LED照明產(chǎn)品的性能參數(shù)及測試研究

時 佳

(杭州鴻雁電器有限公司，浙江杭州310023)

0 引言

隨著發(fā)光二極管(Light Emitting Diode，LED)技術(shù)的飛速發(fā)展，其性能不斷得到提升，產(chǎn)品層出不窮，國家標(biāo)準(zhǔn)的制定已經(jīng)趕不上產(chǎn)品的更新。作為新一代的照明光源，LED具有功耗低、體積小、壽命長、亮度高、可控性強以及PN結(jié)電特性等特點，由于與傳統(tǒng)的照明產(chǎn)品有著較大差異，因此在品質(zhì)的評價和檢測方法方面產(chǎn)生了許多新的問題，且對LED測試方法及測試設(shè)備的要求更加苛刻，測量精準(zhǔn)度也要求更高。不同的應(yīng)用場合，決定了對LED產(chǎn)品的不同性能要求。從光學(xué)性能來看，用于顯示的LED，主要是亮度、視角分布、顏色等參數(shù)。用于普通照明的LED，更注重光通量、光束的空間分布、顏色、顯色指數(shù)等參數(shù)，而生物應(yīng)用的LED，則更關(guān)心生物有效輻射功率、有效輻射照度等參數(shù)［1、2］。

1 LED產(chǎn)品的性能參數(shù)

1.1 LED的光學(xué)性能

光學(xué)性能評價中，光通量和亮度是照明功能的體現(xiàn)，發(fā)光效率是重要的節(jié)能指標(biāo)，而光強分布、色溫及顯色指數(shù)是照明質(zhì)量和效果的評價指標(biāo)。其中，光通量隨著驅(qū)動電流的增加而增大，而亮度具有很強的方向性，與環(huán)境溫度有關(guān)，環(huán)境溫度升高，亮度減小，環(huán)境溫度不變時，電流增大足以引起結(jié)溫升高，溫升后，亮度呈飽和狀態(tài)［3］。LED的光譜分布曲線與半導(dǎo)體材料的元素、性質(zhì)及pn結(jié)結(jié)構(gòu)(外延層厚度、摻雜雜質(zhì))等有關(guān)，與器件的幾何形狀、封裝方式無關(guān)。顯色指數(shù)是評價光源顯示物體顏色能力的指標(biāo)，它和色溫指標(biāo)之間沒有必然的聯(lián)系。具有不同光譜分布的光源可能有相同的色溫，但顯色性可能差別很大。照度作為另外一項重要的指標(biāo)與色溫的對應(yīng)關(guān)系滿足照明舒適感的條件是:低照度低色溫、高照度高色溫。

1.2 LED的電性能

LED具有單向非線性導(dǎo)電、低電壓驅(qū)動以及對靜電敏感等半導(dǎo)體器件特性，同時作為化合物材料制成PN結(jié)的光電器件，具備PN結(jié)結(jié)型器件的電學(xué)特性:I-V特性、C-V特性、功耗、響應(yīng)時間等。

I-V特性是表征LED芯片PN結(jié)制備性能的主要參數(shù)，具有非線性和整流性質(zhì)。C-V特性呈二次函數(shù)關(guān)系，由于PN結(jié)面積大小不一，因此其結(jié)電容也不同。LED工作時，外加正向偏壓促使載流子復(fù)合發(fā)出光，一部分變?yōu)闊?，使結(jié)溫升高。若結(jié)溫為Tj、外部環(huán)境溫度為Ta，則當(dāng)Tj＞Ta時，內(nèi)部熱量借助基座向外傳熱，散逸熱量，可表示為P=KT(Tj－Ta)。LED響應(yīng)時間反映了器件的電輸入轉(zhuǎn)換為光輸出的速度快慢，主要取決于載流子壽命、器件的結(jié)電容及電路阻抗。

1.3 LED的熱性能

LED的熱性能參數(shù)主要是結(jié)溫和熱阻。結(jié)溫測試時，LED一般工作在小電流，如:＜10mA，或者10～20mA，長時間連續(xù)點亮LED溫升不明顯。若環(huán)境溫度較高，LED的主波長或峰值波長就會向長波長漂移，亮度也會下降。LED的主波長隨溫度關(guān)系可表示為λp(T)=λo(To)+ΔTg×0.1nm/℃［4］。由式可知，每當(dāng)結(jié)溫升高10℃，則波長向長波漂移1nm，且發(fā)光的均勻性、一致性變差。目前作為照明用的燈具設(shè)計通常是光源小型化、密集排列以提高單位面積上的光強、光亮度，因此對于散熱的要求也比較高，需要用散熱好的散熱器或燈具外殼作為傳導(dǎo)和輻射的介質(zhì)，從而確保LED的工作壽命和光效。

2 LED產(chǎn)品的性能測試

LED的光學(xué)性能測試主要有兩種配光曲線:即發(fā)光強度的空間分布和光譜分布。發(fā)光強度的空間分布是一個三維圖形，而作為其中的一個剖面的配光曲線則是一個二維圖形，且一般都采用極坐標(biāo)表示。如圖1所示為LED燈管的空間光強分布曲線(單位:cd)，如圖2所示為LED格柵燈的空間光強分布曲線(單位:cd)。

