單色LED信號燈溫度特性研究

費(fèi)　坤,李海濤,曹　琛,李曉周

(中國兵器裝備集團(tuán)摩托車檢測技術(shù)研究所，陜西 西安　710043)

?

單色LED信號燈溫度特性研究

費(fèi)坤,李海濤,曹琛,李曉周

(中國兵器裝備集團(tuán)摩托車檢測技術(shù)研究所，陜西 西安710043)

本文基于積分球光度測量系統(tǒng)對單色LED信號燈的變溫光譜曲線進(jìn)行了測試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，溫度的升高對發(fā)光波長及光通量產(chǎn)生顯著影響。紅，藍(lán)，綠，白LED光譜均出現(xiàn)紅移現(xiàn)象，改變量大致為0.13 nm/K，光通量呈指數(shù)形式遞減，衰減范圍在2%～10%內(nèi)，色溫保持穩(wěn)定。本文從LED的材料及發(fā)光機(jī)制兩方面對波長的偏移及光通量的改變進(jìn)行了分析。

發(fā)光二極管；變溫；光通量；光譜；色溫

引言

近些年隨著半導(dǎo)體芯片技術(shù)的不斷改進(jìn)及封裝技術(shù)的迅速提高，高亮度紅、橙、黃LED芯片開始普及，使LED應(yīng)用范圍擴(kuò)大至汽車燈光[1-3]，交通信號燈，戶外大型顯示屏等領(lǐng)域。作為信號燈，由于其具有發(fā)光效率高，能耗低，發(fā)熱量小，單色性強(qiáng)的特性，大大減少了燈艙體積， 降低了生產(chǎn)成本，同時響應(yīng)時間短的特點(diǎn)也提高了行車的安全性。

信號燈圍繞著標(biāo)準(zhǔn)的要求而發(fā)展，其主要作用是顯示車輛的存在，寬度，狀態(tài)以及輔助照明等，包括轉(zhuǎn)向燈，制動燈，前后位置燈，示廓燈，后霧燈等。GB 4785—2007《汽車及掛車外部照明和光信號裝置的安裝規(guī)定》中明確規(guī)定信號燈光色要求，試驗(yàn)方法和檢驗(yàn)規(guī)則。其中光色度參數(shù)是標(biāo)志著器件性能的優(yōu)劣。但是LED日常工作過程中出現(xiàn)的熱效應(yīng)對其使用壽命，發(fā)光波長及發(fā)光效率等都會產(chǎn)生影響，因此研究單色LED信號燈溫度特性具有實(shí)際意義。本文基于積分球光度測量系統(tǒng)研究了紅，藍(lán)，綠，白四款單色信號燈的溫度影響特性。

LED光色度的測量主要有積分球和分布光度計(jì)兩種方法[4-5]。相比較分布光度計(jì)，積分球具有簡單易行，設(shè)備投入少，分析速度快等優(yōu)點(diǎn)。積分球測量的前提是：①積分球內(nèi)表面是一完整的幾何球面，遵從朗伯定律；②球內(nèi)壁各點(diǎn)的漫射系數(shù)相等；③積分球內(nèi)壁的白色顏料對光源發(fā)出的各種光線具有相同的漫射系數(shù)；④球的直徑各處相等，球內(nèi)燈泡之外其它無雜物存在。總光通量可以表示為[6-9]

(1)

其中EX，ES分別表示待測燈具與標(biāo)準(zhǔn)燈具的照度，φS，φX分別表示待測燈與標(biāo)準(zhǔn)燈的總光通量。

1　試驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)采用遠(yuǎn)方CIS-2000恒溫積分球，球殼采用雙層球體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠精密控制和調(diào)節(jié)積分球溫度，可調(diào)范圍為20 ℃～30 ℃，同時確保球內(nèi)氣流自然穩(wěn)定，保證燈具或光源在穩(wěn)定環(huán)境下進(jìn)行測量。被測燈具安裝在球中心，通過光度探頭與光譜輻射計(jì)(HASS-2000)相連，構(gòu)成LED光色電綜合測試系統(tǒng)，用于快速測量分析LED光色電性能參數(shù)。試驗(yàn)中通過改變積分球溫度，分別在20.0 ℃～30.0 ℃下測量了紅，藍(lán)，綠，白色信號燈的光色度參數(shù)。數(shù)據(jù)采集間隔設(shè)定為2.0度，樣品穩(wěn)定時間至少為2 h，在工作電流，光通量變化值小于0.2%后再進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

2　結(jié)果分析

2.1光譜的溫度特性

對于單色LED，峰值波長的漂移必將導(dǎo)致顏色的變化，因此研究峰值波長的變化具有實(shí)際意義。圖1分別表示綠色LED，紅色LED，白色LED，藍(lán)色LED在溫度變化下光譜隨波長的變化情況。三條曲線分別對應(yīng)于22 ℃,25 ℃,28 ℃下四款LED燈的光譜曲線。從測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著環(huán)境溫度的升高，四款LED光譜均出現(xiàn)紅移現(xiàn)象，向長波方向偏移，發(fā)光波長移動范圍微小，改變量大致為0.13 nm/K。

圖1　光譜溫度特性Fig.1　The influence of temperature on the spectrum of monochrome LED.

