讲义：大功率白光LED特性测量(A4)

PAGEPAGE4——大功率白光LED特性测量——实验33大功率白光LED特性测量一般将功率大于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。【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。【预备问题】1.多少瓦的LED称为大功率LED？为什么大功率白光LED称为“绿色光源”？图1白光LED发光原理2.什么是发光强度？远场光强的测量距离是多少？图1白光LED发光原理3.人眼对相同功率不同波长的光所感受的光通量和光强是否相同？【实验仪器】FL10-I型LED特性测量实验仪。【实验原理】1.白光LED的发光原理有三种方式获得白光LED，目前比较成熟且已商业化的白光LED是利用InGaN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1所示。2.大功率白光LED特性测量原理测量原理如图2所示。（1）伏安曲线白光LED的伏安曲线如图3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3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(luminousflux)图3白光LED伏安曲线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，用图3白光LED伏安曲线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。对于人眼最敏感的555nm的黄绿光，1W=683lm。光通量常用积分球测量，本实验不测量光通量。（3）发光强度（Intensity）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I表示，即：（1）图4人眼的视觉曲线图5LED光强分布曲线图6光效随温度变化I单位为cd（坎德拉)，1cd=1lm/sr。发光强度描述是光功率与光图4人眼的视觉曲线图5LED光强分布曲线图6光效随温度变化在大功率白光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5所示。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）和近场两种条件（探测器距LED发光中心100mm）。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(Luminaireefficiency)LED光通量与消耗的电功率之比，称为发光效率，简称为光效，用表示。由于光强与光通量成正比，故发光效率可表示为：（2）式中U和I分别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6所示），所以大功率LED必须很好散热。【实验内容与步骤】本实验采用1W暖白LED。FL10-I型LED特性测量实验仪如图7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1。图7FL10-I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0~350mA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”、“图7FL10-I型LED特性测量实验仪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。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7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1（自拟）中。（4）画出LED室温下正向I—U伏安曲线，求出LED的导通电压Vt。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7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250mA，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10mA）改变LED电流，直到320mA（不要超过350mA，否则会烧毁LED），将电流和光强数据记录到表2中。（5）画出LED室温下I—I曲线，分析光强随电流的变化关系。表2室温下1W白光LED光强随电流变化的实验数据I(mA)250260270280290300310320I(mcd)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300mA，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38oC），“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3。（4）画出LED室温下I—曲线，分析LED光强分布特点。表31W白光LED光强分布实验数据I=mA,t=oC(度)-40-30-20-10010203040I(mcd)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300mA，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10oC，“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10oC）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4。（4）画出LED—t曲线，分析恒流下LED光效随温度的变化关系。表41W白光LED光效随温度变化的实验数据I=mA,=ot(oC)10203040506070I(mcd)U（V）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的测量方法测出LED10oC70oC的—t曲线，并与恒流LED的—t曲线比较，分析原因。【实验注意事项】在电源关电之前，必需把输出的恒压通过“快速下调”键设定输出恒压为0V，必需把输出的恒流通过“快速下调”键设定LED电流为0mA，以免电源通电瞬间输出电压、电流太大使LED快速老化。【思考题】1．1W白光LED电压为3V时，其室温工作电流约为多少mA？2．照明用LED为什么要用恒流电源驱动？3．什么是发光效率？温度升高时，发光效率变大还是变小？4．在恒流驱动下，温度升高时，LED消耗的电功率增大还是减小？请以实验数据举例说明。【附录1】FL10-=2\*ROMANI型LED特性测量实验仪的使用方法FL10-I型LED特性测量实验仪包括LED数控电源、特性测试仪和测试台三部分，主要部件及按键如附图8所示。图8FL10-I型LED特性测量实验仪主要部件及按键图编号部件说明：1.0350mA恒流源输出端；2.05V直流稳压电源输出端；3.恒流源输出电流表；4.恒压电源输出电压表；5.恒流源输出电流快速上调键（10倍速）；6.恒流源输出电流慢速上调键；7.恒流源输出电流慢速下调键；8.恒流源输出电流快速下调键（10倍速）；9.恒压电源输出电压快速上调键（10倍速）；10.恒压电源输出电压慢速上调键；11.恒压电源输出电压慢速下调键；12.恒压电源输出电压快速之下调键（10倍速）；13.光强显示，量程自动变换：399.99mcd、3999.9mcd、39999mcd、399.99cd;14.LED端电压显示；15.LED电流显示；16.LED工作电源正极输入端；17.LED工作电源负极输入端；18.LED光强远场/近场切换键；19.全黑条件下光强测定仪校零按钮；20.近场光强测量