LED应用篇.docx

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LED应用篇

应用篇

1．单个LED的流明效率与用LED作光源构成的灯具的流明效率有什么异同?

针对某一个特定的LED,加上规定的正向偏置,例如加上IF=20mA正向电流后（对应的VF≈3.4V）,测得的辐射光通量Φ=1.2lm,则这个LED的流明效率

为:

ηe-Φ=1.2lm×1000/3.4V×20mA=1200/68≈17.6lm/W

显然，对于单个LED，如施加的电功率Pe=VF×IF,那么在这个功率下测得的辐射光通量折算为每瓦的流明值即为单个LED的流明效率。

但是，作为一个灯具，不论LEDPN结上实际加上的功率VF×IF是多少，灯具的电功率总是灯具输入端口送入的电功率，它包括了电源部分（如稳压源、稳流源、交流整流成直流电源部分等）所消耗的功率。

如图4-1所示，以一个MR-16灯具为例，其工作电压为AC12V，用一只1WLED作光源，其工作电流IF=300mA，此时VF=3.2V，在LEDPN结上的电功率为0.96W，单管的光通量为17lm，但由于灯具内部存在AC/DC变换以及恒流源驱动电路，因此实际输入电功率Pe要大于LED上得到的电功率，使总体的流明效率下降。

假定这个灯的输入功率为1.2W，则灯具的流明效率应为：

ηe-Φ（灯）=17lm/1.2W=14.17lm/W

可见，灯具中，驱动电路的存在使它的流明效率比测试单个LED的流明效率要下降。

电路损耗越大，流明效率越低，因此，寻找一种高效率的LED驱动电路就显得极为重要。

2.为什么一只蓝光LED在涂上特殊的荧光粉构成白光LED后,其辐射光通量

会比蓝光高出几倍甚至十几倍?

从前面我们已经知道白光LED是用什么方法制造出来的,其中一种方法是在发蓝色光的LED芯片上涂上一层YAG荧光粉,部分蓝光光子激发YAG荧光粉,形成光—光转换，荧光粉被激发产生黄光光子，蓝色光与黄色光混合变成白色光，成为白光LED。

这种通过光—光转换后不同波长光的混合，会使它的波谱变宽，白光LED一般具有比图4-2所示的LED蓝光波谱宽得多的波谱。

对于用蓝光芯片加YAG荧光粉制成的白光LED，与单色LED相比，人眼对它的视觉函数应当是图4-3所示的各种波长成分视觉函数的积分平均值，此值可以通过计算得到约为296lm/W，即这种白光LED，当发射出光功率1W的白光时，其辐射光通量约为296lm，这个数值比发射光功率1W的蓝色LED的辐射光通量41lm增大了7.2倍。

