隨著(zhù)高功率LED燈的逐漸面世,給高教儀器、科研儀器的光源帶來(lái)了新的選擇。特別是在熒光觀(guān)察應用領(lǐng)域,LED燈具有單色性好,無(wú)紫外線(xiàn)、紅外線(xiàn)等輻射、色溫穩定,使用壽命長(cháng),即開(kāi)即用無(wú)等待時(shí)間,可連續調節亮度等特點(diǎn),逐漸取代了傳統的汞燈光源、氙燈、鹵素燈等光源。但是LED燈也有缺點(diǎn),他的缺點(diǎn)就是工作溫度對LED的光電電參數影響非常大,然而LED燈工作產(chǎn)生的熱量不能像傳統照明燈那樣通過(guò)紫外線(xiàn)或者紅外線(xiàn)把熱量導出去。所以評判一個(gè)性能優(yōu)異的LED熒光光源,除了照度以外,還需要考慮它的散熱體系的性能。
首先我們來(lái)了解一下LED工作溫度到底對LED的性能有何影響?
注:這里我們所說(shuō)的工作溫度是指LED的PN結溫度,簡(jiǎn)稱(chēng)結溫。
1、 對使用壽命的影響
LED不同其他光源,不會(huì )突然熄滅,而是發(fā)光效率逐漸衰弱的過(guò)程。目前評定LED壽命是通過(guò)判斷LED的光衰,通常定義光通量衰減30%的時(shí)間作為L(cháng)ED的壽命。以下是LED的PN結溫度對LED壽命的影響。
從圖中可以看出,LED的光衰是和它的結溫有關(guān),結溫越高越早出現光衰,也就是壽命越短。從圖上可以看出,假如結溫為105度,亮度降至70%的壽命只有一萬(wàn)多小時(shí),95度就有2萬(wàn)小時(shí),而結溫降低到75度,壽命就有5萬(wàn)小時(shí),65度時(shí)更可以延長(cháng)至9萬(wàn)小時(shí)。所以延長(cháng)壽命的關(guān)鍵就是要降低結溫。不過(guò)這些數據只適合于Cree的LED。并不適合于其他公司的LED。
2、 對發(fā)光波長(cháng)的影響
LED工作的工作溫度較高會(huì )影響LED的主波長(cháng)向長(cháng)波長(cháng)漂移。 LED的主波長(cháng)隨溫度關(guān)系可表示為λp(T′)=λ0(T0)+△Tj×0.1nm/℃ 由公式可知,每當PN結溫升高10℃,則波長(cháng)向長(cháng)波漂移1nm,且發(fā)光的均勻性、一致性變差。波長(cháng)變化,對熒光探針的激發(fā)效率就有很大的影響,不僅影響實(shí)驗和診斷結果也增加了成本,熒光探針是很貴滴哦! 現在我們清楚的了解到降低LED的結溫對LED熒光光源是多么的重要了,不管是光學(xué)參數穩定性還是使用壽命上都有重要的意義。那么如何去檢測LED燈工作時(shí)的結溫呢?要知道,LED的PN結是在LED內部的,總不能拿一個(gè)溫度計或者熱電偶放進(jìn)PN結來(lái)測量它的溫度吧。幸好,我們有一個(gè)間接測量溫度的方法,那就是測量LED的工作時(shí)的正向電壓來(lái)測量。這是利用了LED的伏安特性的溫度特性。如圖2:
圖2
假定對LED以Io恒流供電,在結溫為T(mén)1時(shí),電壓為V1,而當結溫升高為T(mén)2時(shí),整個(gè)伏安特性左移,電流Io不變,電壓變?yōu)閂2。這兩個(gè)電壓差被溫度去除,就可以得到其溫度系數,以mV/oC表示。對于普通硅二極管,這個(gè)溫度系數大約為-2mV/oC。但是LED大多數不是用硅材料制成的,所以它的溫度系數也要另外去測定。幸好各家LED廠(chǎng)家的數據表中大多給出了它的溫度系數。例如XLamp7090XR-E大功率LED,其溫度系數為-4mV/oC。要比普通硅二極管大2倍。
既然我們知道了方法,那就讓我們一起實(shí)驗一下吧!我們以CREE公司的一顆大功率藍色LED燈為例(哈哈!我司的LED熒光模塊就是用的這個(gè)LED燈)。來(lái)說(shuō)明如何具體測算LED的結溫,從而判斷LED熒光光源的優(yōu)劣。首先我們需要準備設備:萬(wàn)用表一只,若干導線(xiàn),一款以恒流驅動(dòng)的LED光源。 這里我準備了我司最新研制的藍色單激發(fā)LED熒光模塊MF-B-LED的LED熒光光源。
我已經(jīng)從LED兩端引出了兩條導線(xiàn),正極和萬(wàn)用表的紅色觸筆連接,負極和萬(wàn)用表的黑色觸筆連接,檔位調節到量程為20V的直流電壓檔。接上電源,輕按一下開(kāi)關(guān),趁LED還沒(méi)有熱起來(lái)之前,馬上讀出電壓表的讀數,也就是V1值。然后間隔1h讀一次讀數。直到讀出的電壓不變?yōu)橹梗ㄟB續幾次讀數一樣),這時(shí)整個(gè)光源已經(jīng)達到了熱平衡。表1是測量的數據:
時(shí)間 |
正向電壓(V) |
環(huán)境溫度℃ |
21:00(剛啟動(dòng)) |
2.90 |
27 |
22:00 |
2.80 |
27 |
23:00 |
2.81 |
27 |
次日09:00 |
2.81 |
27 |
10:00 |
2.81 |
27 |
11:00 |
2.81 |
28 |
由上表可以看出:
V1=2.90V ,V2=2.81V。
?V=V2-V1=-0.09V,我們已知這款LED燈珠的溫度系數是-3.3mV/℃
那么PN的溫升?Tj=-0.09*1000/-3.3=27.3℃。
那么環(huán)境溫度為27℃。所以PN結的溫度Tj=27.3+27=54.3℃。
由圖一可以推算出,這款LED熒光光源的使用壽命可以達到100000小時(shí)以上。
主波長(cháng)偏移量△λp( T′)=△Tj×0.1nm/℃=27.3*0.1=2.7nm
大家都學(xué)會(huì )了嗎?如何去預測LED熒光光源的壽命,如何去判定LED熒光光源的光學(xué)參數。
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