LED光源电光效率测量实验研究

Experimental Research of Electro-Optic Efficiency of LED Light Sources

摘要: 利用积分球作为光接收器来测量出红光、绿光和蓝光三种LED待测光源的光通量，由光通量算出电光转换效率。LED的电光转换效率随着电流的增大而出现了不同程度的衰减，分析LED光源电光转换效率的影响因素。

Abstract: The luminous flux of red, green and blue light source was measured with integrating sphere as the light receiver, and then the electro-optic conversion efficiency was calculated. The electro-optic conversion efficiency of LED decreases with increasing of current. The factors affecting the conver-sion efficiency of LED light sources are analyzed.

1. 引言

发光二极管(LED)具有占有空间小、稳定性好、节能无污染和环保等多个优点。LED是新一代的光源，具有低能耗、高效率、高稳定性等多个特点，被广泛应用于光照明、光通信等多个领域 [1] [2] [3] [4]。由电光转换效率定义可知，需测量LED的光通量与电功率。目前常用的光通量测量方法有两种：一是分布光度计法，二是积分球法。分布光度计法主要是通过测量待测LED在空间的光强或照度分布，然后进行全空间积分，从而得到待测LED的总光通量。该方法精度高，但是测量复杂。和分布光度计法相比，积分球法测量相对简单，在测量精度要求不高的场合得到广泛的应用 [5] [6] [7] [8]。通常，测试光源时采用积分球法；测试灯具时采用分布光度计。本实验采用的是积分球法测量待测LED的总光通量。积分球法是一种相对测量方法，对系统进行定标时，必须使用光通量标准灯。为了使积分球能达到比较精准的测量数据，尽可能使用同类型的标准LED标准灯来标定积分球系统，可以大大提高测量精度。使用积分球法测LED光通量时有比较严格的条件要求，首先，当测量对象是单一LED时，要求积分球的最小直径不能小于20 cm，球越大，空间一致性误差越小，对自吸收的敏感性更小，信号也就更弱；其次，标准灯的尺寸和结构往往和被测灯不同，因此会对积分球内漫射光的吸收情况会产生不同的影响，为消除光源尺寸不同而造成的测量误差，通常采用辅助灯法，来减小由于光源的尺寸、封装不同所引起的测量误差。本文利用积分球作为光的接收器来测量待测光源的光通量，分析电光转换效率的影响因素。

2. 积分球测试原理

光线由入光孔入射后，在球体的内部被均匀的反射和漫反射，因此输出孔所得到的光线相当于均匀的漫反射光束。如图1所示，在理想条件下，球的内表壁的各点漫反射是均匀反射的，设球的半径为r，设在B点区域dS上产生的直接照明数值为E₁，M处的总照度为

$E_M=E_1+\frac{\rho }{1-\rho }\cdot \frac{\Phi }{4\pi r^2}$ (1)

式中，Ф为光源的总光通量，E₁为光源S直接照射在M点上的光照度，E₁的大小不仅与M点的位置有关，也与待测LED在球内表面的位置有关，如果在光源S和M点之间放置一块挡板，挡住光源S直接射向M处的光源，则E₁ = 0。因此M点的光照度为

$E_M=\frac{\rho }{1-\rho }\cdot \frac{\Phi }{4\pi r^2}$ (2)

式中，r为积分球半径； $\rho$ 为积分球内壁反射率。

由此可见，球壁内表面上任意位置的照度E_M与光源S的总光通量Ф成正比，通过测量球壁上的出光孔的照度E_M来计算光源的总光通量Ф。

由于积分球内壁反射率不易获得，本文采用比较法算出光通量。比较法的优点是减少了由球壁材料、入射孔大小等不确定因素所带来的影响。将已知光通量Ф的标准LED放入积分球的入射孔内，灯亮后在输出孔测量其照度值为

$E_S=\frac{\rho }{1-\rho }\cdot \frac{{\Phi }_S}{4\pi r^2}$ (3)

再将待测LED放入积分球内点亮，测得的照度为

$E_c=\frac{\rho }{1-\rho }\cdot \frac{{\Phi }_c}{4\pi r^2}$ (4)

由上述二式可得被测光的光通量为

${\Phi }_c=\frac{E_c}{E_s}\cdot {\Phi }_s$ (5)

