我國雖有多家企業(yè)開發(fā)生產(chǎn)LED照明燈，但很多是用小功率LED陣列作發(fā)光體，散熱問題解決了，所用LED數(shù)量要很多，小功率LED光衰較強，安裝成本高。城市照明LED路燈采用大功率LED是發(fā)展的趨勢，少數(shù)用大功率LED作發(fā)光體的路燈產(chǎn)品由于沒有很好地解決功率達到一定量時LED的散熱問題，LED的散光和聚光控制問題，路燈在路面照射面的照度范圍、型態(tài)和照度的均衡問題，光電轉換效率太低且每瓦只有幾個流明等問題。因此散熱和可靠性是影響LED應用的主要因素，本實驗主要測試大功率LED發(fā)光特性。

一、實驗目的

(1) 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。

二、主要實驗儀器

FB2016型LED特性測量實驗儀、1W暖白LED。

FB2016型LED特性測量實驗儀如圖25－1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25－1。

圖25－1 FB2016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0～350m A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”“快速下調”鍵進行設定。

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。

三、實驗原理

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。

(一) 白光LED的發(fā)光原理

有3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In Ga N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25－2所示。

圖25－2 白光LED發(fā)光原理

圖25－3 測量原理圖

(二) 大功率白光LED特性測量原理

測量原理圖如圖25－3所示，LED數(shù)控電源輸出恒壓或恒流，用LED特性測試儀測出LED的電壓、電流和光強，以及LED基板溫度。

圖25－4 白光LED的伏安曲線

1． 伏安曲線

白光LED的伏安曲線如圖25－4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25－4所示的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

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Φ表示，單位為lm(流明)。

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。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

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IΦ表示，即:

IΦ單位為cd(坎德拉)，1cd=1lm/sr。發(fā)光強度描述是光功率與光會聚能力的物理量。管芯完全一樣的兩個LED，會聚能力好的LED發(fā)光強度大，看起來更亮。

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25－5所示。

圖25－5 LED光強分布曲線

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(探測器距LED發(fā)光中心100mm) 兩種條件。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

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η表示。由于光強與光通量成正比，故發(fā)光效率可表示為:

式中，U和I分別為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25－6所示，所以大功率LED必須很好散熱。

圖25－6 發(fā)光效率隨溫度變化曲線

四、實驗內容

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25－1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25－1(數(shù)據(jù)點不少于20個，曲線抬頭點附近密集測量，測量點自行選擇) 中。

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25－1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250m A，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10m A) 改變LED電流，直到320m A(不要超過350m A，否則會燒毀LED)，將電流和光強數(shù)據(jù)記錄到表25－2中。

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300m A，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38℃)，“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25－3中。

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300m A，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10℃，“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10℃) 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25－4中。

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的測量方法自擬表25－5，測出LED10 ～70℃的η-t曲線，并與恒流LED的η-t曲線比較，分析原因。

五、數(shù)據(jù)處理

(1) 根據(jù)表25－1的數(shù)據(jù)作出LED室溫下正向I-U伏安曲線，求出LED的導通電壓Vt。

表25-1 室溫下LED正向I-U伏安特性變化實驗數(shù)據(jù)

(2) 根據(jù)表25－2的數(shù)據(jù)作出LED室溫下IΦ-I曲線，分析光強隨電流的變化關系。

表25-2 室溫下1W白光LED光強隨電流變化的實驗數(shù)據(jù)

(3) 根據(jù)表25－3的數(shù)據(jù)作出LED室溫下IΦ-θ曲線，分析LED光強分布特點。

表25-3 1W白光LED光強分布實驗數(shù)據(jù)I = m A，t = ℃

(4) 根據(jù)表25－4的數(shù)據(jù)作出LED恒流下和恒壓下η-t曲線，并分析恒流下和恒壓下LED光效隨溫度變化規(guī)律的異同。

表25-4 1W白光LED光效隨溫度變化的實驗數(shù)據(jù) I = m A，θ= °

六、注意事項

在電源關電之前，必須把輸出的恒壓通過“快速下調”鍵設定輸出恒壓為0V，必須把輸出的恒流通過“快速下調”鍵設定LED電流為0m A，以免電源通電瞬間輸出電壓、電流太大使LED快速老化。

七、思考題

(1) 1W白光LED電壓為3V時，其室溫工作電流約為多少m A?

(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)光效率變大還是變小?

(4) 在恒流驅動下，溫度升高時，LED消耗的電功率增大還是減小?請以實驗數(shù)據(jù)舉例說明。

附錄 25-1 FL10-I型LED特性測量實驗儀的使用方法

FB2016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3部分，主要部件及按鍵如圖25－7所示。

圖25－7 FB2018型LED特性測量實驗儀主要部件及按鍵圖

編號部件說明: