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    倒裝LED燈絲燈的光學(xué)性能詳解

    時(shí)間:2016-06-18 08:01來(lái)源:未知 作者:shengxia 點(diǎn)擊:

     倒裝LED燈絲因其倒裝和平面涂覆工藝以及360°立體發(fā)光的特點(diǎn)成為市場(chǎng)研究的重點(diǎn)。長(cháng)期以來(lái),國內外的專(zhuān)家致力于LED的發(fā)光均勻性的研究,但其實(shí)LED是一個(gè)光、電、熱相互影響的綜合系統,其輸出的光學(xué)性能會(huì )受到輸入的電流和結點(diǎn)溫度的影響。

     
      LED的PN結中注入的少數載流子與多數載流子復合時(shí)會(huì )把多余的能量以光的形式釋放出來(lái),將電能直接轉換為光能,但是在這個(gè)過(guò)程中,會(huì )產(chǎn)生大量的熱,如果這些熱量無(wú)法及時(shí)散開(kāi),就會(huì )導致PN結的溫度迅速上升,從而影響到倒裝LED燈絲的發(fā)光性能。
     
      本文研究倒裝LED燈絲在不同直流電流驅動(dòng)下的固態(tài)繼電器、色溫等輸出光性能隨輸入電流和溫度變化的規律,比較初態(tài)和穩態(tài)(點(diǎn)亮30min之后)的光通量、色溫等,分析溫度對于光學(xué)性能的影響。
     
      1.樣品制備與測試
     
      1.1 樣品制備
     
      將倒裝LED芯片通過(guò)固晶機固定于白陶瓷基板上,陶瓷基板尺寸為60 mm×1.2 mm×0.38 mm,芯片尺寸為12 mil×26 mil,用兩層體涂覆方式對燈絲進(jìn)行點(diǎn)膠。取6根上述方法制備的燈絲,將6根燈絲串聯(lián)在一起,樣品如圖1所示。
     
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      1.2 測試
     
      采用型號為ZWL-9200的中為積分球測量光通量、色溫和色坐標。被測LED采用固定夾具置于積分球中心,LED發(fā)射的光經(jīng)積分球內部白色漫反射層,漫反射一部分光線(xiàn)通過(guò)積分球表面的通光孔徑光纖傳輸到微型多通道光譜儀,光譜儀采集的數據通過(guò)USB接口發(fā)送到計算機進(jìn)行處理和顯示,光源采用恒流源供電。
     
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      2.分析與討論
     
      采用中為的積分球進(jìn)行測試。將樣品點(diǎn)亮,放進(jìn)積分球,測試得到調壓模塊,光通量和色品坐標等。點(diǎn)亮30 min后,再次進(jìn)行測量得到穩態(tài)的光學(xué)性能。隨后,將瞬態(tài)與穩態(tài)的數據進(jìn)行分析和比較,得出結論。
     
      2.1 光通量分析
     
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      光通量隨電流的變化如圖2所示,無(wú)論是在初態(tài)還是穩態(tài),光通量都隨電流的增加而增加。這是因為PN結是發(fā)光二極管的核心部分,電流增加后,注入到發(fā)光區的電子和空穴數量增加,發(fā)生輻射復合的數量也會(huì )增加,從而導致LED的光通量增加。理論上,LED 的光通量隨電流的增大而線(xiàn)性增大。
     
      但是,如圖2所示,在初態(tài)且電流為10~25 mA的時(shí)候,光通量隨電流的變化是1條斜率K=18左右的直線(xiàn),電流與光通量幾乎呈線(xiàn)性關(guān)系,而在25~30 mA的時(shí)候,斜率K=16.113 2,有了明顯的下降。
     
      由此可以看出,在初態(tài)時(shí),電流和光通量幾乎成線(xiàn)性關(guān)系,在30 mA點(diǎn)亮時(shí),因為L(cháng)ED芯片趨于飽和狀態(tài),才導致斜率有了明顯的下降。在穩態(tài)時(shí),相鄰兩點(diǎn)之間的斜率依次為K1=17.591 2,K2=16.557 8,K3=15.113 2,K4=13.668 4, 光通量與電流不再成線(xiàn)性關(guān)系,而且隨著(zhù)電流的增加,光通量增加的量越來(lái)越。ㄐ甭手饾u減少),這是因為電流的上升導致結溫上升,且燈絲沒(méi)有及時(shí)散熱,從而導致結溫對光通量造成影響,產(chǎn)生光衰。由此可見(jiàn),熱量會(huì )導致芯片老化,而芯片老化是光通量下降的根本原因。
     
      根據圖2初態(tài)和穩態(tài)的比較,可以發(fā)現點(diǎn)亮30min之后(即穩態(tài)),燈絲的光通量均有所下降,且下降趨勢隨著(zhù)電流的增加也越來(lái)越明顯。10 mA驅動(dòng)時(shí),穩態(tài)的光通量為瞬態(tài)的99.8%,15 mA驅動(dòng)時(shí),穩態(tài)的光通量為瞬態(tài)的98%,20 mA驅動(dòng)時(shí),穩態(tài)的光通量為瞬態(tài)的95%,25 mA驅動(dòng)時(shí),穩態(tài)的光通量為瞬態(tài)的92.7%, 30 mA驅動(dòng)時(shí),穩態(tài)的光通量為瞬態(tài)的91%。
     
