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1、大功率L E D 的特性测试 冯红年中国计量学院( 3 1 0 ( ) 1 8 ) 上海理工大学( 2 0 ( ) ( ) 9 3 ) 金尚忠甘彬高君中国计量学院( 3 1 0 0 1 8 ) 摘要大功率L E D 发光强度测量的儿何条件不同于常规L E D ，根据实验结果建立 了其发光强度的测量装置，实验说明在大于8 0 0 r a m 距离测得的发光强度，其原理性误差 小于2 。大功率白光L E D 光逋量和色坐标放在积分球内进行测试，结果表明L E D 在积分 球内不同位置测试的光通量结果存在差别，本文分析了其影响的因素，提出了解决的方 法。同时，对大功率L E D 法向光强、光通量和峰
2、值波长缱电流和时间的变化情况做了分折 说明P N 结温度对下大功率L E D 的发光具有较大的影响。 关键字大功率L E D 发光强度光通基峰值渡长温度 1 引言 发光二极管( L E D ) 由于其亮度高、功耗低、寿命长、可靠性高、易驱动、 环保等特点，已被广泛应用于交通、广告和仪器仪表的显示中，现已在特殊照 明中获得应用“。并将在普通照明中大最身手。目前世界上生产和使用L E D 呈现急速上升的趋势。大功率L E D 的使用和生产也同样得到发展，因此对大 功率L E D 的性能测试也就越来越受到重视。传统L E D 的测量和评估是按照 C I E l 2 7 1 9 9 7 来进行，包括发
3、光强度、光通量、峰值波长、主波长、光效率、色 坐标等的测量，但是对于大功率L E D 光强可高达1 0 0 e d 以上，因此需要对传统 测试条件进行一些补充和修改。本文对大功率L E D 发光强度、光通量和色坐标 的几何条件进行了实验，分析了其影响的因素，提出了解决的方法。同o , J ，对大 功率L E D 的光强、光通量和峰值波长随电流和时间的变化做了分析，最后归结 为P N 结温度对发光特性的影响较大。 2 大功率L E D 光强的测量“ 2 1发光光强与几何条件的关系 发光强度I 定义为在给定方向上的立体角内，离开点光源的光通璧巾除以 该立体角元n 。如图1 所示，有： I = 小D
4、 ,( 1 ) 通常，发光强度I 也可由下式计算得到。 I = E r 2( 2 ) 3 4 3 图1 L E D 发光强度测量原理图 只要测出离L E D 顶部距离r 处的照度E 就可以获得光强I 。但是L E D 不 是点光源，而且发光带有方向性，不同r 由式( 2 ) 测得的I 是不一样的。因此 C I E l 2 7 1 9 9 7 文件规定，常规L E D 的测量距离r 采用3 1 6 m m 的远场和1 0 0 r a m 近场测试。但对于太功率L E D ，芯片发光面较大通过环氧透镜会聚的光分布 比常规L E D 更加复杂，测量距离r = 3 1 6 r a m 不一定合适。图1
5、 中示出了大功率 L E D 光线分布，测量距离r 可调，测量用的照度计是由N I S T 标定的P R 6 5 0 光度 计。对不同样品，在不同r 测得照度，求光强I ，结果如表l 所示。 袭1 不同L E D ( 白色) 不同位置测得的光强值 惑 1 1 1 61 0 1 69 1 68 1 67 1 66 1 65 1 64 1 63 1 6 f m m lh n m lf m H “ ( m m ) f T n m lh n 柚“n I n ln n m f m m l l1 2 69 0l ”1 01 2 6 91 2 7 2 01 2 6 1 01 2 67 01 2 49 01