我们举一个例子说明，若制作白光的蓝光芯片的光通量为2lm，当涂上

YAG荧光粉后制成白光LED，则它的光通量可以达到15~20lm，只要荧光粉的受激波长与蓝光的激发波长相匹配，并控制涂布制程，是可以获得良好效果的。

3．照度的定义是什么？

知道某个LED的辐射光通量，能否求出它的照度？

在照明应用中，往往要知道被LED照明光源照射的某一个接收面元上的光通量Φ。

很显然，不同面元的面积dS之比，照度单位为勒克斯，用lx来表

示，并可写作：

E=dΦ/dS（4-1）

从式（4-1）可以知道，只要了解了LED光源的光通量Φ和被照射的面积S，则在这个面积S的面上的照度E即可用式（4-1）求得。

因此，从式（4-1）可知，照度又可称作为单位面积的光通量。

根据照度的定义，我们可以得到Φ与E的相互换算关系，由式（4-1）式可知，知道了照度E和被照单元面积即可计算出光通量Φ：

Φ=E·S（4-2）这些关系式在LED实际应用中十分重要，是经常要用到的基本设计公式。

例如图4-4，用LED光源作路灯，已知路灯高10m，灯距为16m，要使

两盏灯间路面范围内照度为20lx，每盏灯的LED光源要用多大的光通量？

这里r=16/2=8m

因此S=3.14×82≈200m2

于是有：

Φ=E·S=20lux×200m2=4000lm

假设用每个Φ为20lm的功率LED来作这个灯的光源，需要200个才能满足要求。

4．当用发光角为60°的LED作数码相机闪光灯的白光光源时，要求在照射

距离0.5m的照射面上照度为10lx，试问这个LED的光通量应为多少？

这是一个知道照度E后要求换算为光通量的例子。

从式（4-1）可知，

这个LED的光通量应为Φ=E·S，这里没有直接告知S的数值,所以首先要求出它的照射面的面积。

已经知道LED发光角为60°，照射距离为0.5m，于是可将LED当作一个点光源处理，可以从图4-5求出面积S。

显然有：

r=d·tan（θ/2）=0.5m×tan30°≈0.29m

S=πr2=3.14×（0.29）2≈0.261m2

E=Φ/S

Φ=E×S=10lx×0.26=2.6lm

即只要这个LED的光通量大于2.6lm即可符合题意的要求。

如果要求照

射距离为3m时，则照射面积就为9.4m2，此时要求这个LED的光通量为94lm，在目前情况下，就有困难，需用两个或两个以上的LED才能实现。

5.请问LED的光通量Φ与发光强度即光强是否能相互转换？

首先我们来了解一个光通量的定义：

一个在所有方向上光强为1cd的点光源，其辐射出的光通量为4πlm。

这就是说，一个点光源假设它处在球心上时，若它的辐射光通量为4πlm（≈12.56lm）时，球面上任一点的光旨为1cd，从这一点出发，我们可以在有条件的情况下，进行两者间的转换。

我们举个例子来说明，假如已知一个LED的发光强度IV=5cd，其射出角为60°，问它的等效光通量是多少》由于LED制成器件后并不是一个真正含义上的点光源，它射出的光有一定的配光范围，这里是60°即出光圆锥角为

60°，仅为球面的1/6，此时其等效光通量可表示为：

Φ=（4π×60°/360°）lm×5cd=10lm，在同样发光强度下，LED射出角越大，其等效光通量也越大，不同的射出角在IV相同时，Φ随θ增大而增大。

6.LED的发光强度IV与照度E之间如何进行换算？

由68题照度定义可知：

E=dΦ/dS。

显然，在同等光通量下，照射面元的面积越大，照度越小，反之亦然。

如果知道了LED的光通量Φ和需照射的面积，就可换算出照度E；如果

知道了LED的发光强度IV和射出角θ，则同样可换算出照射在面元面积为S

的面上的照度。

例如，一个发射角为60°，光强IV=1cd的LED，在向其法向距离为0.1m

的平面上照射时，它的照度可以从下述步骤求得：

由上述IV与Φ的换算可以知道，发射角为60°，发光强度为1cd的LED光源的等效光通量Φ=4π×（60°/360°）≈2lm，而在照射到0.1m距离的面元时，该被照面元的面积S为：

S=π（d×tan30°）2≈3.14×（0.1×0.58）2≈0.0105m2

于是有：

E=Φ/S=2lm/0.0105≈190lx。

如果距离为1m时，则照射角上的照度仅为1.92lx。

从上面这些参数之间的互换来看，均是有条件的，比较与使用条件相对关系不大的是光通量Φ，因此在LED用于照明领域时，往往用光通量来表示它的光学参数就可以理解了。

7.为什么说用积分球来测量LED的光通量时，可以认为：

在积分球内表面任一点位置上得到的由另一部分反射出的照度，不受点的位置的影响？

这个问题实际上利用积分球测光通量的原理基础。

可以证明：

球体表面上任一点的照度与它的位置无关，整个球内表面的照度E是常数。

下面来简单加以说明。

参看图4-6，假定球的半径为r，光源位于球心L处，球内表面涂有反射率为ρ的漫散射材料，光源L到P点间有挡板Q遮挡，光线不能直接射到球内表面P的位置上，但P点处能接收来自内表面的反射光，于是从图4-6可看出，由到P点距离为d的面元ΔS在P点产生的照度ΔE可写作：

