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)品的光學性能要求隨著廣州液壓機技術的快速發(fā)展，其性能不斷提高，產(chǎn)品不斷出現(xiàn)。國家行業(yè)標準的制定跟上產(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、亮度高、可控性強以及PN結電特性等特點,由于與傳統(tǒng)的照明產(chǎn)品有著較大差異,因此在品質(zhì)的評價和檢測方法方面產(chǎn)生了許多新的問題,且對LED測試方法及測試設備的要求更加苛刻,測量精準度也要求更高。不同的應用場合,決定了對LED產(chǎn)品的不同性能要求。從光學性能來看,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),而生物應用的LED,則更關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顯色系光學性能評價中,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,而光強分布、色溫及顯色指數(shù)是照明質(zhì)量和效果的評價指標。其中,光通量隨著驅(qū)動電流的增加而增大,而亮度具有很強的方向性,與環(huán)境溫度有關,環(huán)境溫度升高,亮度減小,環(huán)境溫度不變時,電流增大足以引起結溫升高,溫升后,亮度呈飽和狀態(tài)。LED的光譜分布曲線與半導體材料的元素、性質(zhì)及pn結結構(外延層厚度、摻雜雜質(zhì))等有關,與器件的幾何形狀、封裝方式無關。顯色指數(shù)是評價光源顯示物體顏色能力的指標,它和色溫指標之間沒有必然的聯(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。照度作為另外一項重要的指標與色溫的對應關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具有單向非線性導電、低電壓驅(qū)動以及對靜電敏感等半導體器件特性,同時作為化合物材料制成PN結的光電器件,具備PN結結型器件的電學特性:I-V特性、C-V特性、功耗、響應時間等。I-V特性是表征LED芯片PN結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)關系,由于PN結面積大小不一,因此其結電容也不同。LED工作時,外加正向偏壓促使載流子復合發(fā)出光,一部分變?yōu)闊?使結溫升高。若結溫為Tj、外部環(huán)境溫度為Ta,則當Tj>Ta時,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響應時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、器件的結電容及電路阻抗。1.3溫度對led主波長和波長的影響LED的熱性能參數(shù)主要是結溫和熱阻。結溫測試時,LED一般工作在小電流,如:<10mA,或者10~20mA,長時間連續(xù)點亮LED溫升不明顯。若環(huán)境溫度較高,LED的主波長或峰值波長就會向長波長漂移,亮度也會下降。LED的主波長隨溫度關系可表示為λp(T)=λo(To)+ΔTg×0.1nm/℃。由式可知,每當結溫升高10℃,則波長向長波漂移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計通常是光源小型化、密集排列以提高單位面積上的光強、光亮度,因此對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LED的光學性能測試主要有兩種配光曲線:即發(fā)光強度的空間分布和光譜分布。發(fā)光強度的空間分布是一個三維圖形,而作為其中的一個剖面的配光曲線則是一個二維圖形,且一般都采用極坐標表示。如圖1所示為LED燈管的空間光強分布曲線(單位:cd),如圖2所示為LED格柵燈的空間光強分布曲線(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計,最大光強位于軸線兩邊,對稱分布,對于室內(nèi)照明配光設計而言非常科學合理,避免燈具垂直入射造成工作面反射及高輻射亮度對人眼的危害,有效地利用燈具配光設計解決了空間亮度分布和眩光的問題。因此,結合光源的配光設計以及燈具反射器的有效利用可以為市場提供設計科學合理的照明燈具,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,對應眩光等級表及使用照度值,得到燈具的照明質(zhì)量等級為D級。為進一步提高照明質(zhì)量等級對芯片進行重新布局、對亮度分布進行限制,減少眩光對人眼的影響,從而提高照明質(zhì)量。如圖4所示,通過芯片的布局改善,照明質(zhì)量等級提高到B級。LED芯片溫度的測試方法眾多,目前常用的是電壓法熱性能測試,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系,因此只要測試兩個以上溫度點的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,通過測量實時的Vf值,計算出芯片的結溫。在測量瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)條件的結溫的基礎上,可以根據(jù)Rja=△T/P=(Ta-Tj)/P算出LED相應的熱阻值,其中Ta是系統(tǒng)內(nèi)參考點的溫度(如基板溫度),Tj是結溫,P是使芯片發(fā)熱的功率,對于LED可以認為是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器件熱性能測試數(shù)據(jù):根據(jù)測試結果可以得到,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到最高。因此,應該依據(jù)實際需要來設計LED的工作電流,對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LED性能的影響,如表2所示:測試結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,關于LED的光、色、電、熱性能等存在著以下幾個問題:(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)