖2所示。（1）伏安曲線白光LED的伏安曲線如圖3所示，類似于PN結和紅光LED的伏安曲線。由于發(fā)光晶片材料不同，不同LED的導通電壓Vt、反向擊穿電壓Vc等參數(shù)不同。紅光LED的導通電壓1.3V左右，白光LED的導通電壓3V左右。白光LED是電流型控制器件，電流越大，發(fā)光強度越大，LED越亮。如圖3的AB工作區(qū)，LED電壓的極小變化會引起電流較大變化，從而使發(fā)光強度變化很大。因此，為了亮度穩(wěn)定，照明用的LED要用恒流源驅動。（2）光通量(luminousflux)圖3白光LED伏安曲線光源在單位時間內發(fā)射并被人眼感知的能量總和，稱為光通量，用圖3白光LED伏安曲線光通量與光源的輻射功率相關，同類燈的功率越高，光通量越大。光通量是一個人為量，人眼對1W功率不同波長的光所感受的光通量不同。對于人眼最敏感的555nm的黃綠光，1W=683lm。光通量常用積分球測量，本實驗不測量光通量。（3）發(fā)光強度（Intensity）光源在給定方向單位立體角所發(fā)射的光通量，稱為發(fā)光強度，用I表示，即：（1）圖4人眼的視覺曲線圖5LED光強分布曲線圖6光效隨溫度變化I單位為cd（坎德拉)，1cd=1lm/sr。發(fā)光強度描述是光功率與光圖4人眼的視覺曲線圖5LED光強分布曲線圖6光效隨溫度變化在大功率白光LED照明中，光強分布曲線表示LED在空間各方向的分布狀態(tài)，是衡量燈具性能的重要指標，因此測量光強比測光通量更有實際意義。LED的發(fā)射角較小，方向性較強，一般呈橄欖狀，如圖5所示。LED的光強用光強計測量。按照國際CIE規(guī)定，光強測量分遠場（探測器距LED發(fā)光中心316mm）和近場兩種條件（探測器距LED發(fā)光中心100mm）。由光強的定義可知，在電流和溫度相同時，理論上LED的遠場光強與近場光強是相等的。（4）發(fā)光效率(Luminaireefficiency)LED光通量與消耗的電功率之比，稱為發(fā)光效率，簡稱為光效，用表示。由于光強與光通量成正比，故發(fā)光效率可表示為：（2）式中U和I分別LED的電壓和電流，P為LED消耗的電功率。光效是衡量光源節(jié)能的重要指標，光效越高，表明光源將電能轉化為光能的能力越強，節(jié)能性越好。（5）溫度特性由于LED發(fā)光晶片的折射率遠高于空氣，LED發(fā)射的光80%在發(fā)光晶片內部產(chǎn)生全反射或內反射變成熱量，致使LED結溫上升。大功率LED結溫的上升，使LED光譜紅移、壽命縮短、發(fā)光效率降低（如圖6所示），所以大功率LED必須很好散熱?！緦嶒瀮热菖c步驟】本實驗采用1W暖白LED。FL10-I型LED特性測量實驗儀如圖7所示，包括LED數(shù)控電源、特性測試儀和測試臺三部分，其詳細使用方法見附錄1。圖7FL10-I型LED特性測量實驗儀LED數(shù)控電源包括獨立的0~5V恒壓電源和0~350mA恒流電源，輸出的恒壓或恒流可通過“慢速上調”、“快速上調”（10倍速）或“慢速下調”、“圖7FL10-I型LED特性測量實驗儀LED特性測試儀用來測量LED電壓、電流和光強，以及對LED進行恒溫控制和通過pt100測量LED基板溫度（間接反映LED結溫）。光強測量范圍：0～400cd，分四檔，自動量程轉換；恒溫控制器設定范圍：0～80℃。LED測試臺包括LED固定架、LED方位轉盤（0~±90°）、光強探測器以及安裝在LED基片后部的LED加溫/降溫裝置。當測量高于室溫的LED光電參數(shù)時，用半導體對LED進行加熱；當測量低于室溫的LED光電參數(shù)時，用半導體制冷和風扇輔助降溫，以節(jié)省測量時間。1.測LED伏安曲線（選做）（1）關閉LED實驗儀所有電源，LED特性測試儀的“加熱/制冷溫度控制”旋鈕調至“關”（在室溫下測量），LED數(shù)控電源的恒壓電源的輸出電壓調至零。（2）從LED數(shù)控電源的恒壓輸出端為LED輸出工作電壓，按圖7接好LED特性測試儀與LED數(shù)控電源、LED測試臺之間的連線（電源正負極不要接反）。（3）打開LED實驗儀電源，調節(jié)恒壓源的“慢速上調”等按鍵，從零開始改變電源的輸出電壓，直到3.5V（不要超過3.5V，否則會燒毀LED）。用LED特性測試儀的電壓表和電流表測量LED電壓和電流，同時觀察LED的發(fā)光亮度，將電壓和電流數(shù)據(jù)記錄到表1（自擬）中。（4）畫出LED室溫下正向I—U伏安曲線，求出LED的導通電壓Vt。2.測量LED光強與電流的關系（1）關閉LED實驗儀所有電源，LED特性測試儀的“加熱/制冷溫度控制”旋鈕調至“關”（在室溫下測量），LED數(shù)控電源的恒流電源的輸出電流調至零。