ΔE=ΔIvcosφ/r2（4-3）

式中ΔIv为ΔS面元的光强，它由L光源照射产生，式（4-3）又可写作：

ΔE=LΔScosφcosθ/d2（4-4）

式（4-4）为照度平方反比定律，即余弦定律。

L是光源的光强，于是面元ΔS上的光强由式（4-3）和式（4-4）可得到：

ΔIv=LΔScosφ（4-5）

对于一个球体来说，图4-6中，θ=φ，而P到ΔS的距离为d=2rcosφ,将该关系式代入式（4-5）中即可得：

ΔE=LΔS/4r2（4-6）

ΔE球内表面P点处的照度，由式

（4-6）可知，当光源L的光强不变，球的半径也不变时，ΔE是一个常数，与P点处的位置无关，即与θ角的大小无关，这就是积分球被用作Φ测量的依据所在。

8.为什么LEDPN结上温度升高会引起它的光电参数退化？

这个问题要从半导体PN结的机理上去了解，PN结作为杂质半导体，在

其工作过程中同样存在杂质电离、本征激发、杂质散射和晶格散射等问题，从而使复合载流子转换成光子的数量和效能发生变化。

当PN结上的温度（例如环境温度）升高时，PN结内部杂质电离加快，本征激发加速。

当本征激发产生的复合载流子的迁移率减小的半导体电阻率变化的影响更为严重，导致内量子效率下降，温度升高又导致电阻率下降，使同样IF下，VF降低。

如果不用恒流源驱动LED，则VF下降将促使IF指数式增加，这个过程将使LEDPN

结上温升更快，最终温升超过最大结温，导致LEDPN结失效，这是一个正

反馈的恶性过程。

PN结上温度升高，使半导体PN结中处于激发态的电子—空穴复合时从高能级向低能级跃迁时发射出光子的过程发生退化。

这是由于PN结上温度升高时，半导体晶格的振幅增大，使振动的能量也发生增加，当它超过一定值时，电子—空穴从激发态跃迁到基态时会与晶格原子（或离子）交换能量，于是成为无光子辐射的跃迁，LED的光学性能退化。

理论证明，辐射跃迁的数量是随温升呈指数上升的规律变化，并可以用式（4-7）来表示：

Iv=

Ivo

1+e-E/KT

（4-7）

式中Ivo——PN结发生温升前的发光强度；

ΔE——LEDPN结的激活能；K——玻尔兹曼常数；T——绝对温度

由式（4-7），IV（T）与T呈指数关系。

另外，PN结上温度升高还会引起杂质半导体中电离杂质离子所形成的晶格场使离子能级裂变，能级裂变受PN结温度影响，这就意味着由于温度影响晶格振动，使其晶格场的对称性发生变化，从而引起能级分裂，导致电子跃迁产生的光谱发生变化，这就是LED发光波长随PN结温升而变化的原因。

综合上述，LEDPN结上温升会引起它的电学、光学和热学性能的变化，过高的温升还会引起LED封装材料（例如环氧、荧光粉等）物理性能的变化，严重时导致LED失效，所以降低PN结温升，是应用LED的重要关键所在。

9.LED的哪些参数与PN结温度相关？

它们是何种关系？

上面已解释了LEDPN结上温升引丐的发光性能的变化以及对LED一些特性的影响，概括起来，可以归纳为以下几个方面，并可以用与温度相关的关系曲线表示。

（1）T与VF的关系

LED在IF为常数时（即恒流源偏置时），LEDPN结上的正向电压VF具有负温度系数特性，如图

4-7所示。

即随着结上温度升高，

VF下降。

ΔVF/ΔT/IF=cost≈-2mV/℃

（2）T与λD关系

LED发射出的光的波长与结温相关，称为波长温度系数，如式（4-9）所示：

ΔλD/ΔT=K（4-9）不同波长器件的温度系数K（单位：

nm/℃）也不同，处于0.3~0.9nm/℃

范围内,具体可参阅表4-1。

知道了K可以计算λD的变化。

例如，一个在Tal=25℃时，发光波长λD=592nm的LED，当环境Ta升高到Ta2时，它的λD为多少？

表4-1求得K590nm=0.09nm/℃,

ΔλD=K·（Ta2-Tal）=（0.09nm/℃）×（65℃-25℃）=3.6nm,即该LED波长漂移了3.6nm；当Ta=65℃时，λD=590+3.6=593.6nm。

表4-1各种LED的波长温度系数

LED色彩温度系数K（nm/℃）

琥珀黄0.09红0.03蓝0.04绿0.54紫0.04

（3）Φ与T的关系

LED随着T的升高，发光性能也会随之变差，我们以光通量与T的关系来表示这一变化，图4-8示出Φ—T的变化趋势。

随着温度上升，Φ下降；当温度升到接

近PN结最大结温125℃时，Φ就会急剧下降。

不同发光波长的LED，Φ随T的变化

速率不同，黄色LED的变化速率最快，白色次之，绿色第三，蓝色最缓慢。

除此之外，LEDPN结上能施加的电功率，随温度升高而下降，这一点在下面有详述，本题从略。

10.衡量LED长期使用性能退化的主要指标是什么？

当前，比较通用的衡量LED长期使用性能退化的指标是它的发光强度

（或光通量）随工作时间增加而下降的特性。

通常把随使用时间T的增加，LED从初始使用时的光强IVO下降到IV=1/2IVO的时间（即使LED初始光强随使用时间增加下降到50%时），定义为是它的工作寿命的半衰期，这个时间越长，LED越优秀。

