当前位置:资料首页 > 论 文 > LED照明 > 正文

大功率白光LED的结温与发光光谱特性研究

2013-12-11  来源:(1.中山大学光电材料与技术国家重点实验室 2.中国科学院广州电子技术有限公司)  作者:陈海燕 赵光华 赵福利  有4054人阅读

以两种不同型号的大功率白光LED为研究对象,通过热阻法和正向压降法综合测量LED的结温,利用荧光光度计测量LED光谱,研究大功率白光LED的结温与光谱之间的关系。

  0 前言

  发光二极管(1ight emitting diodes,LED)作 为一种新型光源,具有体积小、效率高、寿命长、 环保、节能等特点,从一问世起,就引起了世界的广泛关注。尤其是近年来大功率白光LED的迅速发展,将有望取代白炽灯和荧光灯,成为下一代理 想的固体照明光源。PN结结温是大功率LED的 重要参数之一,它直接影响LED的出光效率,器 件可靠性和器件寿命。LED的结温控制是制备大 功率LED芯片、器件封装和器件应用等每个环节都必须重点考虑的因素,因此对LED结温的测量 成为工程和应用理论研究的热点之一 。蓝光芯 片外涂荧光粉组合方式是目前生产大功率白光 LED通用的方式之一,对于这种大功率白光LED 结温的测量,除了通常可用的红外热像仪测量法和 电学参数测量法以外M J,Narendran等人提出 了一种新方法一光谱法,利用LED光谱中白光与 蓝光组分的比值R来确定结温。它是一种非接触测量方法,不损害LED的整体结构,不破坏LED 的工作状态,是一种理想的测试结温方法。

  本文以不同类型的1W大功率白光LED为研究对象,改变电流大小和环境温度,对白光LED 的结温和光谱之间的关系进行研究,发现不同类型的白光LED,其白光光谱积分与蓝光光谱积分比值W/B与结温都存在线性关系,但其线性关系式不同。电流和环境温度对此线性关系式的影响并不 完全相同。对于同一LED,不同的电流区域,其 线性关系式也不相同,小电流区域对应的关系式斜 率的绝对值较大。显然这些差别对于采用LED光 谱蓝白比确定结温具有参考价值。

  1 原理与方法

  LED伏安特性满足普通二极管方程,可以写为

   (1)

  式中If是正向电流,Vf是正向电压,Io是反向饱和电流,n是理论因子,k是玻尔兹曼常数,T是温度。一般情况下,(1)式中括号里的 “一1”一项可以忽略不计,又考虑到欧姆接触引起的压降,(1)式可写为

  (2)

  式中Rs是欧姆接触引起的LED内阻。由(2) 式可看出,在恒定电流下,LED结温与正向压降成线性关系,此线形关系可以表达为

  (3)

  式中Vi是初始温度为To时LED两端的电压,Vf是温度为Tp时LED两端的电压,K是电压温度系数。在电流较小时,LED热效应很小,通过恒温箱自动调节,可保持环境温度不变,LED结温近似等于通电瞬间的管脚温度。测量几个已知温度下的同一小电流的电压值通过(3)式线性拟合,得到电压温度系数K。实际中,一般将小电流选在LED伏安特性曲线的拐点处。这样既能保证LED刚好导通,又没有明显的LED自身热效应。

  对于某一成品LED来说,其散热器件和结构均已固定,PN结到环境的热阻系数是一定的。LED结温和管脚温度满足下面的关系式:

  (4)

  其中Tj ,Tp分别是结温和管脚温度,Rθj-p是热阻系数,P热是LED热功率,若LED的发光效率为η,则P热=P(1一η)。功率P等于输入电流IH和正向压降VH的乘积。LED热阻系数可结合正向压降法测得

  (5)

  求得热阻系数后,由公式(4)可求出LED的结温。图1是以蓝光芯片外涂荧光粉组合方式生产的白光LED的典型光谱图。为了得到蓝光和白光的光谱积分比值,必须把蓝光从白光中分离出来。如图1所示,减去本底光谱后,对竖线左边的光谱积分得到蓝光光谱积分B,整个光谱曲线积分得到白光光谱积分W。

  图1白光LED光谱曲线

  2 实验与结果

  实验光路如图2所示:固定LED于恒温箱 (恒温波动度≤1 oC)内的支架上;热电偶测量 LED引脚温度,另一只热电偶测量并反馈恒温箱的温度,根据反馈情况调节恒温箱,使恒温箱内温度保持在所需要的值。恒流电源给LED提供稳定的电流,并显示电压和电流示数。光缆一端固定于三维架上,通过调节三维架将LED发出的光耦合进导光光缆(在可见光波段有较好的透过率),另一端连接荧光光度计(Hitachi F4500,光谱分辨率为0.2 nm)。电脑控制荧光光度计测试光谱并存储和处理数据。

  本实验在暗室进行,具体测量过程如下:

  (1)设定恒温箱温度,恒定2h,待系统稳定后,测量光谱本底数据。打开恒流电源,输出小电流 (本文选用6 mA,12 mA,30 mA,50 mA), 15~20 min后,待LED状态稳定后,记录下LED 两端电压Vi、LED引脚温度Tp和光谱分布SPD。

  (2)调节恒流电源,输出大电流IH(本文选用了150 mA,250 mA,350 mA),持续通电15—20 min,待系统达到热平衡后,分别记录下LED两端电压VH、管脚温度Tp以及LED光谱分布SPD。关掉恒流电源,立刻测量本底光谱。因为关掉电源后,LED结温下降很快,若不立刻测量,恒温箱内局部环境将会发生变化。

