解析溫度對大功率LED照明系統(tǒng)光電參數(shù)的影響

圖3LED模塊溫度隨時間的變化圖

　　實驗還發(fā)現(xiàn)，在熱平衡之前，光通量會有一急劇下降的趨勢，如圖4所示。四只散熱器樣品光通量在熱平衡時其值分別為167.9，174.9，173.3，172.4lm。在這個過程中，LED模塊在各個散熱器樣品上達到熱平衡所用的時間和光通量達到穩(wěn)定的時間趨于一致。在這個過程中，散熱器溫度的高低對LED模塊輸出的光通量有直接的影響。

　　1號散熱器熱平衡溫度最高，最后輸出的光通量最低，2、3、4號散熱器熱平衡溫度較接近，熱平衡時穩(wěn)定輸出的光通量值也相近。表明照明用大功率LED的光通量具有如下規(guī)律：在接通電源時的最初一段時間內(nèi)，光通量呈下降趨勢，隨后光通量將穩(wěn)定在一熱平衡值附近，其大小隨所選取的散熱器不同而異。

　圖4LED模塊光通量隨時間的變化

　　為了便于研究溫度對光通量的影響，繪制出光通量對溫度的曲線，如圖5所示。在光通量隨溫度變化的曲線圖中，光通量與溫度呈現(xiàn)出線性關系，并且四只散熱器樣品的曲線斜率幾乎相同，但是截距不同。

　　對圖5四條曲線進行線性擬合，得到它們的光通量溫度系數(shù)K分別為-0.35227，-0.30690，-0.31457，-0.31763lm/℃。擬合的結(jié)果表明，四只散熱器樣品的光通量隨溫度的變化趨勢一致。由此我們推斷，對于同種芯片和同種材料的散熱器，LED光通量的溫度系數(shù)與散熱器的大小和形狀無關。利用散熱器溫度來計算照明用白光LED光通量的方程：

　　式中，Φ(t)表示在散熱器溫度為t時LED模塊的光通量；K表示光通量溫度系數(shù)，根據(jù)本文所選用的芯片與散熱器，其值為(-0.33±0.02)lm/℃；t0表示散熱器的初始溫度；Φ0表示LED模塊的初始光通量。

　圖5LED光通量隨溫度的變化曲線

　　由圖3、圖4、圖5可知，對于LED模塊：1)散熱器的溫度經(jīng)一段時間后會達到熱平衡狀態(tài)，其時間的長短取決于散熱器的大小和形狀。2)散熱器的熱平衡溫度決定LED輸出的光通量，可以利用散熱器熱平衡溫度根據(jù)上述公式計算LED模塊光通量。3)散熱器的大小、形狀是影響熱平衡溫度的重要因素。4)在LED模塊中，光通量與溫度成線性關系，對同種材料的散熱器，其大小、形狀對光通量溫度系數(shù)K影響不大。

　　2.溫度對電學參數(shù)的影響

　　對于單色LED芯片，在輸入電流恒定的條件下，很多半導體器件的結(jié)電壓與溫度具有良好的線性關系。發(fā)光材料、襯底材料、發(fā)光波長、芯片尺寸都會影響LED的電壓溫度系數(shù)，但是對于同類芯片，其電壓溫度系數(shù)基本一致。在本實驗中采用商用大功率白光LED，研究散熱器溫度對其電學參數(shù)的影響，根據(jù)PMS-50光譜分析系統(tǒng)記錄的數(shù)據(jù)，將電壓隨溫度的變化繪制成曲線圖，如圖6所示。利用350mA恒流驅(qū)動的LED，不考慮LED系統(tǒng)中歐姆接觸引起的壓降，此時的驅(qū)動電壓計算方法為

圖6LED正向電壓隨溫度的變化

　　式中，n為理論因子，其值會隨著正向電壓變化情況有很大不同。Io為反向飽和電流。k為玻耳茲曼常數(shù)。如圖6所示，在本實驗中，驅(qū)動電流IF=350mA保持不變，隨著溫度升高，驅(qū)動電壓下降，說明反向飽和電流在快速增大。

　　從圖6可以發(fā)現(xiàn)，在溫度升高的過程中，正向電壓呈下降的趨勢，散熱器溫度與驅(qū)動電壓表現(xiàn)出線性關系。通過線性擬合，電壓溫度系數(shù)分別為-0.0056539，-0.0065506，-0.0067925，-0.0069680V/℃。正向電壓的下降程度由于散熱器的型號不同而不同。2、3、4號散熱器由于體積相對較大，而最后的熱平衡溫度較低(圖3)，所以在整個過程中，LED的正向電壓下降幅度?。?號散熱器由于體積較小，穩(wěn)定時的熱平衡溫度較高，所以在這個過程中，LED兩端的電壓變化較大。同時，四樣品的功率和光效也呈現(xiàn)出了降低的趨勢，在達到熱平衡后，其功率和光效呈現(xiàn)出穩(wěn)定狀態(tài)，如圖7(a)所示。

圖7LED模塊的功率(a)和光效(b)變化趨勢

　　由于p-n結(jié)產(chǎn)生的熱量不能及時散發(fā)出去，導致電子與空穴的復合幾率降低，發(fā)光效率降低，圖7(b)為四樣品的發(fā)光效率變化趨勢。由圖5與圖6，LED照明" style=