单色LED信号灯温度特性研究

费　坤,李海涛,曹　琛,李晓周

(中国兵器装备集团摩托车检测技术研究所，陕西 西安　710043)



单色LED信号灯温度特性研究

费坤,李海涛,曹琛,李晓周

(中国兵器装备集团摩托车检测技术研究所，陕西 西安710043)

本文基于积分球光度测量系统对单色LED信号灯的变温光谱曲线进行了测试。实验结果发现，温度的升高对发光波长及光通量产生显著影响。红，蓝，绿，白LED光谱均出现红移现象，改变量大致为0.13 nm/K，光通量呈指数形式递减，衰减范围在2%～10%内，色温保持稳定。本文从LED的材料及发光机制两方面对波长的偏移及光通量的改变进行了分析。

发光二极管；变温；光通量；光谱；色温

引言

近些年随着半导体芯片技术的不断改进及封装技术的迅速提高，高亮度红、橙、黄LED芯片开始普及，使LED应用范围扩大至汽车灯光[1-3]，交通信号灯，户外大型显示屏等领域。作为信号灯，由于其具有发光效率高，能耗低，发热量小，单色性强的特性，大大减少了灯舱体积， 降低了生产成本，同时响应时间短的特点也提高了行车的安全性。

信号灯围绕着标准的要求而发展，其主要作用是显示车辆的存在，宽度，状态以及辅助照明等，包括转向灯，制动灯，前后位置灯，示廓灯，后雾灯等。GB 4785—2007《汽车及挂车外部照明和光信号装置的安装规定》中明确规定信号灯光色要求，试验方法和检验规则。其中光色度参数是标志着器件性能的优劣。但是LED日常工作过程中出现的热效应对其使用寿命，发光波长及发光效率等都会产生影响，因此研究单色LED信号灯温度特性具有实际意义。本文基于积分球光度测量系统研究了红，蓝，绿，白四款单色信号灯的温度影响特性。

LED光色度的测量主要有积分球和分布光度计两种方法[4-5]。相比较分布光度计，积分球具有简单易行，设备投入少，分析速度快等优点。积分球测量的前提是：①积分球内表面是一完整的几何球面，遵从朗伯定律；②球内壁各点的漫射系数相等；③积分球内壁的白色颜料对光源发出的各种光线具有相同的漫射系数；④球的直径各处相等，球内灯泡之外其它无杂物存在。总光通量可以表示为[6-9]

(1)

其中EX，ES分别表示待测灯具与标准灯具的照度，φS，φX分别表示待测灯与标准灯的总光通量。

1　试验过程

实验采用远方CIS-2000恒温积分球，球壳采用双层球体结构设计，能够精密控制和调节积分球温度，可调范围为20 ℃～30 ℃，同时确保球内气流自然稳定，保证灯具或光源在稳定环境下进行测量。被测灯具安装在球中心，通过光度探头与光谱辐射计(HASS-2000)相连，构成LED光色电综合测试系统，用于快速测量分析LED光色电性能参数。试验中通过改变积分球温度，分别在20.0 ℃～30.0 ℃下测量了红，蓝，绿，白色信号灯的光色度参数。数据采集间隔设定为2.0度，样品稳定时间至少为2 h，在工作电流，光通量变化值小于0.2%后再进行数据采集。

2　结果分析

2.1光谱的温度特性

对于单色LED，峰值波长的漂移必将导致颜色的变化，因此研究峰值波长的变化具有实际意义。图1分别表示绿色LED，红色LED，白色LED，蓝色LED在温度变化下光谱随波长的变化情况。三条曲线分别对应于22 ℃,25 ℃,28 ℃下四款LED灯的光谱曲线。从测试结果发现，随着环境温度的升高，四款LED光谱均出现红移现象，向长波方向偏移，发光波长移动范围微小，改变量大致为0.13 nm/K。

图1　光谱温度特性Fig.1　The influence of temperature on the spectrum of monochrome LED.

基于LED的发光机制，发光波长或频率取决于半导体材料的能级间隔。随着温度的升高，半导体的能级出现分裂，能级间隔Eg减小，发光波长必将增大。两者之间的关系可以由式(2)决定。

(2)

2.2光通量的温度特性

光通量是光度学中重要的物理参数，是人眼睛感受到的能量标称值，标志着灯具性能的优劣。LED灯具光通量与工作温度有直接的关系。实验结果如图2所示，随着温度的升高，光通量值呈指数式衰减。四款不同颜色的灯具衰减量不同，这与灯具结构的散热水平有很大关系。红色衰减量为7.97%，绿色衰减量为5.74%，白色衰减量为8.7%，蓝色衰减量为2.6%。

LED输入功率中80%～85%的能量是通过热传导的方式散发出去，而不是辐射散热。同时外界温度的升高势必会影响LED的节温升高，继而导致电子与空穴浓度增加，禁带宽度会减少，电子迁移率降低，降低LED的发光效率，即出现光通量衰减现象。

图2　光通量的温度特性Fig.2　The influence of temperature on the Luminous flux

2.3色温的温度特性

LED灯具的色温决定了光源的冷度或者暖度，如果一个光源与某一温度下的黑体具有最接近的色品，则此黑体的绝对温度值称为该光源的相关色温。试验中分别测量了四款LED灯在不同温度下的色温，测量结果如表1所述。

表1　色温的温度特性

从表1可以看出，在常温变化范围内，色温的变化可忽略不计。红、蓝光LED色温值保持稳定，绿光LED灯随着温度的增加，色温从7 544 K降低为7 520 K，衰减幅度为0.32%，白色LED色温升高，从6 878 K升至6 893 K，涨幅为0.22%，影响幅度都在可接受范围内。

3　结论

本文利用积分球光度测量系统对单色LED灯的变温光谱曲线进行了测试。实验结果发现，LED的温度效应对发光波长及光通量产生显著影响。文章从LED的材料及发光机制两方面对波长的偏移及光通量的改变现象进行了分析。本文对利用积分球光度测量系统测量单色信号灯光色电性能参数具有重要的参考意义。

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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

西北大学自然科学基金(No.13NW12)

TM923

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