白光LED照明

白光LED照明（精选8篇）

白光LED照明 篇1

1. 引言

哥本哈根会议之后, 高效、节能、环保已成为各国关注的热点, 也是各行各业追求的目标, 具有无污染、长寿命、耐震动、抗冲击等特点的第四代绿色光源, 在照明行业引发了一场革命, 将产生深远影响。由于LED特定的U-I和φ-I特性, 决定了恒流驱动的效果明显好于恒压驱动, 并且能够有效保证照明系统的可靠性。Supertex公司开发的固定频率PWM控制器HV9931产品, 其引脚图如图1所示, 提供了简单无变压器恒流变换器解决方案, 并能够同时校正功率因素 (PFC) 。因而非常适用于LED照明电路。

2. LED的连接方式

LED灯珠选单颗1W高亮白光LED, 发光效率高达80lm/w是普通白炽灯的四倍, 只要采用适当散热措施就可以有效的控制PN结的温度和光衰, 能够保证长期稳定工作的可靠性。另外采用图2所示的交叉阵列结构进行连接。就可以有效控制LED品质不良带来的灯珠差别以及个别灯珠的短路和断路问题, 使整个灯在个别灯株发生问题时仍能正常工作。

3. HV9931引脚功能

1脚 (VIN) :该脚是输入高电压调节器, DC8V到450V;2脚 (CS1) 和7脚 (CS2) :用于对输入和输出电流的检测, 它们与内部比较器的反相端相连;3脚 (GND) :接地;4脚 (GATE) :该脚与外部N沟道MOSFET的栅极相连;5脚 (PWM) :该脚接地时, HV9931开关失效。该脚用于LED调光的时候;6脚 (VDD) :IC内部电路电源的供给端口, 一般与低ESR电容相连, 其典型值是7.5V;8脚 (RT) :与地间以电阻相连, 用于设置PWM关断时间。

AC输入电压经全波整流后加至HV9931芯片1脚, 经内部高压稳定器电路, 产生7.5V的VDD电压, 作为电流感测比较器的参考电压。只要6脚的电压低于6.5V, 内部稳压器欠压保护电路就会工作, HV9931就会关断。6脚所加的电压高于7.5V就可使HV9931工作, 此时, 内部线性稳压器将截止。

4. 驱动电路设计

本设计以HV9931为核心器件, 输入电压120V到240V, 具体电路如图3所示。输出电压uo=12.8V, Io=600mA, 输入Buck-boost级工作DCM模式, 转换效率为η1=0.85, 输出Buck工作CCM模式, 效率为η2=0.9, 总的效率为η=0.85×0.9=0.76。市电由输入端进入, 经整流滤波后加到Buck—boost—Buck变换器, 可以根据产品的需要添加EMI电路、压敏电阻输入保护环节。HV9931通过检测输入、输出电流, 以设定的频率控制MOSFET来实现Buck—boost—Buck变换器功能, 及有效进行调光。

4. 主要元器件选取

4.1 RT的选择

根据Suptex公司的HV9931实用手册, 设定固定关断时间Toff=8μs, 则由RT=25Toff-22, 计算出RT=178KΩ。

4.2 输出电感L2的选择

L2上的电流文波峰值ΔIL2, 随L2增大而减小, 对输出电流控制部分的干扰更敏感。一般ΔIL2取0.2到0.3Io, 取ΔIl2=0.2Io=0.2×0.6=0.12A。则, 取940μH。根据实际需要, 为减少输出电流纹波, 可以在输出端加个滤波电容Co, 取4.7μF/40V。L2中的峰值电流为:IL2 (Pk) =IL2+0.5×ΔIL2=0.6+0.5×0.12=0.66A。输出电感L2选用940μH, 饱和电流大于720mA的电感。

4.3 输入电感L1的选择

输入电感, 取570μH。为计算L1的电流峰值, 引入δ和占空比D, 计算公式如下。

在UAC=120V电压下, δmin=47.4, Dmax=0.25;在UAC=220V电压下, δ=159.2, D=0.146;在UAC=240V电压下, δmax=189.5, Dmin=0.135

在UAC=120V电压下, δmin=47.4, Dmax=0.25;在UAC=220V电压下, δ=159.2, D=0.146;在UAC=240V电压下, δmax=189.5, Dmin=0.135

输入电感L1的电流峰值为:

, 故输入电感选用570μH, 饱和电流大于1A的电感。

4.4 Rs1、Rs2、Rcs1、Rcs2的选择

Rs1、Rs2用于检测输入、输出的电流, 并通过Rcs1、Rref1和Rcs2、Rref2分别接地, 以分的电压共给内部反相端 (CS1和CS2) , 从而控制GATE的输出电平。当CS1、CS2为负电平时, GATE输出脉冲将停止, 直到下一个时钟脉冲GATE才恢复输出。设计中设置Rs2的功耗为0.2W, 则, Rs2可选用0.6Ω/0.25W的贴片电阻。取Rref2为50kΩ, 则取用2.7kΩ/0.25W。

若设定Rs1在UAC (min) 下的功耗为0.1W, 则由计算出Rs1=3.8Ω, 故选用3.5Ω/0.25W的贴片电阻。

将输入电流的峰值IL1 (pk) 限制在120%, 取用50KΩ的Rref1, 则根据, 计算出Rcs1=22.1KΩ, 故选用22KΩ/0.25W的贴片电阻。

4.5 开关管M1的选择

通过计算开关管的峰值电流为1.5A, 峰值电压为500V, 故选用IXTA2N80P, 800V、2A的贴片封装的N沟道MOSFET。

4.6 C1的选择

C1用于抑制电流的谐波, 容量由计算, 其中η2=0.9、δ=159.2、f为交流电的频率50Hz、K3为交流电三次谐波失真系数

为0.15、Uo=12.8, 则C2=10.4μF。C1上的峰值电压由计算得, Uc2max=105V, 故选用10.4μF/200V的电容。

4.7 其他元件的选择

电源输入端的整流桥采用IN4007二极管 (VR:≥1200V、IF:1.0A) , Cdd用4.7μF/10V的低ESR电容, CIN则选用0.1μF/400V的电解电容, 也可以需用电感作为滤波元件。D1选1A/600V的快速回复二极管, D2、D3则采用2A/100V的二极管。

5. 结语

HV9931是一种非隔离恒流IC控制器, 利用单级PFC Buck-boost-Buc电路, 不仅使得驱动系统的体积而减小了, 而且能满足电流谐波的限制要求, 同时功率因素接近1。彰显出独特的优势, 另需要指出的是, 在实际使用中还要注意灯珠的链接方式、整个电路和灯珠PN结的散热问题, 以便有效地控制住系统的光衰现象。

摘要：本文基于Supertex公司开开发的HV9931产品, 提出了一种非隔离固定频率开关单级PFCBuck-boost和Buck拓扑结构白光高亮LED的驱动电路系统, 并给出了主电路及电源输入、控制电路等外围电路的元器件的选择方案。

关键词：LED灯,驱动器,HV9931

参考文献

[1]Supertex, Inc.Hv9931 Data sheet[DB/Ol].http://www.supertex.com/pdf/datasheets/HV9931.pdf.2006.