应当注意，在被测LED工作时间内，它的IF和VF应当基本上符合规定

条件，一般是在IF恒定状态下每隔一段时间测一次IV，所有试验的环境温度也应当在规定范围内，例如Ta=25±2℃，否则就会缺乏测量依据。

也可以用确定LED的光强IV下降20%的工作时间来衡量它的优劣，检测条件与上面提到的一样。

无论何种实验方法，目的均是从LEDIV的变化趋势来预期它长期工作的性能，即所谓“LED的寿命”。

当然，不同发光特性，不同材料的LED是有差异的，这要通过大量试验来统计分析才能得到相应的结论。

图4-9示出发光二极管发光强度IV与工作时间T的关系示意图.随着时间的延长，IV呈下降趋势,一般讲功率LED较普通LED下降趋势要缓慢,其前提是散热情况要良好。

11.什么是LED的结温，它是如何产生的？

LED的基本结构是一个半导体的PN结。

实验指出，当电流流过LED器件时，PN结的温度将上升，严格意义上说，就把PN结区的温度定义为LED的结温。

通常由于器件芯片均具有很小的尺寸，因此我们也可把LED芯片的温度视之为结温。

在LED工作时，可存在以下四种情况促使结温不同程度的上升：

①器件不良的电极结构，窗口层衬底或结区的材料以及导电银胶等均存在一定的电阻值，这些电阻相互垒加，构成LED器件的串联电阻。

当电流流过PN结时，同时出会流过这些电阻，从而产生焦耳热引致芯片温度或结温的

升高。

②由于PN结不可能极端完美，器件的注入效率不会达到100%，也即是说，在LED工作时除P区向N区注入电荷（空穴）外，N区出会向P区注入电荷（电子），一般情况下，后一类的电荷注入不会产生光电效率，而以发热的形式消耗掉了。

即使有用的那部分注入电荷，也不会全部变成光，有一部分与结区的杂质或缺陷相结合，最终也会变成热。

③实践证明，出光效率的限制是导致LED的结温升高的主要原因。

目前，先进的材料生长与器件制造工艺已能使LED极大多数输入电能转换成光辐射能，然而由于LED芯片材料与周围介质相比，具有大得多的折射系数，致使芯片内部产生的大部分光子无法顺利地溢出界面，而在芯片与介质界面产生全反射，返回芯片内部并通过多次内部反射最终被芯片材料或衬底吸收，并以晶格振动的形式变成热，促使结温升高。

④显然，LED器件的热散失能力是决定结温高低的又一个关键条件。

散热能力强时，结温下降；反之，散热能力差时，结温将上升。

由于环氧胶是低热导材料，因此，PN结处产生的热量很难通过透明环氧胶向上散发到环境中去，大部分热量通过衬底、银浆、管壳、环氧粘结层、PCB与热沉向下发散。

显然，相关材料的导热能力将直接影响器件的热散失效率。

一个普通型的LED，从PN结区到环境温度的总热阻在300~600℃/W之间，对于一个具有良好结构的功率型LED器件，其总热阻约为15~30℃/W。

巨大的热阻差异表明变通型器件只能在很小的输入功率条件下才能正常地工作，而功率型器件的耗散功率可大到瓦级甚至更高。

12.简述结温对LED光输出的影响。

实验指出，LED的光输出均明显依赖于器件的结温。

当LED的结温升高

时，器件的输出光强度将逐渐减小，而当结温下降时，光输出强度增大。

表4-2列出了相对于25℃而言，100℃结温时不同波长响应的InGaAIP与

InGaNLED的光输出通量的相对变化值。

LED材料

Φ100℃/Φ25℃

InGaAIP

590nm

20%

620nm

30%

640nm

42%

InGaN

绿

70%

青

80%

蓝或白

90%

表4-2100℃结温时相对于25℃结温LED光通量的相对变化

这种变化的数学表达式如式（4-10）所示：

Δ

ΦV（T2）=ΦV（T1）e-K

T（4-10）

式中，Φv（T2）与Φv（T1）分别表示结温T2和T1时光通量输出，K为温度系

数，ΔT=T2-T1。

一般情况下，K值可由实验测定，对于InGaAIPLED，K值约为1×10-2，随发光波长的变短略有增加。

式（4-11）指出了光输出通量随结温变化的另一种表示形式：

Φv（T2）=Φv（T1）e-（T2-T1/T0）（4-11）

这里T0表示一种特征温度，T0值与材料有关。

实验指出，对于红色的InGaAIPLED，T0=85℃；对于琥珀色InGaAIPLED，T0≈55℃。

而对于InGaAIPLED，T0值约为840℃，表明InGaN器件的温度系数远小于发红、黄光的InGaAIP器件，也即光通量随温度增加而减小的速率在比InGaAIPLED小得多。

