邱培鎮(zhèn)，顧菊觀，胡 岳

(湖州師范學(xué)院 物理系，浙江 湖州 313000)

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基于照度的非接觸式大功率白光LED結(jié)溫測量

邱培鎮(zhèn)，顧菊觀，胡 岳

(湖州師范學(xué)院 物理系，浙江 湖州 313000)

利用簡易照度計(jì)測量LED結(jié)溫，搭建了非接觸式大功率白光LED結(jié)溫測量實(shí)驗(yàn)裝置. 結(jié)果表明：恒流驅(qū)動下，大功率白光LED的結(jié)溫和照度值存在較好的線性關(guān)系.

大功率白光LED；結(jié)溫；照度；非接觸式

1 引 言

發(fā)光二極管(Light emitting diode,LED)是一種新型固體照明光源，具有高光效、小功耗等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于照明、顯示及背光等領(lǐng)域[1-2]. 在實(shí)際應(yīng)用中，隨著LED功率的不斷提高，LED芯片到熱沉的熱流密度也在增加，如果散熱問題解決不好，芯片內(nèi)部熱量將逐漸積累，引發(fā)LED結(jié)溫不斷上升，造成LED發(fā)光波長漂移、發(fā)光效率降低、熒光粉老化等一系列問題. 因此如何快速、準(zhǔn)確地測量LED結(jié)溫，使LED結(jié)溫保持在允許范圍內(nèi)，已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn). 目前，測量LED結(jié)溫的方法主要有正向電壓法[3]、熱阻法[4]、光譜法[5]、紅外成像法[6]等. 正向電壓法被認(rèn)為是最精確的測量單個LED結(jié)溫的方法，但對集成LED照明燈具，由于燈具外殼和防水絕緣材料等的限制，通常無法直接測量LED引腳端的電壓. 因此，正向電壓法和熱阻法的應(yīng)用受到限制. 而光譜法、紅外成像法可以實(shí)現(xiàn)非接觸式的LED結(jié)溫測量. 本文提出了一種基于照度測量的非接觸式大功率白光LED結(jié)溫測量方法，該方法是在大功率LED正常工作時，利用簡易照度計(jì)間接測量LED結(jié)溫，搭建了對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：大功率白光LED的結(jié)溫和照度值之間存在較好的線性關(guān)系. 根據(jù)這一線性關(guān)系，只要獲得LED發(fā)光時的照度值，就可以間接求出此時LED對應(yīng)的結(jié)溫.

2 實(shí)驗(yàn)原理及實(shí)驗(yàn)裝置

文獻(xiàn)[7]研究了大功率LED結(jié)溫對發(fā)光特性的影響，給出了恒定電流驅(qū)動下白光LED光通量隨結(jié)溫的變化具有較好的線性關(guān)系，即隨著LED結(jié)溫的升高，光通量保持線性降低. 依據(jù)照度與光通量的關(guān)系：

E=Φ4πr2,

(1)

式中，E表示距離光源距離為r處的照度，Φ表示光源發(fā)出的光通量. 即照度為光源照到某一物體表面上的光通量與該表面面積之商[8]. 由文獻(xiàn)[7]和式(1)可以預(yù)測LED發(fā)光的照度值隨結(jié)溫的變化也會有較好的線性關(guān)系，這是本文實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本原理. 為了驗(yàn)證該原理的正確性，對浙大三色公司生產(chǎn)的LED-202光色熱電參量綜合性能測試儀做了改進(jìn)，加入并固定一個照度計(jì)，搭建了基于照度測量的非接觸式大功率白光LED結(jié)溫測量的實(shí)驗(yàn)平臺. 平臺簡易原理圖如圖1所示. 圖1中，樣品LED放在暗室中，照度計(jì)固定在距離LED為r的位置處，本實(shí)驗(yàn)取r=12 cm. 通過浙大三色LED-202光色熱電參量綜合性能測試儀可以實(shí)現(xiàn)熱沉溫度的控制、LED恒流驅(qū)動的控制、LED結(jié)溫、結(jié)電壓的顯示. 實(shí)驗(yàn)所用照度計(jì)是YF2006專業(yè)袖珍照度計(jì)(測量范圍0.2～200 lx). 所用LED是深圳佳鴻公司生產(chǎn)的1 W白光LED.

圖1 實(shí)驗(yàn)平臺簡易原理圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

首先給LED輸入350 mA正常工作電流，通過測試箱內(nèi)的自動加熱控溫裝置，設(shè)置控溫溫度為25 ℃，啟動熱沉主機(jī)電源，當(dāng)LED與熱沉達(dá)到熱平衡后(使結(jié)溫可以達(dá)到穩(wěn)定為準(zhǔn))，再測量LED的結(jié)溫、正向電壓、照度. 改變自動加熱控溫溫度(從25～95 ℃每間隔10 ℃測量1次)，分別記錄LED對應(yīng)正向電壓、結(jié)溫、照度值的讀數(shù). 每次測量時為了使LED結(jié)溫度達(dá)到穩(wěn)定，在每個特定控溫溫度下均等待10 min以獲得熱平衡. 圖2為實(shí)驗(yàn)測得在恒流驅(qū)動下，LED正向電壓與結(jié)溫的關(guān)系圖，其線性擬合方程為:

V=-0.002 6T+3.233 9.