[2]刘永良.基于定频PWM控制器HV9931的单级PFCLED灯电源设计[J].电源技术应用2006, (9) .

白光功率LED应用简述 篇2

国内LED产业发展情况

我国对包括LED研究与制造的光电子产业发展十分重视，从“六五”期间，就给予大力支持；1987年正式将光电子列入“863”计划；同时国家自然科学基金会也安排了关于LED研究的相关学科的工作；信息产业部在技术、资金等方面都对LED的研制工作给予大力支持；全国多家研究机构及一些大公司都在LED芯片应用研究上取得了显著的成绩，现在我国已形成了LED领域产、学、研相结合的开发模式。2003年6月17日，我国成立了国家半导体照明工程协调小组，科技部会同信息产业部、建设部、教育部、中国轻工业联合会、中国科学院等行业和地方单位，启动半导体照明工程。国家半导体照明工程协调领导小组的成立，对促进我国白光LED及高亮度LED的发展有着重大意义。

我国是世界LED主要的生产基地和消费市场，仅2003年，LED产量就达200亿只，与2002年相比，增长25%，其中包括高亮度LED近50亿只，销售额130亿元。其中LED显示屏销售额为30亿元，同比增长了38%。

国际LED产业发展情况

当今全球从事LED产品开发研制的公司达190余家，大学和科研机构近300所。这些大公司企业掌握LED制作整体流程（包括从外延、芯片、封装、白光发射、技术应用）。最近，大量世界级照明公司和光电子公司纷纷合作，组建新的研究型企业：如欧司朗（Osram）公司和西门子（Siemens）光电子事业部合资组建的Osram光电子公司、飞利浦（Philips）照明公司与惠普（HP）公司共同组建的Lumileds Lighting公司等，这些巨头的合作，无不证明了以LED开发应用为主体的光电子事业具有广阔的前景。

欧盟在1996年提出“绿色照明革命”，并迅速被其他国家广为接受。2000年7月，欧盟又提出了“彩虹计划”。这项由政府资金支持的计划，旨在推进白光LED的应用；美国也依托15所大学雄厚的研究力量，耗资5亿美元开展“国家半导体照明研究计划”，主要研究课题为降低LED生产成本和提高LED转换率，以提高其实用性；日本目前也正在开展的LED代替白炽灯项目（又称“照亮日本”工程），计划在近5年中投资50亿日元，将公共场所50%的传统灯具（包括白炽灯、荧光灯等）以LED代替，计划实施后，预计每年节省60亿升原油，相当于5座1.35×106kw规模核电站一年的发电总量。

北京工业大学在LED灯具应用方面的研究

北京工业大学北京市光电子研究室在LED应用领域通过科学研究和成果转化，为高新技术产业的迅速发展做出了积极的贡献。其自主开发研制的LED路灯现已应用于校内环境照明，进一步改进后，将投入批量生产，由科研成果转化为产品。

该LED路灯实物为空圆柱体截面形，其截面所对应圆心角为120°，圆柱体高45cm；因其位于距地面10m的位置，路灯壁厚可忽略不计。路灯内共均匀安置12个白光LED光源（每排4个，共3排），每两个LED光源平均间距为7.5cm。此LED灯具实物如图所示。

由于该LED路灯在设计过程中已很好地解决了散热问题，并显著提高了LED路灯发光均匀度，故具有很强的实用价值。现在北工大银杏路上安装了28盏，使用了近一年的时间，效果良好。

在今后研究过程中，研究室将应用绘图软件辅助绘制灯具模型、DirextX模拟灯具发光效果的方法，快速、高效、准确地模拟LED产品的照明效果，以辅助其设计过程的改进。

（作者单位为：北京工业大学光电子技术实验室）

高亮度白光LED浅析 篇3

高亮度白光LED的问世把人类照明发展史推进了一个崭新的时代, LED所具有的高效、节能、环保、长寿命的综合优势, 使其不但在特种照明、背光源等多个领域得到广泛应用, 随着LED光效不断提高、生产成本和价格不断下降, 在普通照明领域的应用也在稳步上升。LED作为一种新型光源, 在不久的将来取代白炽灯甚至荧光灯而发展成为一种主要的照明光源已成趋势, 是21世纪绿色照明光源的首选。为此我们应该了解高亮度白光LED特性和其驱动电路工作原理。

2 高亮度白光LED的特性

高亮度白光LED是最被看好的LED新兴产品, 其在照明市场的发展潜力值得期待。与白炽钨丝灯泡及荧光灯相比, 白光LED具有体积小 (多只、多种组合) 、发热量低 (没有热辐射) 耗电量小 (低电压、低电流启动) 、寿命长 (1万小时以上) 、反应速度快 (可在高频下操作) 、环保 (耐震, 耐冲击不易破, 废弃物可回收, 无污染) 、可平面封装, 易开发成轻薄短小的产品等优点。高亮度白光LED是被业界看好在未来10年内成为替代传统照明器具的一大潜力产品。

目前高亮度白光LED仍处于初期发展阶段, 在使用寿命上仍待改进, 价格过高是其难普及的主要原因。日本业者估计, LED晶粒成本由1999年的每只1美元降至0.2美元以下, 市场才有更高的接受度[1]。未来高亮度白光LED的应用市场将非常广泛, 包括手电筒、装饰灯LCD背光光源、汽车内部照明、投影灯源等, 不过最被看好的市场以及最大的市场还是取代白炽灯及荧光灯。

