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照明用LED光效的热特性及其测试与评价方法的研究

刘木清  
【摘要】: 发光二极管(LED)是近年来照明技术领域的研究热点。以其潜在的高光效、长寿命、单色性好、固态、环保等优点而受到全世界的重视。世界上几个主要的发达国家都制定了自己的国家计划,强力推进LED照明技术。在这种情况下,LED技术近年来飞速发展。作为主要指标的光效目前商业化产品已接近1001m/w,而实验室产品的光效更高。因此,LED的应用领域已从以前的显示、信号领域逐步走向普通照明领域。但是,LED是与传统光源有很大区别的光源,特别是其发光效率与LED的发光体p-n结温度相关,即结温上升发光效率下降。而LED目前的发光效率仅30%左右,未来即使上升到50%也仍然有50%的能量转化为热能,这将造成LED结温的上升。因此,这样就存在如下另三个研究内容:1).如何在灯具中降低LED的结温?2).如何测试LED的结温?3).在考虑LED器件工作时结温上升不可避免情况下,如何评价LED的光效?因此,这就是本论文的题目,即“照明用LED光效的热特性及其测试与评价方法的研究”。 论文首先通过理论分析了LED工作时结温上升光效下降的原因,即目前的LED产品有约70%的输入电能转化为热能,而LED芯片很小的热容与一定的热阻使p-n结温度快速上升。 之后,论文研究了LED在照明使用时(即灯具中)的散热模型,并对该模型进行了试验论证,结果也证实LED芯片到空气的热阻中,灯具的热阻占主要部分。文中对多款LED灯具进行散热试验,证实LED灯具的散热不仅与外壳的表面积相关,也与灯具的优化设计相关。 再其次,论文研究了LED结温的测试方法,即应用LED正向电压与结温的关系测试LED的结温。并基于此,提出了灯具中单颗LED的结温测试方法:通过同样单颗LED样品在灯具外小电流驱动下测试正向电压与p-n结结温的关系曲线,再测试LED在灯具中工作状态下并瞬间改为在同样小电流驱动时的正向电压,由此计算的LED在灯具状态下的结温。文中通过试验证实该方法可行,但也指出该方法需对LED灯具本身进行破坏性试验。因此,文中提出了大电流法测试LED的结温,即在灯具外通过与LED正常工作时一样的驱动电流测试同样样品的正向电压与结温的关系,然后只要测试LED在灯具内正常工作时的正向电压,即可获得LED在灯具内工作时的结温,而无需对LED灯具进行破坏性试验。文中通过比较证实该大电流法测试LED灯具内结温方法可行。同时通过误差分析,证实大电流法比小电流法具有更高的测试精度。 最后,文中建立了一个基于复合抛物面的LED光通量测试方法,并经过样品的测试结果与分布光度计的测试结果比对,初步证实该LED光通量测试方法可行。同时,基于LED工作时结温上升的必然性,文中通过分析现有LED光效的评价方法包括小电流脉冲法及一定结温下的光通量的不尽合理性,提出了采用标准散热器的光效评价方法。即在标准散热器下,比较两个LED的光效特性。对标准散热器作了说明,也通过实际灯具例子分析了该方法的准确性。作为最后结论,文中建议采用标准散热器下的光效将最有利于LED灯具的设计。 文章的结尾,也分析了该论文之后本工作需继续努力的方向:即完善建议的光通量测试方法,加大样品数,以进一步证实采用标准散热器下评价照明用LED的光效的合理性。并研制同样的基于标准散热器的评价LED颜色、寿命等的方法。


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