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白光LED的特性參數

從目前的LED産品的機理和結構来看,以下幾個方面是用来衡量LED優劣的特性參數。

(1)白光LED電流/電壓參數(正、反向)

LED的電性能具有典型的PN結伏安特性,不同的電流直接影響LED的發光亮度和PN結的結溫.在照明應用中,为了獲得大功率的LED燈,往往将許多個發光二極管通過一定的串并聯方式組合在一起,相關的各個LED的特性必須匹配,在交流工作狀态還必須考慮其反向電特性,因此必須測試它們在工作點上的正向電流和正向壓降,以及反向漏電流和反向擊穿電壓等參數。

(2)白光LED光通量和輻射通量

發光二極管單位時間内發射的總電磁能量稱为輻射通量,也就是光功率(W).對于照明用LED光源,我們更關心的是照明的視覺效果,即光源發射的輻射通量中能引起人眼感知的那部分當量,稱作为光通量ΦV(1m).
輻射通量與器件的電功率之比表示LED的輻射效率;光通量與器件的電度指在給定方向上單位立體角内所發射的光通量:
            I= dΦ/dΩ(cd)               (2-1)
光強分布曲線如圖1所示,是表示LED發光在空間各方向的分布狀态.在照明應用中計算工作面的照度均勻性和LED燈的空間布置,光強分布是最基本的數據.對于空間光束为旋轉對稱型分布的LED,用一個過光束軸平面上的曲線表示即可.對光束为橢圓形分布的LED,則用過光束軸及橢圓形長短軸的兩個垂直平面上的曲線来表示.對于非對稱的複雜圖形,一般用過光束軸的六個以上截面的平面曲線来表示.
發光角(或光束角)通常用半強度角θ1/2表示,即在光強分布圖中光強大于等于峰值光強1/2時所包含的光束角度.

(4)白光LED光譜功率分布

LED的光譜功率分布表示輻射功率随波長的變化函數,它既确定了發光的顔色,也确定了它的光通量以及它的顯色指數.通常用相對光譜功率分布S(λ)表示,光譜功率沿峰值兩邊下降到其值的50%時,所對應的兩個波長之差Δλ=λ2-λ1,即为光譜帶.

(5)白光LED色品坐标

選三原色紅(R)、綠(G)、藍(B).
X=R/(R+G+B),Y=G/(R+G+B),Z=B/(R+G+B)         (2-2)
由于X+Y+Z=1,所以隻用給出X和Y的值,就能唯一地确定一種顔色.这就是通常所說的色度圖,为了使坐标值能直接表示亮度大小,國際照明協會規定采用另一種色度坐标X、Y、Z,與R、G、B間存在線性換算關系.若以x、y作为平面坐标系,将自然界中的各種彩色按比色實验法測出其x、y數值,并繪在該坐标平面内,便可得到圖2-1所示的色度圖.該色度圖邊沿舌形曲線上的任一點都代表某一波長光的色調,而曲線内的任一點均表示人眼能看到的某一種混合光的顔色.其中白光區域的特征點A、B、C、D65、E的坐标值和色溫見表2-1.
表2-1 特征點對應的色坐标值和色溫
光源點    X坐标    Y坐标    色溫(K)
A    0.4476    0.4074    2854
B    0.3484    0.3516    4800
C    0.3101    0.3162    6800
D65    0.313    0.329    6500
E    0.3333    0.3333    5500

(6)白光LED色溫和顯色指數

對于白光LED等發光顔色基本为“白光”的光源用色品坐标可以準确地表达該光源的表觀顔色.但具體的數值很難與习慣的光色感覺聯系在一起.人們经常将光色偏橙紅的稱为“暖色”,比較熾白或稍偏蘭的稱为“冷色”,因此用色溫来表示光源的光色會更加直觀.
光源的發光顔色與在某一溫度下黑體輻射的顔色相同時,則稱黑體的溫度为該光源的色溫(color temperature) T,單位为開(K).對于白光LED,其發光顔色往往與各種溫度下的黑體(完全輻射體)的色品坐标都不可能完全相同,这時就不能用色溫表示.为了便于比較,而采用相關色溫(CCT)的概念.也就是當光源的色品與完全輻射體在某一溫度下的色品最接近,即在1960CIE-UCS色品圖上的色品差最小時,則該完全輻射體的溫度稱为該光源的相關色溫R1.
用于照明工程的LED,尤其是白光LED,除表現顔色外,更重要的特性往往是周圍的物體在LED光照明下所呈現出来的顔色與該物件在完全輻射(如日光)下的顔色是否一致,即所謂的顯色特性.
1974年CIE推薦了用“試验色”法来定量評价光源顯色性的方法,它是測量參照光源照明下和待測光源照明下标準樣品的總色位移量为基礎来規定待測光源的顯色性,用一個顯色指數值来表示.CIE規定用完全輻射體或标準照明體D作为參照光源,并将其顯色指數定为100,還規定了若幹測試用的标準色樣.
根據在參照光源下和待測光源下,上述标準色樣形成的色差来評定待測光源顯色性的好壞.光源對某一種标準色樣品的顯色指數稱为特殊顯色指數R1.
          R1=100-4.6△Ei                 (2-3)
式中△Ei为第i号标準色樣在參照光源下和待測光源下的色差.
CIE推薦的标準色樣共有14種.其1-8号为中等飽和度、中等明度的常用代表性色調樣品,第9至14号樣品包括紅、黃、綠、藍等幾種飽和色、歐美的皮膚色和樹葉綠色.在一些特殊場合使用的LED光源,必須考核其特殊的顯色指數.1985年國家制定了“光源顯色性評价方法”标準,并增加了中國人女性膚色的色樣,作为第十五種标準色樣.这對于評价在電視演播室、商場、美容場所等照明用LED光源的顯色性尤为重要.
光源對前8個顔色樣品的平均顯色指數稱为一般顯色指數Ra.

(7)白光LED熱性能

照明用LED發光效率和功率的提高是當前LED産业發展的關鍵問題之一,與此同時,LED的PN結溫度及殼體散熱問題顯得尤为重要,一般用熱阻、殼體溫度、結溫等參數表示.

(8)白光LED輻射安全

目前,國際電工委員會IEC将LED産品等同于半導體激光器的要求進行輻射的安全測試和論證.因LED是窄光束、高亮度的發光器件,考慮到其輻射可能對人眼視网膜的危害,因此,對于不同場合應用的LED,國際标準規定了其有效輻射的限值要求和測試方法.目前在歐盟和美國,照明LED産品的輻射安全作为一項強制性的安全要求執行.

(9)白光LED可靠性和壽命

可靠性指标是衡量LED在各種環境中正常工作的能力.在液晶背光源和大屏幕顯示中特别重要.壽命是評价LED産品可用周期的質量指标,通常用有效壽命或終了壽命表示.在照明應用中,有效壽命是指LED在額定功率條件下,光通量衰減到初始值的規定百分比時所持續的時間.
1)平均壽命
一批LED同時點亮,當经過一段時間後,LED不亮达到50%時所用的時間.
2)经濟壽命
在同時考慮LED損壞以及光輸出衰減的狀況下,其綜合輸出減至一特定比例時的小時數.此比例用于室外光源为70%,用于室内光源为80%.


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