高亮度白光LED的亮度和功率的每一次提高, 都进一步扩展了它的应用领域。从200年开始, 功率型白光LED已被用于特殊照明领域。2002年, 三菱电机用它作为可拍照移动电话的闪光灯。此外, 目前白光LED的景观照明庭院灯等方面已大量应用。从发光效率看, 一旦其跨进60lm/W (相当于20W的荧光灯) , 白光LED将迅速普及。未来5~6年中, 若发光效率突破100lm/W, 再加上单价继续下降, 则到2008~2010年, 高亮度白光LED照明将逐渐普及至一般家庭的照明灯具, 正式成为21世纪的照明新光源。[2]

LED的核心是一个PN结, 其势垒电势形成了导通的门限电压, 只有加在LED上的正向电压超过该电压后才能充分导通, 由于材料及制作工艺的不同, 不同类型LED的门限电压存在差异, 高亮度白光LED的门限电压一般在2.5V以上, 正常导通后其正向电压降为3~4V因此, 驱动电路必须提供适当的电源电压。

LED的电流——电压特性是非线性的 (指数关系) , 同时其正向压降具有负温度系数, 电源电压 (或环境温度) 的变化所导致正向电压的很小波动都会使通过LED的电流产生极大的变化。所以, 直接用电压源给LED供电时必须谨慎。

LED的光通量随通过的电流而增加, 但不成正比, 随着电流的增大而光通量的增加会减少。此外, 标准 (Ф5) LED驱动电流的典型最大值为30m A, 额定工作电流为20m A, 该额定电流也会随环境温度的升高而减少。为了保证可靠性, 驱动LED的电流应低于额定值。使LED在一个发光效率比较高、工作更可靠的电流值下工作。

3 高亮度白光驱动电路的工作原理

一个完整的高亮度白光LED驱动电路除了具有良好的性能之外, 其还应该具有各种辅助的功能, 能够应用在不同的解决方案之中;并且驱动电路还应具备保护功能, 以应对外界环境对驱动电路的影响。高亮度白光LED驱动电路结构框图如图1所示。

在图1中:虚线框中为本设计中芯片内部电路, 虚线框外为外部元件。外部原件包括:一个电感器和一个输出电容器。其驱动电路工作原理如下:

3.1当输入电压VIN上电时, 启动电路工作, 并且反馈控制主环路是关断的。这个时候电路形成一个开环并具有固定占空比的直流升压电路。启动电路可以在输出电压仅为1V的时候工作。

3.2当输出电压被提升超过2.5V时, 反馈控制主环路打开并从输出端获得工作电源, 并同时关断启动电路。

3.3反馈控制主环路中传感放大器通过检测出电流和参考电路的差值, 然后将其缓慢变化的差值通过PWM调制电路调节占空比从而达到稳定输出电流的目的。其中, 传感放大器采用积分电路来实现。

3.4由于本驱动电路时一个试图向负载输送驱动电流的升压型转换器, 因此, 一个负载开路或高阻抗负载将导致稳压器环路提高输出电压。这个时候过压检测放大器会将输出电压限制于4.5V。

3.5芯片工作的整个过程中, 迟滞比较器和控制电路将PFET同步整流管的衬底始终与输入电压和输出电压的最高者相连, 以保证芯片工作的整个过程中PFET同步整流管的衬底和源极始终反偏。

结束语

高亮度白光LED以其光效高、寿命长、绿色环保等优点, 必将引领新一代节能环保照明产品。本文通过对高亮度白光LED特性与其驱动电路原理的讲述, 希望能给读者有借鉴意义!

参考文献

[1]刘行仁, 薛胜薛, 黄德森等.LED现状和问题[J].光源与照明, 2003.3:4-8.[1]刘行仁, 薛胜薛, 黄德森等.LED现状和问题[J].光源与照明, 2003.3:4-8.

白光LED驱动电路的设计与实现 篇4

1 LED电气特性和驱动要求

1.1 LED的电学特性

白光LED的I-V特性与普通二极管类似,只是开启电压不同,不同材料制备的LED开启电压一般在1.5～3.0 V之间。处于正向工作区时,工作电流IF与外加电压呈指数关系[2]

IF=IS(eqVF/kT-1) (1)

式中,IS为反向饱和电流;VF为二极管两端的外加电压;q为电子电荷;k为波尔兹曼常数;T为热力学温度。LED可长期稳定工作时的直流电流,称为额定工作电流,此时LED压降称为额定电压。1 W的白光LED,其额定工作电流350 mA,额定电压3.3 V。允许加在LED两端正向电压与流经LED电流之积的最大值为其极限功耗,当实际功耗超过该值时,LED发光特性变差,严重时会使LED产生结构破坏[3]。

1.2 LED驱动要求

由LED的I-V特性可知,当加在LED两端的电压稍有波动,都会引起电流的剧烈变化,此时很容易使电流过大,输入功率超过其极限功耗,从而对LED造成不可恢复的损坏。当LED工作电流值不同时,其发光强度也不同,若采用恒压驱动,则LED阵列应采用并联方式连接,但是由于LED个体之间的参数误差,会导致各支路的电流不同,致使阵列发光强度不均匀,因此LED的驱动电路一般选择恒流驱动模式,相应的LED阵列亦采用串联方式连接,驱动电流一般设为LED额定电流的70%～85%,以保护LED,达到延长使用寿命的目的,同时也使每个LED的发光强度均匀一致[4]。

LED驱动电路设计中,需要考虑以下几个基本指标[5]:

(1)提高驱动电路的转换效率,减小电路中的功耗。(2)提高电路的可靠性,能够耐高压,具有过流检测功能。(3)电路尽量精简,有较小的电路体积和较低的制造成本。

2 PWM方式开关电路设计

2.1 PWM原理

PWM即脉冲宽度调制,利用脉冲控制开关电路的开关时间,可以控制电路输出的平均电压或电流从而达到控制电路的输出功率。PWM开关稳压或恒流的基本工作原理是在输入电压、系统参数及外接负载发生变化的情况下,在固定工作频率下控制电路通过被控信号与基准信号的差值进行闭环反馈,调节主电路开关器件导通的脉冲宽度,使得开关电源的输出电压或电流稳定。由于控制器件功耗小,工作在开关状态中的电路效率高,所以电源效率一般可以做到80%～90% [6,7]。该类电路都有完善的保护措施,属高可靠性电源。PWM开关电路由4部分组成,即输入整流滤波、PWM控制、开关器件和输出滤波。根据PWM方式开关电路设计的LED驱动电路框图如图1所示。