（2）將圖7連接LED數(shù)控電源的恒壓輸出端的兩根線改接到恒流輸出端，用恒流對LED供電。（3）LED測試臺的光強探測器放置遠場位置（316mm），LED方位轉盤固定于0°（LED法線），合上蓋板以屏蔽外界光影響；LED特性測試儀的“光強測量”鍵調至“遠場”（默認）。（4）打開LED實驗儀電源，調節(jié)恒流源的“快速上調”等按鍵，從零開始增大輸出電流至250mA，同時從LED測試臺的觀察窗察看LED的亮度，用LED特性測試儀測量LED的電流與光強。由于大功率LED工作時發(fā)熱嚴重，LED的溫度變化引起光強變化，因此每改變一次LED電流值，要等光強讀數(shù)基本穩(wěn)定后才記錄。然后，按一定步長（如10mA）改變LED電流，直到320mA（不要超過350mA，否則會燒毀LED），將電流和光強數(shù)據(jù)記錄到表2中。（5）畫出LED室溫下I—I曲線，分析光強隨電流的變化關系。表2室溫下1W白光LED光強隨電流變化的實驗數(shù)據(jù)I(mA)250260270280290300310320I(mcd)3.測量LED光強角分布（1）保持實驗內容2接線不變。（2）LED設定為恒流恒溫工作。LED電源輸出恒流調為300mA，LED特性測試儀的LED溫度設定為高于環(huán)境溫度的某個恒溫（如38oC），“加熱/制冷溫度控制”旋鈕調至“加熱”。（3）將LED方位轉盤調為-40°，合上蓋板，同時從LED測試臺的觀察窗觀看LED的亮度。當LED測量溫度達到設定且穩(wěn)定時，記下LED特性測試儀的溫度和光強。然后，按一定步長（如10°）改變LED的方位角，直到40°，將光強與LED方位角數(shù)據(jù)記錄到表3。（4）畫出LED室溫下I—曲線，分析LED光強分布特點。表31W白光LED光強分布實驗數(shù)據(jù)I=mA,t=oC(度)-40-30-20-10010203040I(mcd)4.測量恒流下LED發(fā)光效率與溫度的關系（1）保持實驗內容2接線不變。（2）LED設定為恒流工作。LED電源輸出恒流調為300mA，LED方位轉盤調為0°，合上蓋板，同時觀察LED是否正常發(fā)光。（3）LED溫度設定為10oC，“加熱/制冷溫度控制”旋鈕調至“制冷”。當LED測量溫度達到設定溫度且穩(wěn)定時，記下LED特性測試儀的溫度、電壓和光強。（4）按一定步長（如10oC）改變LED設定溫度，直到70°，當設定溫度高于環(huán)境溫度時，“加熱/制冷溫度控制”旋鈕調至“加熱”。當LED測量溫度達到設定溫度且穩(wěn)定時，測量每個溫度對應的光強、電壓，將數(shù)據(jù)記錄于表4。（4）畫出LED—t曲線，分析恒流下LED光效隨溫度的變化關系。表41W白光LED光效隨溫度變化的實驗數(shù)據(jù)I=mA,=ot(oC)10203040506070I(mcd)U（V）5.測量恒壓下LED發(fā)光效率與溫度的關系（選做）將實驗內容4中LED的工作電源改為3V恒壓供電，按照實驗內容4的測量方法測出LED10oC70oC的—t曲線，并與恒流LED的—t曲線比較，分析原因?！緦嶒炞⒁馐马棥吭陔娫搓P電之前，必需把輸出的恒壓通過“快速下調”鍵設定輸出恒壓為0V，必需把輸出的恒流通過“快速下調”鍵設定LED電流為0mA，以免電源通電瞬間輸出電壓、電流太大使LED快速老化?！舅伎碱}】1．1W白光LED電壓為3V時，其室溫工作電流約為多少mA？2．照明用LED為什么要用恒流電源驅動？3．什么是發(fā)光效率？溫度升高時，發(fā)光效率變大還是變??？4．在恒流驅動下，溫度升高時，LED消耗的電功率增大還是減??？請以實驗數(shù)據(jù)舉例說明?！靖戒?】FL10-=2\*ROMANI型LED特性測量實驗儀的使用方法FL10-I型LED特性測量實驗儀包括LED數(shù)控電源、特性測試儀和測試臺三部分，主要部件及按鍵如附圖8所示。圖8FL10-I型LED特性測量實驗儀主要部件及按鍵圖編號部件說明：1.0350mA恒流源輸出端；2.05V直流穩(wěn)壓電源輸出端；3.恒流源輸出電流表；4.恒壓電源輸出電壓表；5.恒流源輸出電流快速上調鍵（10倍速）；6.恒流源輸出電流慢速上調鍵；7.恒流源輸出電流慢速下調鍵；8.恒流源輸出電流快速下調鍵（10倍速）；9.恒壓電源輸出電壓快速上調鍵（10倍速）；10.恒壓電源輸出電壓慢速上調鍵；11.恒壓電源輸出電壓慢速下調鍵；12.恒壓電源輸出電壓快速之下調鍵（10倍速）；13.光強顯示，量程自動變換：399.99mcd、3999.9mcd、39999mcd、399.99cd;14.LED端電壓顯示；15.LED電流顯示；16.LED工作電源正極輸入端；17.LED工作電源負極輸入端；18.LED光強遠場/近場切換鍵；19.全黑條件下光強測定儀校零按鈕；20.近場光強測量