發(fā)光二極管光照度的研究

王 莉，王慶祿

（1. 唐山師范學(xué)院 物理系，河北 唐山 063000；2. 唐山師范學(xué)院 現(xiàn)代教育技術(shù)中心，河北 唐山 063000）

物理與應(yīng)用物理

發(fā)光二極管光照度的研究

王 莉1，王慶祿2

（1. 唐山師范學(xué)院 物理系，河北 唐山 063000；2. 唐山師范學(xué)院 現(xiàn)代教育技術(shù)中心，河北 唐山 063000）

研究了白光LED、紅光LED、綠光LED和藍(lán)光LED的光照度與工作電流、工作電壓和輸入功率的關(guān)系。結(jié)果表明，當(dāng)工作電流或工作電壓增大時(shí)，白光LED、紅光LED、綠光LED和藍(lán)光LED中的任何一種光源的光照度均隨之增大；在工作電流或者輸入電壓相同的情況下，白光LED的光照度最大，紅光LED的光照度最??；曲線擬合結(jié)果表明，白光LED的光照度隨工作電流或輸入電壓基本呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)的趨勢(shì)。此外，還分析了LED光照度隨工作電流或者輸入電壓或輸入功率的線性變化的原因。

LED；光照度；工作電流；工作電壓；輸入功率

1 引言

作為固體發(fā)光元件，發(fā)光二極管（Light Emitted Diode，簡(jiǎn)稱(chēng)LED）除了應(yīng)用于平面顯示以外，還可用于照明[1-3]、醫(yī)療器械[4-6]、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[7,8]等許多領(lǐng)域。

光照度是物體單位面積上所得到的光的量，用來(lái)表示物體被照亮的程度。被光均勻照射的物體，在1 m2面積上得到的光通量是1流明時(shí)，它的光照度是1勒克斯（Lx）。有時(shí)為了充分利用光源，常在光源上附加一個(gè)反射裝置，使得某些方向能夠得到比較多的光通量，以增加這一被照面上的光照度。光照度可以被照度計(jì)直接測(cè)量。雖然光照度不像光強(qiáng)度、光亮度那樣直接代表光源的發(fā)光能力，但是它代表了光源發(fā)出的光的實(shí)際效果，比較直觀地反映了光源的發(fā)光能力。

在器件設(shè)計(jì)與實(shí)際應(yīng)用中，發(fā)光二極管的光照度是必須要考慮的一個(gè)技術(shù)參數(shù)。譚家杰和鄒常青[9]設(shè)計(jì)了以單片機(jī)為基礎(chǔ)的LED光照度測(cè)量系統(tǒng)，研究了LED的光照度與電壓之間的關(guān)系，他們發(fā)現(xiàn)，采用二次曲線擬合，測(cè)量值與擬合值能很好地符合。侯明月等人[2]研究了1 W級(jí)大功率白光LED光源的伏安特性、光照度和發(fā)光效率與輸入電流的變化關(guān)系，分析了1 W級(jí)白光LED光源在實(shí)際應(yīng)用中需要注意的幾個(gè)方面。他們發(fā)現(xiàn)，LED光源的光照度隨著工作電流的增加基本上按照線性的趨勢(shì)增長(zhǎng)，并指出，為了使LED光源真正實(shí)現(xiàn)高效照明，要綜合考慮電流、發(fā)光效率、溫度等主要因素。可見(jiàn)，工作電流與電壓都是影響發(fā)光二極管光照度的重要因素。單管LED光源光照度不均勻，當(dāng)它到所照射的目標(biāo)物距離比自身尺寸大很多時(shí)，往往可將它視為點(diǎn)光源[5]。所以在實(shí)際應(yīng)用中，為了得到光照度比較均勻的LED光源，要對(duì)單管LED光源進(jìn)行二次均勻配光[10,11]，或者將多個(gè)單管LED光源做成陣列[12-15]。因此，研究發(fā)光二極管光照度的影響因素有著非常重要的實(shí)際意義。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)量

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集在GDS-IV型綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上完成，實(shí)驗(yàn)用LED光源是深圳創(chuàng)想光電有限公司生產(chǎn)的F5mm直插LED，工作電壓3.0 V-5.0 V，工作電流20 mA，可發(fā)白、藍(lán)、綠、紅等色光。所使用的驅(qū)動(dòng)電路圖如圖1所示，利用Origin Lab軟件進(jìn)行曲線擬合。

圖1 測(cè)量LED光照度的驅(qū)動(dòng)電路圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

對(duì)白光LED、紅光LED、綠光LED和藍(lán)光LED的工作電流和電壓分別進(jìn)行了測(cè)試，圖2給出了光照度隨著工作電流的變化關(guān)系。可以看出，隨著工作電流的增大，白色、紅色、綠色或者藍(lán)色LED的光照度也相應(yīng)增大。在相同的工作電流下，白光LED光照度最大，紅光LED的最小。