常见PWM开关控制信号产生部分大都实现了集成化,更加精简PWM开关电源的设计,下面介绍利用芯片HV9910B设计适用于大功率LED的典型PWM方式开关驱动电路。

2.2 电路设计

HV9910B是一种通用LED驱动控制器,它的适应性强,即可使用国际通用的市电供电,也可以用蓄电池或者太阳能供电,而且能够接受范围较宽的输入电压。输出的恒流驱动电流范围极宽,从几十mA到1 A以上。使用HV9910B搭建的驱动器使用器件较少,电路简单,生产成本也会降低[8]。由HV9910B设计的LED恒流驱动电路如图2所示,输入为AC 220 V的市电,负载为10只功率为1 W的LED串联组成阵列。

电路输入级由全波整流桥和一个滤波电容组成,完成对交流电的整流滤波。控制级由HV9910B芯片搭建,经输入级滤波后的电压输入到芯片的Vin,作为电路的输入电压VI,其峰值是 310 V,均值为190 V。VDD、LD、PWMD端通过电容器接GND端,以维持相应引脚的片内电压。由GATE端输出频率一定的方波脉冲信号作为开关信号控制开关管,其频率由RT端所接的电阻设定,脉冲宽度由CS端采样电阻RCS 反馈的LED电流信号控制。电感L1在电路中起着至关重要的作用,为驱动电路提供滤波和储能以及续流供电,以保持负载中电流的均衡性,恢复二极管完成构建续流通路的作用。在开关信号开通半周内,由前级滤波后的电势向LED负载直接供电,并给L1充电;在开关信号关断半周内,由充满能量的L1给快恢复二极管、LED组成的回路供能,实现在一个周期内完成对LED的持续驱动。

2.2.1 电路参数计算和器件选择

参考芯片的使用手册和具体电路要求可以确定芯片的外围器件参数,首先必须确定电路的工作频率。由RT引脚接阻值为226 kΩ～1 MΩ的电阻,设定GATE引脚输出的开关信号频率。该频率的选择与电感L值和开关管性能有关,一般在市电供电条件下,频率选择在25～150 kHz [5]。当选择过高频率时,需要的电感值较小,但对开关管的要求很高,此时开关管功耗比低频工作时大很多。试验中,先设置到100 kHz开关频率,在没有散热的情况下MOSFET发热量大,极易烧毁。当频率设置到26 kHz时,计算所得电感很大,在工作状态中电感上消耗过多能量,也不适合电路的高效率工作,所以开关工作频率选50 kHz。

LED的驱动电流设定为0.35 A,根据芯片手册中提供的计算公式可得到RT值为478 kΩ,在设计允许范围内可以使用470 kΩ电阻用作RT,采样电阻RCS=0.62 Ω。

电感L1取值与LED电流的纹波值有关,一般限制纹波系数最大为0.3,电感值的计算公式[9]为

电路驱动了10个LED,其VLEDS为33 V,Vin是经过全波整流和滤波后的峰值电压,其值为310 V,ILED和fs取值同前,代入式(2)计算得到L1=5.6 mH,电路中选用6.8 mH的电感。

MOS管选取了性能优良的IRF840,其最大耐压500 V,最大漏极电流5 A,导通电阻0.6 Ω。二极管选取快恢复二极管BYV26B,其反向耐压VD=500 V,正向平均电流1 A,正向导通压降1.2 V。电容C2作为输出滤波电路实现电压滤波,C2在4.7～33 μF的电容中选取,前级的滤波电容C0选择4.7～33 μF的极性电容,电容C1使用2.2 μF无极性电容。全波整流桥要求有高耐压和大的过电流,电路中选取DB206S,可耐脉冲高压800 V,浪涌电流2 A,满足电路设计要求。

2.2.2 电路效率理论计算参考

整个电路中的主要损耗由功率MOS管、采样电阻、负载LED相连的电感L1、快速二极管以及芯片HV9910B产生[7]。根据文献[7]所提供的相关公式和特定型号的原件参数,可以计算得到该电路的总体功耗PLOSS=PMOS+PDIODE+PINDUCTOR+PIC+PRS=0.032+0.389+0.613+0.31+0.008=1.352 W。

电路输出电功率为PO=33×0.35=11.6 W,电路的整体转换效率η=11.6/(1.35+11.6)×100%=89.57%。从效率理论计算结果来看,该设计电路性能优良。

3 电路测试

对所设计的PWM开关驱动电路进行电路搭建,并采用数字电压表,交流功率计,示波器等实验仪器对其实物电路的工作状态进行了测试。在电路正常工作情况下,对电路中的2个关键点的电压波形进行测试。

图3为施加到开关器件栅极的PWM开关控制信号波形,其周期为14 μs,幅值8 V,占空比8.3%,周期和预设值有一定差距,这主要是电阻RT阻值误差造成的频率设置偏差。图4是LED负载中电流的波形。测量过程是在LED负载回路中串入0.5 Ω电阻测量其两端的电压波形,利用电阻的线性特性来反映电流特性。从波形上看,电流按照锯齿波形周期性变化,峰峰值为40 mV,计算得到其电流纹波为80 mA,输出电流均值为350 mA,经过计算得到其纹波系数为22.9%。

电路的输入功率PI实测为9.9 W,负载消耗功率Pout为8.7 W,则该电路的转换效率为87.8%,和对电路效率理论计算所得值相近。

经过对电路的关键点波形测量,和对电路功率的实测,得到该电路工作在71 kHz的频率开关状态,工作状态稳定、输出功率大、效率较高。但是电路的输出纹波系数偏高,致使安全工作中LED的发光照度不会达到其最优值,还需要对电路输出滤波部分进一步改进提高。

4 结束语

通过分析了解LED发光性能和电气特性,得到使用恒流电源驱动、串联方式连接LED阵列的驱动要求。在PWM方式开关电路原理的基础上,设计出了基于HV9910B芯片的典型PWM方式开关电路,通过实验测量确定其最佳工作频率,较好地完成了对白光大功率LED的照明驱动。通过理论计算和实际测量,发现开关LED驱动电源有着较为优越的电路转换效率,工作电压范围宽,恒流输出和转换效率超过85%的特点。但是要更安全地驱动白光LED进行日光照明,就需要对开关电路的输出进行更为优秀的滤波处理,使电路的输出纹波更小,电流更平稳。

摘要：通过对LED电气特性分析,根据其工作特点设计了一种以HV9910B为核心的市电供电PWM工作模式高效白光LED驱动电路。通过理论计算和实验测量,确定了电路的工作频率,测试结果表明,该驱动电路工作电压范围宽、恒流输出,转换效率超过85%。