一般情况下，光输出通量随结温的增加而减小的效应是可逆的，也即当温度回复到初始温度时，光输出通量会有一个恢复性的增长。

这种效应的发

生机理显然是由于材料的一些相关参数会随温度发生变化，从而导致器件参

数的变化。

如随温度的增加，电子与空穴的浓度会增加，禁带宽度会变小，电子迁移也将减小。

这些参量的变化必定引致器件输出光通量的改变。

然而当温度恢复至初态时，器件参数的变化也将随之消失，输出光通量也会回复至初态值。

13.LED的正向电压与结温之间存在什么关系？

正向电压是判定LED性能的一个重要参量，它的数值取决于半导体材料的特性、芯片尺寸以及器件的成结与电极制作工艺。

相对于20mA的正向电流，通常InGaAIPLED的正向电压在1.8~2.2V之间，而发蓝、绿光的InGaNLED的正向电压在3.0~3.5V之间。

在小电流近似下，LED器件的正向压降由式（4-12）表示：

VF=（nKT/q）ln（IF/I0）+RsIF（4-12）

式中，VF为正向电压，IF为正向电流，I0为反向饱和电流，q为电子电荷，K是玻尔兹曼常数，Rs是串联电阻，n是表征PN结完美性的一个参量，处在1~2之间。

分析式（4-12）的右边发现，只是反向饱和电流IO与温度密切相关，IO值随结温的升高而增大，导致正向电压VF值下降，实验指出，在输入电流恒定的情况下，对于一个确定的LED器件，两端的正向压降与温度的关系可由式（4-13）表示：

VfT=VfTO+K（T-T0）（4-13）

式中，VfT与VfTO分别表示结温为T与T0时的正向压降，K是压降随温度变化的系数，对于InGaAIP与InGaNLED，其K值大致可由表4-3所示。

器件

颜色

K

K

InGaAIP

红

-2

-2

琥珀

InGaN

绿

K

K

蓝绿

蓝

深蓝

白

表4-3InGaAIP与InGaNLED的电压温度系

电压随温度的变化是可恢复的，但在高温情况下，由于结区缺陷与杂质的大量增殖与集聚，也将造成额外复合电流的增加，而使正向电压下降，甚至出现恶性循环。

通常，恒流是LED工作的较好的模式，如在恒压条件下，由于温升效应使正向电压下降与正向电流增加，并形成恶性循环，最终导致器件损坏。

14.当结温上升时，LED的发光波长与颜色如何变化？

LED的发光波长一般可分成峰值波长与主波长两类，前者表示光强最大的波长，而主波长可由X、Y色度坐标决定，反映了人眼可感知的颜色。

显然，结温所引致的LED发光波长的变化将直接造成人眼对LED发光颜色的不同感受。

对于一个LED器件，发光区材料的禁带宽度值直接决定了器件发光的波长或颜色。

InGaAIP与InGaN材料属Ⅲ—V族化合物半导体，它们的性质与GaAs相仿，当温度升高时，材料的禁带宽度将减小，导致器件发光波长变长，颜色发生红移。

通常可将波长随结温的变化表示如下：

λ（T2）=λ（T1）+△T·K

式中λ（T2）——结温T2时的波长；

λ（T1）——结温（T1）时的波长；

K——波长随温度的变化系数。

器件

颜色

Kd

Kp

单位

InGaAIP

红

+0.03

+0.2

nm/℃

琥珀

+0.04

+0.15

nm/℃

器件

绿

±0.04

±0.05

nm/℃

青

蓝

深蓝

表4-4LED波长偏移系数

表4-4指出了InGaAIP与InGaN器件主波长与峰值波长的K值，由表可知，对于InGaN与InGaAIPLED，峰值波长随温度的变化要大于主波长随温度的变化，其中InGaAIPLED尤甚。

人眼对不同波长的颜色感知灵敏度是存在着很大差异的，在蓝、绿、黄区域很小的波长变化就将引致人眼感觉上的变化，从而对蓝、绿、黄器件的温升效应提出了更高的要求。

一般来说，2~5nm的波长变化人眼就可以感觉到，而对红光波长的变化，人眼的感觉就要相对迟钝一些，但也能感觉到15nm的波长差异。

为定量地表明人眼对不同波长颜色的感知程度，有些公司的产品将颜色与波长的关系列出了主波长的颜色仓。

对于琥珀颜色，由于人眼最为灵敏，因此颜色仓的波长间隔分得很细，仅为2~3nm，但对于红色区域，其间隔扩大到15