  

  图2实验装置简图

  1.恒温箱 2.支架 3.白光LED 4.恒流电源 5.热电偶 6.光缆 7.荧光光度计 8.电脑

  (3)恢复大电流IH,待其稳定后,迅速由小电流IM代替大电流IH,快速记录此时电压值Vf。

  (4)调节恒温箱的温度(本文选用25℃,35℃,45℃,55℃,65℃),按照相同的步骤测量其它环境温度下的光谱和其它参数。

  将各个温度下LED两端电压代入公式 (3),用最小二乘法进行线性拟合,得到暖白LED1和冷白LED2的电压温度系数K分别为2.06 mV/℃和1.87 mv/℃。

  将计算出的电压温度系数K及测量电压、电流等值带人公式(4)拟合得到LED1和LED2的热阻系数Rθj分别为32.02℃/W和30.29℃/W。

  图3是在相同电流和温度下,LED1和LED2 的归一化发光光谱,从图3中可看出:两种管子的蓝光峰吻合得很好,但黄光峰的中心波长有所不同,黄光强度也不一样,这是由于荧光粉的含量不 同。暖白管(LED1)黄光强,蓝白比 也较大, 暖白管的色温为3 000 K;冷白管(LED2)的黄光较弱,色温为6800K。

  图3两种LED管的归一化发光光谱

  把热阻系数代入公式(4),求得各个状态下的结温Tj,利用上面叙述的方法计算出白光光谱 积分W和蓝光光谱积分B,并得到它们的比值R。 以结温Tj为横坐标,蓝白比R为纵坐标,画出两个LED管R与结温的关系。从图4可以看出,环境温度升高,引起LED结温升高,不同电流的蓝白比W/B与结温Tj成线性关系,但不同的LED 其线性关系斜率有所不同。从图5可以看出,电流增大引起LED结温升高,蓝白比W/B与结温Tj成线性关系。但是对于不同型号的LED,其斜率亦并不相同,这 来源于不同LED管的荧光粉的量不同,是白光 LED的特征属性之一。电流的增大和环境温度的 升高都将引起结温的升高,但他们对蓝白比与结温 的线性关系的贡献是不同的,例如,图4中LED2 斜率为6.77×10-4,图5中LED2斜率为7.51× 10-4,有微小差别。从图4和图5中还可以看出, 对应于小电流区域的蓝白比与结温的关系式,具有绝对值比较大的斜率。

  图4两种LED管在环境温度不同电流恒定时W/B 与结温的关系

  图5两种LED管在工作电流不同环境温度恒定(T=45℃)时W/B与结温的关系

  图6是电流为6 mA,30 mA,250 mA在温度 T=65℃时经处理后的光谱图,把所有光谱黄光峰 值设定为1,观察蓝光峰,发现蓝光峰峰值随着电 流的减小而减小,蓝光峰波长亦有所红移,峰值处 波长分别为449.6 nm,451.8 nm,454.4 nm。蓝 光峰半高宽分别是17.4 nm,21.2 am,23 nm,随着电流的增大而增大。对于其它电流和温度也有类似的规律。在小电流处,蓝光部分峰值下降,半高宽减小,意味着蓝光强度变低,荧光粉的有效激发 效率也变低。所以,随着结温的升高导致的光谱蓝 白比下降对小电流影响更为严重,下降更快,其斜 率绝对值也更大。另外,在PN结内存在小电流的过趋热效应,即测量电流越小,高温区与低温区的电流密度的比值越大,电流越集中在高温区,从而产生更多的焦耳热使高温区的温度更高。尤其是小电流情况下,这种效应更明显,结温不能均匀分布,易造成测量误差。小电流一般选在伏安 特性曲线的拐点处,比一般工作电流和额定电流小得多,这种效应造成的误差不可忽略,小电流与大 电流的斜率也就会不一致。 通常LED管的工作电流和额定电流都远离LED管瞬间导通电流,即一般工作在文中所述的大电流区域,通过测量这个电流区域白光LED的光谱得到结温与光谱的关系式,就能快速得到LED的结温。

  图6同一温度下不同电流的归一化光谱图

  3 总结 本文以两种不同型号的大功率白光LED为研究对象,测量了LED的结温与光谱,得到了白光光谱积分与蓝光光谱积分B的比值与结温的线 性关系式。不同类型的白光LED其关系式不同; 电流引起的结温升高和环境温度引起的升高,对此 线性关系的贡献存在一定差别。对于同一LED,在不同的电流区域内,此线性关系的斜率并不相同。在实际中应用蓝白法测量白光LED结温时需 要注意这些特点。进一步的理论与实验研究将揭示 LED在不同工作电流下光谱一结温关系的规律和机制,为LED的正确使用提供依据。

 

编辑:Cedar

【有0人参与评论】

网友评论

标题:
网友评论仅供其表达个人看法,并不表明中国照明网同意其观点或证实其描述

中国照明网论文频道现向广大业内朋友征集稿件。稿件内容要求具有技术性、可读性。欢迎研究机构、院校、企业进行投稿。

投稿信箱:edit@lightingchina.com.cn
联系电话:0086-020-85530605-5029

(投稿时请注明作者姓名、单位、邮编和地址及电话、E-mail;以便通知审核结果,如发稿七日内无通知请来电查询。)

广东中照网传媒有限公司 版权所有 增值电信业务经营许可证:粤B2-20050039 粤ICP备06007496号
传真:020-85548112 E-mail:Service@lightingchina.com.cn 中国照明网