白光LED照明 篇5

远程荧光技术最早由1997年台湾的HsingChen等人[1]提出, 他们利用该方法成功制作了出光均匀性, 投射角等性能均优于传统封装方式的白光LED, 该技术的主要原理是将荧光粉和基体材料预先成型为远程荧光器件, 在后续封装的过程中直接和LED芯片组合产生白光LED。

该种方法相对于传统的点胶封装形式, 具有工艺简单, 光色均匀, 效率高的优点。作为研究的热点, 很多学者主要针对该技术出光效率进行了深入的研究, 2005年Narendran等人[1,2,3]利用二次光学设计提出的SPE封装结构, 此种封装结构的取光效率可以达到81%, 2007年Allen等[4]利用球型荧光粉结构加上内部全反射原理制造出被称为ELi XIR (EnhancedLightExtraction byInternalReflection) 取光效率达到96%的封装结构, 2010年Lin等[5]提出的环形远程荧光封装结构, 取光效率可以达到94.1%。

相对于出光效率, 关于远程荧光器件的热学特性却很少有相关研究, 由于大功率白光LED是由芯片、荧光粉、硅胶、银胶、PPA支架等原料封装而成[6], 温度对于大功率白光LED照明是一个十分重要的参数, 同时远程荧光器件所用的基体材料多为聚碳酸酯、硅胶等有机物, 因此温度是否控制的合理直接关系到其使用寿命。针对此现象, 本文主要从荧光粉和器件的光电参数两方面进行了远程荧光器件热学特性的研究。

A.空白PC板E点温度;B.空白PC板F点温度;C.荧光粉PC板E点温度;D.荧光粉PC板F点温度A. E point temperature of blank PC board;B. F point temperature ofblank PC board;.C.Epointtemperature of phosphorsPCboard; D. F point temperature of phosphor PC board

一荧光粉自加热现象

BohanYan等人[7]研究发现, 由于荧光粉胶的局部温度会高于芯片的温度, 所以目前仅仅用芯片的结温来衡量白光LED光源的热学效应并不是很严谨。

本文设计一种隔离式测试夹具, 将LED蓝光光源和远程荧光器件分离进行温度测试, 温度测试系统为杭州威博科技的多路温度测试仪TC-2008, 测试夹具如图1所示, 其中A为散热器, B为隔热层PMMA塑料 (避免芯片的热量以热传导方式传递给远程荧光器件) , C为LED蓝光光源, D远程荧光器件 (掺有荧光粉的聚碳酸酯板) , E为温度测试点, F为隔热层温度测试点。为了证明荧光粉在受激发过程产生自加热现象, D处器件选择未掺加荧光粉的聚碳酸酯板 (空白PC板) 和掺有荧光粉的聚碳酸酯板 (荧光粉PC板) 进行对比。

从图2可以得出, 在相同的蓝光条件下, 空白PC板和荧光粉PC板的F点的温度分别为30.8℃和35.7℃, E点的温度分别为59.5℃和81℃, 温度差值分别为ΔT1=4.9℃、ΔT2=21.5℃, 实验结果表明, 隔热层PMMA塑料的温度相差不大, 即由蓝光光源对于器件的热传导效应影响可以忽略, 同时E点的温度差ΔT2=21.5℃, 说明了荧光粉PC板在受到蓝光的热辐射效应的同时还受到了自加热效应, 荧光粉的自加热量数值较大, 可以作为一个独立的热源, 因此在实际应用中并不能仅仅只依靠结温来衡量光源的热学效应, 需要同时控制荧光粉和芯片的温度以达到提高白光LED光源可靠性的目的。

二不同驱动电流时的光热特性

(一) 不同驱动电流时的热学特性

目前在LED的下游应用产品中, 厂家为了达到高光通量的目的, 人为的增大光源的输入电流, 但是随着电流的增大, 光源的发热量急剧增加, 长时间作用下, 光源的可靠性将大大降低, 缩短了光源产品的使用寿命。

针对实验芯片的额定电流为0.35A的前提条件下, 主要研究0.20A、0.35A、0.40A三种不同驱动电流条件下的光源温度变化趋势、光功率衰减趋势以及对应的蓝光和黄光的光功率衰减趋势。测试夹具如图3所示, 测试点A为光源的中心, 测试点B为外圈芯片连线的中心。

从图4中可以发现, 随着电流的增大光源表面的温度均呈增大趋势, A点在三种电流条件下对应的温度分别为:57.7℃、82.9℃、95.9℃, B点对应的温度分别为:40.1℃、56.2℃、65.9℃, 随着电流的增大, 光源的温度与电流几乎呈正比直线关系增大, 其中在0.40A电流条件下B点温度已经高于0.20A条件下的A点, 说明在大电流条件下, 温度影响已主要取决于电流。

(二) 不同驱动电流时的光学特性

不同驱动电流时的光学特性通过杭州远方PM-80光谱测试系统测得, 从图5中可以看出, 随着电流的增大光功率衰减曲线的幅度均不相同, 大电流驱动条件下的光功率衰减的幅度更大一些, 主要原因是大电流驱动在提高光功率的同时也提高了光源的热量, 随着电流增大热量积聚在光源内部的比例逐渐升高, 由于芯片和荧光粉对于温升满足阿伦尼乌斯方程[8,9], 所以总体表现出随着电流的增大, 光功率衰减的幅度也逐渐增大。所以针对不同驱动电流条件下光功率的衰减, 需要进行芯片和荧光粉的分解研究, 将白光LED光谱按照图6进行分解统计, 其中蓝光区域代表的是芯片的光功率, 黄光区域代表的是荧光粉的光功率, 通过不同驱动电流条件下测得的白光LED的光功率分解, 即可得到相应的芯片和荧光粉的光功率衰减曲线, 如图7所示。

A.0.2A时A点温度;B.0.2A时B点温度;C.0.35A时A点温度;D.0.35A时B点温度;E.0.40A时A点温度;F.0.40A时B点温度A.Apointtemperatureat0.2A;B.Bpointtemperatureat0.2A;C.Apointtemperatureat0.35A;D.Bpointtemperatureat0.35A;E.Apointtemperatureat0.40A;F.Bpointtemperatureat0.40A