基于LED的發(fā)光機(jī)制，發(fā)光波長或頻率取決于半導(dǎo)體材料的能級間隔。隨著溫度的升高，半導(dǎo)體的能級出現(xiàn)分裂，能級間隔Eg減小，發(fā)光波長必將增大。兩者之間的關(guān)系可以由式(2)決定。

(2)

2.2光通量的溫度特性

光通量是光度學(xué)中重要的物理參數(shù)，是人眼睛感受到的能量標(biāo)稱值，標(biāo)志著燈具性能的優(yōu)劣。LED燈具光通量與工作溫度有直接的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示，隨著溫度的升高，光通量值呈指數(shù)式衰減。四款不同顏色的燈具衰減量不同，這與燈具結(jié)構(gòu)的散熱水平有很大關(guān)系。紅色衰減量為7.97%，綠色衰減量為5.74%，白色衰減量為8.7%，藍(lán)色衰減量為2.6%。

LED輸入功率中80%～85%的能量是通過熱傳導(dǎo)的方式散發(fā)出去，而不是輻射散熱。同時外界溫度的升高勢必會影響LED的節(jié)溫升高，繼而導(dǎo)致電子與空穴濃度增加，禁帶寬度會減少，電子遷移率降低，降低LED的發(fā)光效率，即出現(xiàn)光通量衰減現(xiàn)象。

圖2　光通量的溫度特性Fig.2　The influence of temperature on the Luminous flux

2.3色溫的溫度特性

LED燈具的色溫決定了光源的冷度或者暖度，如果一個光源與某一溫度下的黑體具有最接近的色品，則此黑體的絕對溫度值稱為該光源的相關(guān)色溫。試驗(yàn)中分別測量了四款LED燈在不同溫度下的色溫，測量結(jié)果如表1所述。

表1　色溫的溫度特性

從表1可以看出，在常溫變化范圍內(nèi)，色溫的變化可忽略不計(jì)。紅、藍(lán)光LED色溫值保持穩(wěn)定，綠光LED燈隨著溫度的增加，色溫從7 544 K降低為7 520 K，衰減幅度為0.32%，白色LED色溫升高，從6 878 K升至6 893 K，漲幅為0.22%，影響幅度都在可接受范圍內(nèi)。

3　結(jié)論

本文利用積分球光度測量系統(tǒng)對單色LED燈的變溫光譜曲線進(jìn)行了測試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，LED的溫度效應(yīng)對發(fā)光波長及光通量產(chǎn)生顯著影響。文章從LED的材料及發(fā)光機(jī)制兩方面對波長的偏移及光通量的改變現(xiàn)象進(jìn)行了分析。本文對利用積分球光度測量系統(tǒng)測量單色信號燈光色電性能參數(shù)具有重要的參考意義。

[1] RAO H, DING K, SONG J, et al. Self-adaptive phosphor coating technology for white LED packaging[J]. Frontiers of Opto-electronics, 2012,5(1)：1-6.

[2] 朱曉東，楊明忠.大功率白光LED在汽車前照燈設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2007.

[3] 李海濤，王永春，魏飛雄，等. 緊湊型LED汽車前照燈的開發(fā)[J]. 照明工程學(xué)報(bào)，2015,26(3)：134.

[4] 趙偉強(qiáng)，劉慧，劉建，等.球形光度計(jì)計(jì)量LED總光通量的關(guān)鍵技術(shù)[J].照明工程學(xué)報(bào)， 2014,25(3)：13.

[5] 陳鵬，王海波，朱月華，等.用于大功率LED模塊光通量測試的積分球裝置及其測試方法的研究[J].照明工程學(xué)報(bào)，2015,26(2)：15-20.

[6] 李文宜，張萬璐，袁川，等.測量LED總光通量的積分球裝置中光源位置的探討[J].復(fù)旦學(xué)報(bào)， 2007,46(3).

[7] 呂正.LED光通量測試中的若干問題[J].中國照明電器，2005,12.

[8] 李莉君，熊永紅.單色LED的變溫光譜特性研究[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù), 2015,13(1)：33.

[9] 方晶璐，牛萍娟，田會娟.電流對LED特性參數(shù)的影響[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2013,28(2)：234.

Influence of Temperature on the LED Signal Lamps

FEI Kun，LI Haitao，CAO Chen，LI Xiaozhou

(Motorcycle Test Technology Institute of China South Industries Group Corporation，Xi’an710043, China)

In this paper, the spectrum of monochrome LED was tested by using integrating-sphere system. And the luminous flux and color temperature were obtained at the same way. We found Four LED spectrum were appeared red shift phenomenon with the increase of temperature. And the amounts of change were 0.13 nm/K. Luminous flux was decreasing between 2% to 10% at the exponential form. Color temperature keeps stability with the change of temperature. The phenomena was explained from the LED structure and material properties.

light emitting diode；change of temperature；luminous flux；spectrum； color temperature

西北大學(xué)自然科學(xué)基金(No.13NW12)

TM923

ADOI:10.3969/j.issn.1004-440X.2016.05.025