圖2 LED光照度隨工作電流的變化關(guān)系

圖3給出了白光LED、紅光LED、綠光LED和藍(lán)光LED光照度隨著工作電壓的變化關(guān)系。由圖可見(jiàn)，隨著工作電壓的增大，白色、紅色、綠色或者藍(lán)色LED的光照度也相應(yīng)增大。在工作電壓相同的情況下，白光LED、綠光LED、紅光LED的光照度順次減小。

圖3 LED光照度隨工作電壓的變化關(guān)系

圖4給出了LED光照度隨輸入功率P的變化關(guān)系。由圖可見(jiàn)，隨著功率的增大，白光、紅光、綠光或者藍(lán)光LED的光照度基本上按照線性關(guān)系相應(yīng)增大。當(dāng)輸入功率P在20 mW~80 mW的區(qū)間取某一固定值時(shí)，白光、藍(lán)光、綠光和紅光LED光照度順次減小。

圖4 LED光照度隨功率P的變化關(guān)系

圖5和圖6分別給出了白光LED光照度隨工作電流I和輸入電壓V的擬合結(jié)果，它們基本滿(mǎn)足線性擬合關(guān)系。LED光照度隨著工作電流和輸入電壓的變化呈線性關(guān)系。實(shí)驗(yàn)中LED到照度計(jì)受光面的距離遠(yuǎn)大于LED自身的線度（5 mm），因而可以將其視為點(diǎn)光源[5]。點(diǎn)光源在面元dS上產(chǎn)生的光通量為dφ，它在距離該點(diǎn)光源r處的光照度E為[5]：

其中I光源為點(diǎn)光源的光強(qiáng)，θ為點(diǎn)光源發(fā)出的原光束的光軸與面元的法線之間的夾角。整個(gè)實(shí)驗(yàn)中r和θ均保持不變，故E與I光源成正比?？紤]到LED光源的光能全部由輸入它的電能轉(zhuǎn)換而來(lái)，故I光源與輸入電功率P成正比，則有：

其中η為比例常數(shù)，I、V和P分別為工作電流、輸入電壓和輸入功率。由(2)式可知，LED光照度隨工作電流或者輸入電壓或者輸入功率的增長(zhǎng)而線性增大。

圖5 白光LED光照度隨工作電流變化的線性擬合

圖6 白光LED光照度隨輸入電壓V變化的線性擬合

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)比較所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，我們發(fā)現(xiàn)：

（1）當(dāng)工作電流、工作電壓增大時(shí)，白光LED、紅光LED、綠光LED和藍(lán)光LED中的任何一種光源的光照度均隨之增大。

（2）在工作電流或者輸入電壓相同的情況下，白光LED的光照度最大，紅光LED的光照度最小。

（3）對(duì)比白光LED的光照度隨工作電流或輸入電壓的實(shí)驗(yàn)曲線和擬合曲線，發(fā)現(xiàn)白光LED的光照度隨工作電流或輸入電壓基本上呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

在發(fā)光二極管的實(shí)際應(yīng)用中，發(fā)光二極管的光照度強(qiáng)度是一個(gè)非常重要的技術(shù)參數(shù)。因此，在實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)需要，通過(guò)改變工作電流或工作電壓的方式來(lái)調(diào)整LED光源的光照度。

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（責(zé)任編輯、校對(duì)：孫海祥）

Investigation on Intensity of Illumination of Light Emitted Diode

WANG Li1, WANG Qinglu2

(1. Physics Department, Tangshan Normal University, Tangshan 063000, China; 2. Modern Education Technology Center, Tangshan Normal University, Tangshan 063000, China)

The intensity of illumination of white light, red light, green light or blue light LED varies with working current, working voltage, or input power is investigated. It shows that: The intensity of illumination of white light, red light, green light or blue light LED increases with the increasement of working current, working voltage or input power. The intensity of illumination of white light LED is the largest while the intensity of illumination of red light LED is the smallest for the same working current or working voltage. Besides, the intensity of illumination of the above LEDs varied with either working current or input voltage is fitted by the linear fix, and the linear variation of the intensity of illumination of the above LEDs with either working current or input voltage is analyzed.

LED; intensity of illumination; working current; working voltage; input power

TN312+.8

A

1009-9115(2015)02-0026-03

10.3969/j.issn.1009-9115.2015.02.008

唐山師范學(xué)院博士基金項(xiàng)目（07A04），唐山市科學(xué)技術(shù)研究與發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（11140202 A）

2014-11-19

王莉（1972-），女，河北唐山人，博士，副教授，研究方向?yàn)榈途S半導(dǎo)體物理。