單色LED信號燈溫度特性研究

費　坤,李海濤,曹　琛,李曉周

(中國兵器裝備集團摩托車檢測技術研究所，陜西 西安　710043)

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單色LED信號燈溫度特性研究

費坤,李海濤,曹琛,李曉周

(中國兵器裝備集團摩托車檢測技術研究所，陜西 西安710043)

本文基于積分球光度測量系統對單色LED信號燈的變溫光譜曲線進行了測試。實驗結果發現，溫度的升高對發光波長及光通量產生顯著影響。紅，藍，綠，白LED光譜均出現紅移現象，改變量大致為0.13 nm/K，光通量呈指數形式遞減，衰減范圍在2%～10%內，色溫保持穩定。本文從LED的材料及發光機制兩方面對波長的偏移及光通量的改變進行了分析。

發光二極管；變溫；光通量；光譜；色溫

引言

近些年隨著半導體芯片技術的不斷改進及封裝技術的迅速提高，高亮度紅、橙、黃LED芯片開始普及，使LED應用范圍擴大至汽車燈光[1-3]，交通信號燈，戶外大型顯示屏等領域。作為信號燈，由于其具有發光效率高，能耗低，發熱量小，單色性強的特性，大大減少了燈艙體積， 降低了生產成本，同時響應時間短的特點也提高了行車的安全性。

信號燈圍繞著標準的要求而發展，其主要作用是顯示車輛的存在，寬度，狀態以及輔助照明等，包括轉向燈，制動燈，前后位置燈，示廓燈，后霧燈等。GB 4785—2007《汽車及掛車外部照明和光信號裝置的安裝規定》中明確規定信號燈光色要求，試驗方法和檢驗規則。其中光色度參數是標志著器件性能的優劣。但是LED日常工作過程中出現的熱效應對其使用壽命，發光波長及發光效率等都會產生影響，因此研究單色LED信號燈溫度特性具有實際意義。本文基于積分球光度測量系統研究了紅，藍，綠，白四款單色信號燈的溫度影響特性。

LED光色度的測量主要有積分球和分布光度計兩種方法[4-5]。相比較分布光度計，積分球具有簡單易行，設備投入少，分析速度快等優點。積分球測量的前提是：①積分球內表面是一完整的幾何球面，遵從朗伯定律；②球內壁各點的漫射系數相等；③積分球內壁的白色顏料對光源發出的各種光線具有相同的漫射系數；④球的直徑各處相等，球內燈泡之外其它無雜物存在。總光通量可以表示為[6-9]

(1)

其中EX，ES分別表示待測燈具與標準燈具的照度，φS，φX分別表示待測燈與標準燈的總光通量。

1　試驗過程

實驗采用遠方CIS-2000恒溫積分球，球殼采用雙層球體結構設計，能夠精密控制和調節積分球溫度，可調范圍為20 ℃～30 ℃，同時確保球內氣流自然穩定，保證燈具或光源在穩定環境下進行測量。被測燈具安裝在球中心，通過光度探頭與光譜輻射計(HASS-2000)相連，構成LED光色電綜合測試系統，用于快速測量分析LED光色電性能參數。試驗中通過改變積分球溫度，分別在20.0 ℃～30.0 ℃下測量了紅，藍，綠，白色信號燈的光色度參數。數據采集間隔設定為2.0度，樣品穩定時間至少為2 h，在工作電流，光通量變化值小于0.2%后再進行數據采集。

2　結果分析

2.1光譜的溫度特性

對于單色LED，峰值波長的漂移必將導致顏色的變化，因此研究峰值波長的變化具有實際意義。圖1分別表示綠色LED，紅色LED，白色LED，藍色LED在溫度變化下光譜隨波長的變化情況。三條曲線分別對應于22 ℃,25 ℃,28 ℃下四款LED燈的光譜曲線。從測試結果發現，隨著環境溫度的升高，四款LED光譜均出現紅移現象，向長波方向偏移，發光波長移動范圍微小，改變量大致為0.13 nm/K。

圖1　光譜溫度特性Fig.1　The influence of temperature on the spectrum of monochrome LED.

基于LED的發光機制，發光波長或頻率取決于半導體材料的能級間隔。隨著溫度的升高，半導體的能級出現分裂，能級間隔Eg減小，發光波長必將增大。兩者之間的關系可以由式(2)決定。

(2)

2.2光通量的溫度特性

光通量是光度學中重要的物理參數，是人眼睛感受到的能量標稱值，標志著燈具性能的優劣。LED燈具光通量與工作溫度有直接的關系。實驗結果如圖2所示，隨著溫度的升高，光通量值呈指數式衰減。四款不同顏色的燈具衰減量不同，這與燈具結構的散熱水平有很大關系。紅色衰減量為7.97%，綠色衰減量為5.74%，白色衰減量為8.7%，藍色衰減量為2.6%。

LED輸入功率中80%～85%的能量是通過熱傳導的方式散發出去，而不是輻射散熱。同時外界溫度的升高勢必會影響LED的節溫升高，繼而導致電子與空穴濃度增加，禁帶寬度會減少，電子遷移率降低，降低LED的發光效率，即出現光通量衰減現象。

圖2　光通量的溫度特性Fig.2　The influence of temperature on the Luminous flux

2.3色溫的溫度特性

LED燈具的色溫決定了光源的冷度或者暖度，如果一個光源與某一溫度下的黑體具有最接近的色品，則此黑體的絕對溫度值稱為該光源的相關色溫。試驗中分別測量了四款LED燈在不同溫度下的色溫，測量結果如表1所述。

表1　色溫的溫度特性

從表1可以看出，在常溫變化范圍內，色溫的變化可忽略不計。紅、藍光LED色溫值保持穩定，綠光LED燈隨著溫度的增加，色溫從7 544 K降低為7 520 K，衰減幅度為0.32%，白色LED色溫升高，從6 878 K升至6 893 K，漲幅為0.22%，影響幅度都在可接受范圍內。

3　結論

本文利用積分球光度測量系統對單色LED燈的變溫光譜曲線進行了測試。實驗結果發現，LED的溫度效應對發光波長及光通量產生顯著影響。文章從LED的材料及發光機制兩方面對波長的偏移及光通量的改變現象進行了分析。本文對利用積分球光度測量系統測量單色信號燈光色電性能參數具有重要的參考意義。

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Influence of Temperature on the LED Signal Lamps

FEI Kun，LI Haitao，CAO Chen，LI Xiaozhou

(Motorcycle Test Technology Institute of China South Industries Group Corporation，Xi’an710043, China)

In this paper, the spectrum of monochrome LED was tested by using integrating-sphere system. And the luminous flux and color temperature were obtained at the same way. We found Four LED spectrum were appeared red shift phenomenon with the increase of temperature. And the amounts of change were 0.13 nm/K. Luminous flux was decreasing between 2% to 10% at the exponential form. Color temperature keeps stability with the change of temperature. The phenomena was explained from the LED structure and material properties.

light emitting diode；change of temperature；luminous flux；spectrum； color temperature

西北大學自然科學基金(No.13NW12)

TM923

ADOI:10.3969/j.issn.1004-440X.2016.05.025