通过图7蓝光与黄光的光功率衰减曲线对比图5白光的光功率衰减曲线可以看出, 黄光的衰减幅度与白光的衰减基本一致, 而蓝光的衰减则没有很大的变化, 此结果说明, 相比于蓝光芯片的衰减, 封装用荧光粉的衰减则是引起白光LED光功率衰减的主要原因。

三结论

利用热学和光学测试系统证实了荧光粉具有自发热效应;在不同电流条件下研究了温升和光衰现象, 利用光谱分离法研究了白光LED光衰的主要原因, 研究表明温度对于白光LED的衰减起着十分重要的作用, 同时白光LED的光衰主要是由荧光粉的衰减引起的, 文章研究得出的规律和结论对于实际生产具有参考意义。

摘要：远程荧光技术作为白光LED封装的方式之一, 近年来得到广泛的研究。本文采用热学和光学测试相结合的方法, 测试研究了远程荧光器件的热学特性。研究结果表明:荧光粉具有自加热现象, 白光LED的光衰主要是由荧光粉的衰减引起的。

关键词：远程荧光技术,荧光粉,自加热,热学特性

参考文献

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[8]N Narendran, Y Gu, J P Freyssinier, et al.Solid-state lighting:failure analysis of white LEDs[J].Journal of Crystal Growth, 2004, 268 (3) :449-456.

白光LED无线光通信传输系统 篇6

随着LED的迅速发展, 白光LED采用电场发光和低电压供电, 因而具有寿命长、光效高、稳定性高、安全性好、兼及无辐射、低功耗、而且抗震、可靠和耐用等技术特性, 此外白光LED还表现了响应时间短、调制高速的指标特性[1]。在此背景下, 基于同时实现照明和通信双重功能, 随之催生了一门新兴的无线通信技术———可见光通信技术, 并已经成为多个国家的研究热点, 尤其吸引关注的是日本“可视光通信联盟”的开创以及美国斥资1.85亿美元、且为期10年的“智能照明”项目的设立和推进。迄今为止, 可见光通信大多处于实验阶段, 虽然整体系统已有实现, 但距离实用阶段却还有一定的距离, 系统的各项性能也有待进一步地提高与增强[2]。

我国在该技术领域也已取得了较大进展, 突出成果即如中科院半导体研究所依托中科院知识创新工程重要方向项目“半导体照明信息网 (S2-link) 的研究”自主设计研发的, 并已于2009年1月首次实现的采用LED灯作为接入点的互联网接入, 而且该技术成果已于2009年11月在上海工博会获得了成功展示;随后, 2013年2月, 半导体研究所又成功研制出半导体照明通信系统第三代样机, 其网络带宽可达到2Mbit/s, 相应地同年5月, 半导体照明通信系统即在上海世博会的“航空馆”和“沪上·生态家”进行了整体展示[3]。鉴于以上研究成果, 本文将综合运用串口通信和单片机的功能, 以此而实现了完整的无线光通信传输系统。

1 总体设计

1.1 系统功能模块

白光LED无线光通信传输系统分为编码调制器, 电光转换器 (即白光LED) , 光电二极管和解调解码器四部分, 如图1所示。

1.2 信息数据传输流程

通信方式采用点对点式、全双工模式[4]。本系统可应用于不同设备中, 在此, 则利用计算机作为本系统信号的输入输出设备, 具体的信息数据传输流程如图2所示。

由图2可知, 由计算机A到计算机B的信息数据传输过程可表述为:计算机A发出指令, 将数据传输给单片机, 单片机进行编码调制, 以此控制LED闪烁频率;LED即将电信号转化为光信号输出, 也就是高频闪烁;而光电二极管接收数据后, 则将光信号转化为电信号, 并传输给单片机, 单片机解码解调后, 再将信息数据传输给计算机B。与其相对应, 从计算机B到计算机A的过程亦完全同上, 由此而实现计算机A和计算机B之间的信息数据交互。

2 系统设计

2.1 通信过程设计

编码调制器位于单片机上, 可将高低电平最终转化为LED不同频率的闪烁[5]。操作过程为:用AT89S52型号单片机控制LED的闪烁频率, 将外界设备 (如, 计算机) 输入信号二进制数据中的“0”调制成LED高频4.8KHz闪烁, 将“1”调制成LED低频2.4KHz闪烁。

在系统设计中, 规定输入的信号应采用标准串行通信协议、并只能以固定的2 400bps波特率进行通信, 而且每一帧信号中均标识有1个起始位, 8个数据位, 1个校验位和1个停止位。

在光信号传输中, 发射端电光转换器主要采用白光LED[6]。因为白光LED亮度更强, 可以首先实现室内照明。自始至终, 白光LED以固定的占空比 (1/2) 闪烁, 从而实现恒定亮度的照明。

接收端则主要采用光电二极管。接收端是通过光电二极管进行光电转换, 也同样利用AT89S52型号单片机进行识别, 并最终输出原信号。

2.2 外部电路设计

在光信号传输方面, 将光电二极管和白光LED混合放置在同一块电路板上, 从而同时实现发射和接收的功能。为了避免白光LED自身发光对光电二极管接收造成影响, 采用挡板将其光线阻断, 如图3所示。图3中央即为光电二极管。

使用光电二极管接收闪烁的光信号, 在设备的工作过程中不能出现任何可见光干扰。因此, 选用灵敏度较低的光感应电路, 并使设备发光远强于环境光, 从而去除环境光造成的干扰。在系统整体设备电路图中, 单片机工作原理电路因篇幅所限而在此省去。

针对编码调制和解调解码方面, 设计的电路图则如图4所示。图中, 单片机使用了11.059 2MHz晶振。

RS232电平信号经过MAX232电平转换成TTL电平信号, 由RXD口进入单片机A, 单片机A调制后由P1.0口控制LED闪烁发送信息;而从对方设备传来的光信号通过光电二极管转换成电压信号并由单片机B INT0口接收, 解调后又将原信号由TXD口送出, 再经过MAX232转换成RS232电平信号, 从而实现信号在系统中的传输和调制解调。

利用调制模块, 采用多种数据传输方式, 多个LED并联接入单片机的不同输出端, 接收不同的数据且调制到不同频率下;相应地, 接收端则利用同等数量的光电二极管进行接收, 如此即可实现数据速率成倍提升。

2.3 程序设计

单片机调制汇编源代码, 控制单片机实现了将外界设备 (即计算机) 输入信号二进制数据中的“0”调制成LED高频4.8KHz闪烁, 而将“1”调制成LED低频2.4KHz闪烁。

