解析温度对大功率LED照明系统光电参数的影响

图3LED模块温度随时间的变化图

　　实验还发现，在热平衡之前，光通量会有一急剧下降的趋势，如图4所示。四只散热器样品光通量在热平衡时其值分别为167.9，174.9，173.3，172.4lm。在这个过程中，LED模块在各个散热器样品上达到热平衡所用的时间和光通量达到稳定的时间趋于一致。在这个过程中，散热器温度的高低对LED模块输出的光通量有直接的影响。

　　1号散热器热平衡温度最高，最后输出的光通量最低，2、3、4号散热器热平衡温度较接近，热平衡时稳定输出的光通量值也相近。表明照明用大功率LED的光通量具有如下规律：在接通电源时的最初一段时间内，光通量呈下降趋势，随后光通量将稳定在一热平衡值附近，其大小随所选取的散热器不同而异。

　图4LED模块光通量随时间的变化

　　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5LED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。

　　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6LED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7LED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" style=