6、2 4 i 01 2 02 0 21 1 85 71 1 87 l1 1 8 1 41 1 7 4 61 1 6 8 91 1 68 71 1 4 4 91 1 33 51 1 0 1 4 31 1 23 41 1 2 6 21 1 20 01 1 2 2 0j 1 27 81 1 38 01 1 26 31 1 28 01 1 2 3 4 41 1 40 81 1 4 1 71 1 37 81 1 4 5 31 1 38 11 1 38 41 1 1 _ 8 31 1 14 51 0 93 4 52 6 1 526 8 42 6 0 l26 6 326 6 626 5 62 6 8 927
7、0 027 1 6 648 5 74 9 5 548 6 649 2 749 2 149 3 34 9 2 65 0 1 95 1 8 3 74 8 5 748 5 24 9 6 648 6 I4 ，8 7 04 9 3 349 2 64 9 8 450 9 3 表1 可见，对于大功率L E D ，r 在1 1 1 6 m m 与3 1 6 m m 之间实测的光强是不一 致的。在8 1 6 m m 之后测得的光强值的原理性误差不大于2 。为了计算方便，我 们选用测量距离为8 3 f r m m ( 0 8 3 6 2 0 7 ) 。 3 光通量测量” 3 1光通量与几何条件的美系 根据积分球的
8、原理，光源发出的光不能直接照射探测器，而是要经过内表 面的漫反射才能被接收。因此在积分球内设置挡板。将L E D 放在积分球内不同 位置，积分球内径为5 0 0 r n m ，在离球心上、下、前、后、左、右六个方向，离球 心距离分别为3 7 m m 、7 5 r a m 、1 1 2 m m 和1 5 0 m m 的位置测量其光通量。测量结果 如表2 所示。 - 3 4 4 表2 不同位置处的白光L E D 光通值 掣送 卜下左右后 ( ) r a m2 2 0 5 12 2 0 5 12 2 0 5 12 20 5 12 2 n 5 l2 20 5 1 3 7 r 仙n2 2 4 9 52
9、2 3 8 52 2 1 5 22 20 9 72 2 1 0 42 l9 3 6 7 5 r n m2 3 硒32 2 9 5 62 23 4 62 2 2 0 42 l9 6 42 l8 3 2 1 1 2 r a m2 3 5 3 02 3 4 7 72 2 6 2 92 24 8 22 18 7 62 17 4 0 1 5 0 m m2 4 0 9 42 38 ”2 3 0 1 02 28 0 32 1 8 8 02 16 3 8 由表2 可见，光源在积分球前后方向距离中心位置不同的点测得的光通量 有差别，主要原因为L E D 视角比较小，其第一次光斑照射处的球表面反射率对 光通量的溺
10、量影响较大。多个位置所测得的平均光通量为2 2 5 1 7l m ，相对于球 心光通量，其误差为2 ，不同位置处的最大误差为1 0 。要准确测量大功率 L E D 的光通量，L E D 的位置最好选择在积分球球心附近。同时，对L E D 插座的 颜色产生的影响进行实验。当插槽颜色是白色时，测得大功率L E D 的光通量为 2 2 0 5 1l m 。然后将其染成黑色，再进行光通量测量，其值发生了较大变化，为 2 1 1 6 0l m ，两者的相对误差达4 ，这是由于L E D 发光点较小，插座对光线的吸 收影响要增加。黑色捅座对于光线的吸收比较严重。因此积分球内的插座、支 架和导线均要喷涂成白
11、色，以提高测量精度。 3 2 光通量与时间的关系 将大功率L E D 在3 5 0 m A 恒流源下点亮，选取多个时问点，记录相应的实验 数据。如图2 所示，可见在开始点亮的五分钟内，大功率L E D 的光通量下降较 快之后逐渐趋于平稳。最后光通量下降了1 0 ，这个下降的幅度比普通L E D 要大。因此测量时，要统一测量时间，根据光通量的时间特性，我们选取1 0 分 钟进行测量，其实测光通量才有可比性。 3 3 光通量与电流的关系 图3 示出了大功率L E D 光通量与电流的关系。为了避免由于点亮大功率 L E D 的时间过长而引起结温升高，整个光通量与电流的关系为瞬态测量。可见 随着电流的