其后, 单片机则解调汇编源代码, 由此控制单片机实现了将光电二极管接收到的光信号转换为电平信号。

在使用本系统的设备上 (即计算机) , 通过验证每一帧数据的奇偶校验位来进行检错。串行数据从输入到输出, 将存在最长两个信号位 (即5.4ms) 的延迟, 但这一现象却并不会影响串行字节数据的连续发送。

3 实验结果

在构建了单方向白光LED无线光通信传输系统后, 通过设计两台计算机间的字符数据传输, 以此来实现整个系统的通信。

信号发射设备预定为计算机A, 其中采用STC-ISP软件中的串口助手, 如图5所示。在发射端, 传输内容为字母、数字的组合。实验过程中, 需保持白光LED与光电二极管之间距离约为1米。

计算机B接收到的数据, 如图6所示。

实验证明单方向白光LED无线光通信传输系统稳定可行, 传输过程中没有出现数据错误。为此, 只需将调制解调模块有机结合, 即可实现全双工串行通信。

4 结束语

本系统易普及和实现。只要结合串口通信的原理, 及对单片机的简单编程, 就可以实现系统的完整搭建。并且, 在白光LED无线光通信传输系统实现照明的同时, 也可进行高速数据传输, 即任何照明系统均将支持高效数据传输。此外, 利用LED无线光通信, 并不会对其他设备, 如手机的信号造成干扰。只是由于单片机性能原因, 目前的系统传输速度并未获得大幅提升。为此, 应用电路及其他芯片来改进系统, 即已成为无线光通信技术的未来发展方向。

参考文献

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[5]张立, 朱娜.基于LED照明灯的室内无线光通信双工系统研究[D].镇江:江苏大学, 2010.

白光LED照明 篇7

1 白光LED的实现

白光发光二级管大多离不开稀土荧光粉, 主要有黄色荧光粉, 红色荧光粉及三基色荧光粉等。白光LED的形成主要包括以下几种方法。

1.1 蓝光LED+ 绿色荧光粉+ 红色荧光粉, 通过芯片发出的蓝光与荧光粉发出的绿光和红光复合得到白光。

1.2 将红、绿、蓝3 种不同颜色的LED组合, 并封装在一起, 分别控制通过三种LED的电流大小从而使产生的三种光复合成白光。

1.3 紫光LED+ 三基色荧光粉 (多种颜色的荧光粉) , 这样荧光粉发出的多种可见光也可以复合成白光。该方法显色性更好, 制造简单, 成本较低, 未来具有广阔的发展前景。但这类荧光粉发光稳定性差、光衰较大, 因此开发高效的、低光衰的白光LED用荧光粉已成为一项迫在眉睫的工作。

1.4 蓝光LED芯片+ 黄色荧光粉, 使黄色荧光粉发出黄光, LED发出的另一部分蓝光透射出来, 由荧光粉的黄光与透射出的蓝光组成白光。该方法具有稳定性好、制造简单、成本低等优点, 是目前工艺较成熟的一种, 大部分白光LED的制造均采用此方法。

2 白光LED用荧光粉

目前, 开始产业化的白光发光二极管的主要制作方法是在发光二极管芯片上涂覆可被有效激发的荧光粉从而复合成白色光。在整个白光发光二极管中荧光粉起着重要的作用[2]。

在光转换型发白色光的发光二极管中荧光粉是其最主要的组成部分。荧光粉能否应用在光转换型发光二极管上, 要看荧光粉是否符合以下两个条件, 第一, 观察其激发光谱与发光二极管的发射光谱是否相对应, 以保证在激发荧光粉时光转换率最高;第二个条件主要是荧光粉在紫外或近紫外发光二极管激发时其发射光谱的位置是不是在三基色 (蓝绿红) 波段下, 或者通过蓝色光发光二极管激发下的荧光粉能不能发射黄色光进而与芯片所发射的蓝色光混合形成白色光。

2.1 荧光粉的发光原理

接受外部能量, 并转化成光能量的物体, 称为荧光体。当这物体为粉末状, 就称为荧光粉。荧光粉的发光原理是:外部能量使电子从低能带 (价带) , 跃迁到高能带;高能带电子回到低能带时, 发出光子。各种发光材料的被激发的方式主要有:光致发光、电致发光、阴极射线发光等[3]。

荧光体就是能够实现能量转换的材料, 它受到能量的激发后就会产生能量的吸收与能量的转换过程, 最终以光辐射的方式放出能量。

2.2 荧光粉的种类

2.2.1 铝酸盐荧光粉:以铝酸盐体系为基质的荧光粉由于其高亮度、发射峰宽、成本低、应用广泛、发光效果较好引起了广泛的关注, 但是这类荧光粉发射光谱单一, 在实际应用中耐湿性差、合成条件比较苛刻。

2.2.2 硅酸盐荧光粉:由于硅酸盐体系具有稳定的化学性质、发射光谱范围宽、耐热性能较好和制作成本较低, 因此, 近年来受到了高度的关注和开发研究。

2.2.3氮化物荧光粉:氮化物为基质材料的荧光粉具有激发波段宽, 耐热性能较好和能够合成较稳定的红色荧光粉而受到广泛的关注, 但是其存在发射光谱范围较窄, 生产成本过高等明显的缺点。

2.2.4硫化物荧光粉:以硫化物为基质所生产的荧光粉由于其没有稳定的化学性质, 易气化, 光强度低等问题导致在实际使用中受到了限制, 并且硫化物对人类身体有害。

3 白光LED用荧光粉的应用

过去几十年, 荧光粉由于其独有的物理和化学特性, 引起了广泛关注。荧光粉除了在白光LED中的应用外, 经过掺杂各种稀土离子, 各种新型荧光粉在我们的日常生活中还有着各种用途。

3.1 荧光粉在电视机与计算机中的应用

近年来, 稀土荧光粉被广泛用在彩色电视机中。彩色电视由于彩色显象管中发射红、绿、蓝光的三种基色荧光粉在电子束作用下发出不同的亮度的三色光, 因此可以传播天然色彩

计算机显示器十分类似于彩色电视机, 只是计算机不需要电视机那样重视颜色的再现性, 而优先考虑亮度, 所以采用橙色更强的红色, 因此在计算机红色荧光粉中掺杂的稀土元素的含量约为彩色电视机的1.5 倍。

