温度对大功率LED照明系统光电参数的影响[2]

　　为了便于研究温度对光通量的影响，绘制出光通量对温度的曲线，如图5所示。在光通量随温度变化的曲线图中，光通量与温度呈现出线性关系，并且四只散热器样品的曲线斜率几乎相同，但是截距不同。

　　对图5四条曲线进行线性拟合，得到它们的光通量温度系数K分别为-0.35227，-0.30690，-0.31457，-0.31763lm/℃。拟合的结果表明，四只散热器样品的光通量随温度的变化趋势一致。由此我们推断，对于同种芯片和同种材料的散热器，LED光通量的温度系数与散热器的大小和形状无关。利用散热器温度来计算照明用白光LED光通量的方程：

　　式中，Φ(t)表示在散热器温度为t时LED模块的光通量;K表示光通量温度系数，根据本文所选用的芯片与散热器，其值为(-0.33±0.02)lm/℃;t0表示散热器的初始温度;Φ0表示LED模块的初始光通量。

　　图5　LED光通量随温度的变化曲线

　　由图3、图4、图5可知，对于LED模块：1)散热器的温度经一段时间后会达到热平衡状态，其时间的长短取决于散热器的大小和形状。2)散热器的热平衡温度决定LED输出的光通量，可以利用散热器热平衡温度根据上述公式计算LED模块光通量。3)散热器的大小、形状是影响热平衡温度的重要因素。4)在LED模块中，光通量与温度成线性关系，对同种材料的散热器，其大小、形状对光通量温度系数K影响不大。

　　3.2　温度对电学参数的影响

　　对于单色LED芯片，在输入电流恒定的条件下，很多半导体器件的结电压与温度具有良好的线性关系。发光材料、衬底材料、发光波长、芯片尺寸都会影响LED的电压温度系数，但是对于同类芯片，其电压温度系数基本一致。在本实验中采用商用大功率白光LED，研究散热器温度对其电学参数的影响，根据PMS-50光谱分析系统记录的数据，将电压随温度的变化绘制成曲线图，如图6所示。利用350mA恒流驱动的LED，不考虑LED系统中欧姆接触引起的压降，此时的驱动电压计算方法为

　　图6　LED正向电压随温度的变化

　　式中，n为理论因子，其值会随着正向电压变化情况有很大不同。Io为反向饱和电流。k为玻耳兹曼常数。如图6所示，在本实验中，驱动电流IF=350mA保持不变，随着温度升高，驱动电压下降，说明反向饱和电流在快速增大。

　　从图6可以发现，在温度升高的过程中，正向电压呈下降的趋势，散热器温度与驱动电压表现出线性关系。通过线性拟合，电压温度系数分别为-0.0056539，-0.0065506，-0.0067925，-0.0069680V/℃。正向电压的下降程度由于散热器的型号不同而不同。2、3、4号散热器由于体积相对较大，而最后的热平衡温度较低(图3)，所以在整个过程中，LED的正向电压下降幅度小;1号散热器由于体积较小，稳定时的热平衡温度较高，所以在这个过程中，LED两端的电压变化较大。同时，四样品的功率和光效也呈现出了降低的趋势，在达到热平衡后，其功率和光效呈现出稳定状态，如图7(a)所示。

　　图7　LED模块的功率(a)和光效(b)变化趋势

　　由于p-n结产生的热量不能及时散发出去，导致电子与空穴的复合几率降低，发光效率降低，图7(b)为四样品的发光效率变化趋势。由图5与图6，LED照明系统光通量、电压与温度都具有线性关系，在350mA恒流驱动条件下，其发光效率与温度同样具有线性关系，如图8。经线性拟合，光效温度系数分别为-0.073556，-0.05342，-0.054793，-0.055203lm·℃·W-1。

　　图8  LED发光效率与温度的关系

　　4　结　　论

　　照明用大功率白光LED温度对光电参数的影响进行研究。利用不同型号的散热器来控制LED模块的热平衡温度，分析了温度对其光电参数的影响。研究发现散热器的大小、形状决定了LED模块热平衡温度;在LED模块电源接通时，LED光通量、电压、功率、光效均有急剧下降的一段时间，最终稳定在热平衡值附近，其值大小与LED模块热平衡温度有关。研究还发现：对于照明用大功率白光LED系统，光通量、驱动电压和发光效率均与温度呈现出线性关系，通过线性拟合，总结出了铝合金(6063)散热器下的光通量温度系数、电压温度系数和光效温度系数。为研究LED的热平衡温度对光电参数的影响积累了重要数据，对LED照明器件的制造具有重要的指导意义。

编辑：Cedar