12、增加，大功率L E D 的光通量非线性增加，井逐渐趋于饱和。 I O2 0a O O 对回( 雠n 光通量与时间的关系 ， I r ” ， _ r ， OI a O2 0 3 0 04 0 0 电流( m A ) 图3 光通量与电流的关系 3 , 4 5 |蜃一一嗄书 4 波长和色坐标的测量 4 1 色坐标与几何条件的关系 L E D 色坐标的测量也是放在积分球中进行，采用与光通量测量相同的方 法。测量结果如表3 所示。由表3 可见光源在距离球心不同的点测得的色坐标 基本没有变化，积分球内不同位置对色擎标影响不敏感。同样，考察插座颜色 对色坐标的影响。当插座颜色是白色时，测得大功率L E D
13、的色坐标为f O3 6 7 1 o3 8 4 4 ) 。然后将其染成黑色，再进行色坐标测量，此时的值为( 0 3 6 6 4 ，o 3 8 4 2 ) 。 可见，插座颜色对于色坐标的影响也可以忽略。 裹3 不同位置处的自光L E D 色坐标值 然 上下左右前后 0 m lr 103 6 7 1 03 8 “03 6 7 1 m3 8 4 403 6 7 l n 3 8 “03 6 7 1 0 3 8 4 403 6 7 103 8 4 403 6 7 1 ，03 8 4 4 3 7 r a mO 3 6 7 2 A 3 8 4 503 6 7 0 , 0 3 8 4 30 3 6 7 0 ,
14、03 8 3 9O3 6 7 0 母3 8 4 003 6 7 4 03 8 4 703 6 7 3 03 8 4 5 7 5 m m03 6 7 4 D3 8 4 703 6 7 2 03 8 4 503 6 7 0 03 8 4 003 6 7 0 0 3 8 4 10 3 6 7 503 8 4 803 6 7 3 ，03 8 4 5 1 1 2 m m03 6 7 3 m 3 8 4 903 6 7 203 8 4 40 3 6 7 2 m 3 8 4 20 3 6 7 003 8 4 30 3 6 7 6 、0 3 8 4 803 6 7 5 03 8 4 8 1 5 0 r a m
15、03 6 7 3 o ，3 8 5 1o 3 6 7 3 0 3 8 4 703 6 7 2 m3 8 4 5O 3 6 7 lO3 S ；4 4乱3 6 7 6 ，o 3 8 5 0O3 6 7 7 03 8 5 i 42 峰值波长与时间的关系 用3 5 0 m A 的恒流源点亮大功率L E D 测得蓝光激发的峰值波长口1 与时间的 关系。如图4 所示，可见大功率L E D 的峰值波长是随时间的增加而逐渐向长波 方向移动，开始点亮时，波长变化较大，1 0 分钟以后，峰值波长的偏移就不太 明显。 图5 是大功率L E D 色坐标与时间的变化关系。在3 5 0 m A 恒流源点亮后，随 着时间的
16、增加色坐标x v 增大。白光L E D t 6 l 是由蓝色L E D 激发荧光粉发出黄色 光混合而成的。当时间增加，P N 结温度上升，蓝光的峰值波长向长波方向转变 激发荧光粉的波长变化，即黄光变化，色坐标偏移。 “ 冒4 4 5 互“ 璐 靼4 4 3 誊劓2 i l lt 940 时问( m l n ) 图4 峰值波长与时间的关系 4 3 峰值波长与电流的关系 一3 4 6 8 0 r a i n _ h L 力，2 n O a a 肿棚增加 7 一 1 3 0 8 ， 9O H e jO “903 Os 5 色坐标x 图5 色坐标与时问的关系 m m m辩蛳蚶辩。 O 0 n n n i t “ 砷嚣剥岫 图6 示出了大功率L E D 峰值波长与驱动电流的关系。为了避免时间冈素的 影响，我们采用瞬时恒流驱动大功率L