由圖2和擬合方程可知：在驅(qū)動電流恒定的情況下，大功率白光LED正向電壓與其結(jié)溫具有較好的線性關(guān)系. 只要能夠測量出某結(jié)溫下的正向電壓，根據(jù)擬合方程即可快速求出該結(jié)溫值.

圖2 正向電壓-結(jié)溫關(guān)系圖

圖3是實(shí)驗(yàn)所測大功率白光LED照度-結(jié)溫關(guān)系測量結(jié)果，其線性擬合方程為：

E=1 000×(-0.002 4T+2.142 6).

由圖3可以看出，隨著白光LED結(jié)溫的升高，其輻射的照度值逐漸降低. 照度值隨著結(jié)溫上升而出現(xiàn)下降的主要原因是LED各外延層之間存在一定的晶格失配，從而在界面上形成大量的諸如位錯等缺陷結(jié)構(gòu). 隨著結(jié)溫的升高，這些缺陷會快速繁衍，甚至侵入到發(fā)光區(qū)，形成大量的非輻射復(fù)合中心，進(jìn)而使得LED器件的注入效率及發(fā)光效率降低. 實(shí)際測量中，只要能夠測量出某一結(jié)溫下的照度，根據(jù)線性關(guān)系和某一照度-結(jié)溫基點(diǎn)即可求出該測量照度對應(yīng)的結(jié)溫值. 可用(2)式表示：

Ttext=To+Etext-EoK,

(2)

式(2)中，To,Eo分別為基點(diǎn)的結(jié)溫(初始結(jié)溫或者環(huán)境溫度，即認(rèn)為在LED點(diǎn)亮前或者點(diǎn)亮瞬間，LED與周圍環(huán)境充分達(dá)到熱平衡，此時將LED的初始結(jié)溫理解為等于環(huán)境溫度)和照度值，Ttext,Etext分別為測試點(diǎn)的結(jié)溫和照度值.K為比例系數(shù). 為了減少實(shí)驗(yàn)誤差：照度計(jì)安裝時，調(diào)整照度計(jì)探頭幾何中心與LED光源光學(xué)中心同軸，探頭平面與光軸垂直，并調(diào)整好照度計(jì)受光面到光源的距離；在均勻穩(wěn)定的光源輻射下，為進(jìn)一步減少實(shí)驗(yàn)誤差，提高測量精度，實(shí)驗(yàn)時，每個控溫溫度下，用照度計(jì)重復(fù)測量輻射照度10次，然后取其平均值作為照度值.

圖3 照度-結(jié)溫關(guān)系圖

4 結(jié) 論

本文提出了基于照度測量的非接觸式大功率白光LED結(jié)溫測量方法并搭建了對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置. 結(jié)果表明：恒流驅(qū)動下，大功率白光LED的照度、正向電壓會隨著結(jié)溫的升高而減小，并呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系. 該方法具有裝置簡單、非接觸測量、不會破壞燈具的結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn). 作為一種非接觸測量LED結(jié)溫的方法，照度法具有一定的實(shí)際應(yīng)用價值. 但該測量技術(shù)還需要在各種類型的白光LED進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)論證和統(tǒng)計(jì)分析，需要進(jìn)一步的理論與實(shí)驗(yàn)研究.

[1] Narendran N, Gu Y. Life of LED-based white light sources [J]. Journal of Display Technology 2005,1(1): 167-171.

[2] Narendran N, Gu Y, Freyssinier J P, et al. Solid-state lighting: failure analysis of white LEDs [J]. Journal of Crystal Growth, 2004,268(3):449-456.

[3] Xi Y, Schubert E F. Junction-temperature measurement in GaN ultraviolet light-emitting diodes using diode forward voltage method [J]. Applied Physics Letters, 2004,85(12):2163-2165.

[4] 周長波,錢可元,羅毅. 準(zhǔn)確測量大功率 LED 熱阻的新方法[J]. 半導(dǎo)體光電, 2009,30(1):43-46.

[5] 劉立明,鄭曉東. LED 結(jié)溫與光譜特性關(guān)系的測量[J]. 光子學(xué)報,2009,38(5):1069-1073.

[6] 李學(xué)夔,譚海曙,黃楊程. 大功率 LED 熱特性測試評價方法研究[J]. 半導(dǎo)體光電,2010,31(6):838-841.

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[8] 陳元燈，陳宇. LED制造技術(shù)與應(yīng)用[M]. 北京:電子工業(yè)出版社，2011：106-107.

[責(zé)任編輯：郭 偉]

Non-contact measurement of junction temperature of high power white LED by illumination

QIU Pei-zhen,GU Ju-guan,HU Yue)

(Department of Physics, Huzhou University, Huzhou 313000, China)

A Non-contact experimental device to measure the junction temperature of high power white LED was set up by using a simple illuminometer. The results showed a good linear relationship between the junction temperature and illumination value of high power white LED driven by constant electric current.

high power white LED; junction temperature; illumination; non-contact method

2014-11-27；修改日期：2015-01-21

浙江省科技廳項(xiàng)目(No.2013C01065)；湖州師范學(xué)院校級科研項(xiàng)目(No.KX21064)

邱培鎮(zhèn)(1981-)，男，山東濟(jì)寧人，湖州師范學(xué)院物理系實(shí)驗(yàn)師，碩士，主要從事光電檢測技術(shù)方面的教學(xué)和研究工作.

TN312.8

A

1005-4642(2015)06-0032-03