圖1 燈管光強分布曲線

圖2 格柵燈光強分布曲線

圖1 中燈管曲線為cosθ或cosnθ(1≤n≤3)分布，而圖2格柵燈垂直于燈管平面的曲線分布為蝙蝠翼配光設(shè)計，最大光強位于軸線兩邊，對稱分布，對于室內(nèi)照明配光設(shè)計而言非?？茖W(xué)合理，避免燈具垂直入射造成工作面反射及高輻射亮度對人眼的危害，有效地利用燈具配光設(shè)計解決了空間亮度分布和眩光的問題。因此，結(jié)合光源的配光設(shè)計以及燈具反射器的有效利用可以為市場提供設(shè)計科學(xué)合理的照明燈具，提高空間的照明利用，降低能源消耗。

如圖3所示是雙管支架燈亮度限制曲線，對應(yīng)眩光等級表及使用照度值，得到燈具的照明質(zhì)量等級為D級。為進一步提高照明質(zhì)量等級對芯片進行重新布局、對亮度分布進行限制，減少眩光對人眼的影響，從而提高照明質(zhì)量。如圖4所示，通過芯片的布局改善，照明質(zhì)量等級提高到B級。

圖3 雙管支架燈的亮度限制曲線

圖4 改善后雙管支架燈的亮度限制曲線

LED芯片溫度的測試方法眾多，目前常用的是電壓法熱性能測試，由于特定電流下LED的正向壓降Vf與LED芯片的溫度成線性關(guān)系，因此只要測試兩個以上溫度點的Vf值，就可以確定該LED的電壓溫度系數(shù)K值，即K=△Vf/△Tj，K值確定后，通過測量實時的Vf值，計算出芯片的結(jié)溫。在測量瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)條件的結(jié)溫的基礎(chǔ)上，可以根據(jù)Rja=△T/P=(Ta－Tj)/P算出LED相應(yīng)的熱阻值，其中Ta是系統(tǒng)內(nèi)參考點的溫度(如基板溫度)，Tj是結(jié)溫，P是使芯片發(fā)熱的功率，對于LED可以認(rèn)為是LED電功率減去發(fā)光功率。

改變LED的工作電流和環(huán)境溫度可以分析熱性能對LED的影響。如表1所示是額定工作電流為350mA的LED器件熱性能測試數(shù)據(jù):

表1 不同工作電流下的LED特性

根據(jù)測試結(jié)果可以得到，在一定環(huán)境溫度下，隨著工作電流的增大，LED的光輸出增大，但是顯色指數(shù)和照明效率卻逐漸下降，而發(fā)光效率和光電轉(zhuǎn)換效率卻不是在電流值最大的情況下達到最高。因此，應(yīng)該依據(jù)實際需要來設(shè)計LED的工作電流，對于需要增大光輸出的需求，電流越大越好，但是從環(huán)保節(jié)能的角度出發(fā)，則應(yīng)該選擇發(fā)光效率最高的工作電流。同理可以得到工作電流一定，不同環(huán)境溫度對LED性能的影響，如表2所示:

表2 不同環(huán)境溫度下的LED特性

測試結(jié)果顯示隨著溫度的升高，LED的工作電壓、光通量、光功率、發(fā)光效率、光電轉(zhuǎn)換效率都逐漸減小，只有顯色指數(shù)逐漸升高。

3 結(jié)束語

目前，關(guān)于LED的光、色、電、熱性能等存在著以下幾個問題:(1)色容差和顯色指數(shù)不理想，尤其在高色溫情況下，色溫偏差大，色彩還原性不佳［5］，且一些廠家犧牲顏色特性，片面追求高光效，也造成了以上問題;(2)LED的窄光束分布造成區(qū)域的高輻射亮度，與低照度區(qū)域的強烈對比容易形成眩光，對人眼造成相應(yīng)程度的影響;(3)LED的光、色、電參數(shù)隨結(jié)溫變化，散熱性和穩(wěn)定性還有待進一步提高;(4)LED的配光設(shè)計還有待整體的提高，對空間光強分布進行科學(xué)合理地設(shè)計，提高光的使用效率。綜上所述，對于LED各性能參數(shù)的研究至關(guān)重要。

［1］ 楊奇勇，張建平，趙燕華.LED照明產(chǎn)品及燈具的光學(xué)性能測試研究［J］.照明工程學(xué)報，2009，20(1):69－76.

［2］ 虞建棟，孫浙徽，王建平.LED 的測量與熱性能［DB/OL］.http://www.lightingchina.com/zhuanti/630.html，2008 －04－14.

［3］ 北京朗波爾光電股份有限公司.燈具光學(xué)基礎(chǔ)［DB/OL］.http://wenku.baidu.com/view/37961e4d2e3f5727a5e962a4.html，2010 －12 －07.

［4］ 興寶亨電子有限公司.大功率 LED和 LED燈具的熱性能測試［DB/OL］.http://wenku.baidu.com/view/6954e68583d049649b665840.html，2010 －07 －02.

［5］ 深圳市拓金自動化設(shè)備有限公司.LED性能［DB/OL］.http://www.ledmach.com/threestyle/ledmach/companyintro.html，2011 －01 －20.