式中Ф_s为标准LED的光通量；Ф_c为待测LED的光通量。

算出电功率即可求出LED等电光转换效率。

Figure 1. Schematic diagram of integrating sphere luminous flux principle

图1. 积分球光通量原理示意图

3. 实验

调节直流稳压电源的驱动电流，点亮标准白光LED后，将标准灯的灯头完全放入积分球的入光孔，确保LED发出的光全部照进积分球，LED灯光通量测量实验框图如图2所示。将照度计的光度头放置在靠近积分球出光孔处。测量过程需固定积分球与照度计光度头的相对位置不变，并选择与其数值相适合的量程，读取照度计上显示的数值Es，记录数据。换上待测LED，将待测LED装入转接头(LED的长脚为正，短脚为负，分别插入转接头的红、绿色孔)，点亮LED，待照度计显示数值稳定后，读取照度计显示数值E1，并记录电源电压U₁数据；根据积分球比较法公式(5)求出被测LED的光通量(Ф_s为标准光通量LED的光通量)；根据电光转换效率η = LED光通量/电功率，计算LED光源的电光转换效率。

Figure 2. Experimental diagram of LED light flux measurement

图2. LED灯光通量测量实验框图

4. 数据分析

当二极管的正向电压小于某一开启电压阈值时，此时通过二极管的电流就会变得非常小，当电压超过某一阈值后，二极管的电流随着电压的增大而迅速增高，此时LED发光变亮，称为阈值电压或导通电压值。

根据公式(5)求出被测LED灯的光通量( ${\Phi }_s$ 为LED灯的标准光通量)。

根据电光转换效率测量原理公式：

${\eta }_{\text{l}}=\frac{{\Phi }_{\text{l}}}{U\cdot {\text{I}}_{\text{l}}}$ (6)

由公式(6)计算LED灯光源的电光转换效率 ${\eta }_{\text{l}}$，改变待测LED灯的电压，测量在不同电压下的电光效率。

不同颜色和材料的LED的导通电压也大不相同，如红光LED的导通电压大致为1.9至1.95伏之间，绿光LED的导通电压大致为2.4~2.5伏之间，蓝光LED的导通电压大致为2.6~2.7伏之间，其中红光的波长为622~760 nm、绿光的波长为：492~577 nm、蓝光的波长为435~450 nm。我们从图3中可知，光的波长越长其导通电压越低。

Figure 3. Volt versus current curve of different types of LED

图3. 不同种类LED伏安特性曲线

图4为不同种类LED光通量与电流关系曲线，由图4可知，随着电流的逐渐增加，LED的亮度也会逐渐变亮，其各自的光通量也会逐渐增大。当取相同电流时，绿光LED的光通量要远远大于红光和蓝光的光通量。绿光LED最亮，红光次之，蓝光最暗。

Figure 4. Relation curve of luminous flux versus current of different types of LED

图4. 不同种类LED光通量与电流关系曲线

在电流比较小时，各个LED的电光转换效率随着电流的增大而出现了不同程度的衰减。图5为不同种类LED电光效率与电流关系曲线，由图5可知，当相同电流下，绿光LED的电光效率最高，其次是红光，蓝光的电光效率最低。通过电光转换效率数据曲线可以清晰地看到，随着电流增大时，蓝绿光LED的光电转换效率迅速下降，衰减更严重。LED的电光转换效率随着电流的增大而不断降低的原因有以下几点：一是LED随着电流的增大，导致其芯片发热的程度比较高，使得部分电能转换成了大量的热能，也影响了LED芯片的发光效率 [9]。二是LED的芯片结构、材质以及封装对LED芯片的发光效率影响较大 [10] [11]。三是LED芯片中的PN结中电子和空穴复合降低，形成无效的电流注入，造成发光效率降低 [12]。

Figure 5. Relationship between electro optic efficiency and current of different types of LED

图5. 不同种类LED电光效率与电流关系曲线

5. 结论

在绿光、红光和蓝光三种LED中，当工作电流相同时绿光LED的电光效率最高，其次是红光，蓝光的电光效率最低，绿光LED的电光效率衰减更严重。改善LED材料电子与空穴的复合率，改进LED的封装结构提高其热特性，使其受温度的影响降至最低，从而能进一步提高LED的电光转换效率。

基金项目

2019年海南省基础与应用基础研究计划(自然科学领域)高层次人才项目(2019RC190, 2019RC192)；海南省自然科学基金(2018CXTD336, 618QN241)，海南省高等学校科学研究项目(Hnky2020ZD-12, Hnky2020-24)资助。

NOTES

^*通讯作者。