      由此可見(jiàn),當輸入電流較小時(shí),光通量隨溫度升高而減少的現象不清晰,但隨著(zhù)電流的逐漸加大,光衰現象非常明顯。因為隨著(zhù)溫度的升高,LED 的電光轉換效率下降,即輸入相同的電功率所產(chǎn)生的可見(jiàn)光的量在減少,所以光通量也減少。
     
      2.2 色溫分析
     
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      根據圖3和圖4所示,初態(tài)和穩態(tài)不同電流下的色溫,落點(diǎn)均在bin區內,而且落點(diǎn)集中,符合國際正反轉模塊標準。進(jìn)入穩態(tài)之后,色坐標落點(diǎn)仍然十分集中,沒(méi)有明顯的漂移。色坐標的漂移主要因素是熒光粉性能的老化,而過(guò)高的熱量又是導致熒光粉性能老化的首要因素。由此可以看出,倒裝LED燈絲具有良好的散熱性,從而保證倒裝LED燈絲的穩定和可靠。而色坐標微小的漂移與熒光粉的顆粒,攪拌均勻度,芯片亮度等原因有關(guān)。
     
      倒裝LED燈絲燈的光學(xué)性能詳解 
     
      根據圖5所示,在穩態(tài)情況下倒裝燈絲的色溫均上升,在10 mA時(shí),增長(cháng)量為0.39%,在15 mA時(shí),增長(cháng)量為0.48%,在20 mA時(shí),增長(cháng)量為0.68%,在25 mA時(shí),增長(cháng)量為0.77%,在30 mA時(shí),增長(cháng)量為0.77%。
     
      色溫的增量隨著(zhù)電流增大最后趨于飽和,說(shuō)明熒光粉的熱猝滅效應大于芯片,熱輻射的溫度大于芯片的溫度。而色溫隨電流的增加而增加,是因為隨著(zhù)電流的增加,倒裝燈絲中的芯片發(fā)出的藍光增多,而熒光粉層的厚度是一定的,則出射的白光中藍光成分增加,從而使燈絲的色溫增加,當LED芯片發(fā)出的藍光趨于飽和狀態(tài)時(shí),色溫的增加也將變得緩慢。
     
      英國物理學(xué)家凱爾文(Kelvin)于1848年在一次物理實(shí)驗中發(fā)現了光色與溫度的關(guān)系。他把黑體(又稱(chēng)絕對黑體,也稱(chēng)完全輻射體)放在密封容器中加熱,以絕對零度(-273.16℃)為計算起點(diǎn),溫度每升高1℃,色溫相應提高1K。
     
      溫度與電流也成線(xiàn)性關(guān)系,因此,色溫與電流也成線(xiàn)性關(guān)系,但是根據圖5所示,無(wú)論初態(tài)還是穩態(tài)在15 mA時(shí),斜率從4.5左右瞬間下降到1.4左右,發(fā)生了一個(gè)突變,由此可見(jiàn),電流的增大,溫度的上升不僅能夠激發(fā)LED芯片的藍光,還會(huì )造成LED芯片的衰減,而且溫度對于LED衰減的影響將遠大于其所激發(fā)的藍光。
     
      2.3 溫度分析
     
      運用熱電偶測量點(diǎn)亮30 min之后燈絲的平均溫度。根據公式Tj=Ths+RjPheat=Ths+RjKhPd,式中Rj為L(cháng)ED的內部熱阻,Tj為結溫,Kh為發(fā)熱系數, 由此可以看出,燈絲的平均溫度從一定程度上反映燈絲內部的結溫。
     
      倒裝LED燈絲燈的光學(xué)性能詳解 
     
      從圖6中可以看出,溫度隨著(zhù)電流的增加而增加,且溫度與電流幾乎成一種線(xiàn)性關(guān)系,關(guān)系式為T(mén)=0.908I+22。由此說(shuō)明,電流的增加并不會(huì )導致溫度突然的上升而燒壞燈絲,但是電流的增加所產(chǎn)生的熱量對于倒裝LED燈絲的光學(xué)特性會(huì )產(chǎn)生一定的影響。
     
      3.結論
     
      倒裝LED燈絲是一個(gè)光,電,熱互相作用的混合系統,其輸出光特性受輸入電流的影響。通過(guò)研究和分析在不同直流電流的驅動(dòng)下倒裝LED燈絲的光通量、色溫等輸出光性能隨輸入電流和溫度變化的規律,得到以下結論:
     
      在不同直流電流的驅動(dòng)下,倒裝LED燈絲的色溫隨著(zhù)電流的增加而增加,色坐標比較穩定,而光通量會(huì )受到較大的影響;且這種影響,在輸入較小的電流時(shí)并不明顯,在輸入較大電流時(shí),光通量會(huì )有明顯的下降;電流的增加會(huì )導致溫度的上升,過(guò)多的熱量加速芯片和熒光粉的老化,從而使得倒裝LED燈絲的光學(xué)性能下降,光衰明顯。因此,倒裝LED燈絲具有良好的散熱是一個(gè)關(guān)鍵。
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