3.2 荧光粉在医疗中的应用

紫外辐射具有明显的光化学效应、光电效应、生物效应和荧光效应, 因此应用广泛。不同波长的紫外辐射有着不同的应用。针对不同应用, 需要有针对性的紫外辐射光源。健康线则是指波长为280nm~320nm的中波紫外辐射。对于突发性变异、皮肤红斑、皮肤卟啉症、表皮角化细胞、大疱性天疱疮、光化性痒疹等皮肤病来说, UVA和UVB紫外光都有很好的治疗效果。在婴儿黄疸及脑核黄的治疗中也会用到紫外线。对于紫外线汞放电灯来说, 即应用不同发射波长的荧光粉。

对于婴儿黄疸及脑核黄的治疗有很多种, 其中光线疗法安全有效, 简单方便, 其原理是通过光照使未结合胆红素经异构化和光氧化作用生成无毒的水溶性物质, 经尿液和胆汁尿液排出。光源最好选择接近紫外线的蓝光。经过长期研究, 掺有稀土Eu离子的荧光粉可以作为高胆红素治疗灯用的荧光粉。

3.3 荧光粉在传感器中的应用

光纤荧光传感器是通过测量物质的特征荧光光谱来鉴别被测物质种类和浓度的, 被测物本身或者采用荧光示踪物质能在一定的激发光激励下产生自身的特征荧光谱的传感器。

3.4 荧光粉在分子识别中的应用

荧光标记技术是利用一些能发荧光的物质共价结合或物理吸附在所要研究分子的某个基团上, 利用它的荧光特性来提供被研究对象的信息。分子识别是两个或以上的分子之间通过非共价键结合相互作用, 并具有专一性功能的过程。荧光标记作为分子识别的一部分, 必须有有高稳定性、高的量子产率、长发光寿命和大的斯托克斯位移。荧光标记物进行分子识别在蛋白质合成、免疫反应等许多生命化学过程发挥着极其重要的作用。它是近几年生命科学领域中的研究热点, 已用于氨基酸、环境污染物等多种物质的测定,

4 结语

随着LED芯片技术的突破, LED发光效率将逐步接近其理论发光效率, 荧光粉作为荧光转换型白光LED的重要组成部分, 荧光粉的性能好坏将直接决定LED光源的产品性能。目前能够匹配蓝光、近紫外光或其它芯片的荧光粉还不多, 仍有较大的提升空间, 需要开发制备工艺更为简单, 发光效率高、化学性能和化物理性能更加稳定、显色指数高、使用寿命长的荧光粉。由于化学物质的多样性, 在荧光粉领域有可能开发出创新性技术, 形成自主创新的专利, 从而打破国外的专利封锁走出一条我国自己的白光LED产业化道路。

5 产业发展建议

5.1 开发出创新性技术, 形成自主创新的专利, 从而打破国外的专利封锁走出一条我国自己的白光LED产业化道路。

5.2 在照明技术进一步向前迈进的过程中, 要想获得更好的光源还需要开发出更多新式荧光材料。

5.3 为了实现对材料发光性能的控制, 要严格控制产品的各种参数, 改善现有的产业的生产流程和合成方式, 获得合适的化学均匀性和颗粒大小的粉体。

5.4 为了提高荧光粉的发光效率, 要加强对发光中心离子在基质中的能量传递过程的理论分析和研究。

摘要：时至今日, 不可再生资源石油越来越匮乏, 已经引起世界各国的重视, 成为各国战略核心目标。而实现白光LED最成熟的方法就是荧光粉转换法, 即LED芯片周围覆盖荧光粉。本文对白光LED用荧光粉的发光机理及其新型荧光粉的应用进行了详细的综述。在此基础上, 针对白光LED的研究现状和存在的问题进行了简单的探讨。

关键词：白光LED,荧光粉,应用

参考文献

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[2]尹长安, 赵成久, 刘学彦.白光LED的最新进展[J].发光学报, 2000, 21 (4) :380-382.

白光LED照明 篇8

Nowadays environmental protection and energy saving are put forward in many fields on the world,so is in the illumination area[1].In our country,the energy consuming in illumination area accounts for about 15%of all.Therefore it becomes very important to develop high-efficiency illumination equipment.White light emitting diode(WLED)is a kind of new light-source,which has the virtues of low energy consuming,long life time,high stability,easy maintenance,etc,and it’s named as the most prospective source in the 21st century[2].

According to the principle of fluorescence and color mixing,white LED made by phosphors excited by LED chip is one of the most important technologies to achieve white light illumination.So,the matching between phosphors and LED chips can influence the performance of white LED significantly[3].The selection of phosphors needs to satisfy two aspects:phosphor’s excitation spectrum should match with LED chip’s emission spectrum,and then high conversion efficiency can be achieved;phosphor’s emission spectrum should match with LED chip’s emission spectrum,therefore,color rendering index can meet our requirement(indoor:Ra>80,outdoor:Ra>70)[4].

1 Measurement Principle and Experimental Device

Based on different excitation sources,measurement methods can be classified into the following ways.

Blue LED chip is generally used to excite LED phosphor,phosphor’s emission light and part of LED chip’s light which is not absorbed by phosphor mix together,and then white light can be achieved and phosphor’s characteristics excited by LED chip can also be acquired.This method is very simple,but it has many problems in practical use:1)blue LED chips from different batches are different in spectrums;2)LED chip is always measured under pulse drive mode at 25℃,but its real working condition is under high junction-temperature.Therefore it’s really difficult to get phosphors’characteristics objectively.

At present,fluorescence spectrophotometer is also used for measuring the excitation and emission spectrum of phosphor.Monochromatic light produced by excitation-monochromator excite phosphor to emit fluorescence,and then split light via emission-monochromator,at last the emission spectrum is detected by photodetector.This instrument is mainly used for analyze material’s composition and structure.

This paper will introduce a novel measurement system called double splitting fluorescence spectroradiometer.This system can measure phosphor’s emission spectral power distribution.Compared with the traditional fluorescence spectrophotometer:1)the power or photons of the excitation light are determined exactly;2)spectroradiometer’s response function is calibrated accurately;3)spectroradiometer’s sampling function is isosceles triangle,the relationship between sampling space∆λand bandwidth of the monochromatorδλshould satisfy:

Where:N is an integer,Then spectroradiometer will have flat response function during the whole spectrum,so the exact spectral power distribution of the emission spectrum can be acquired,luminosity and chroma parameters can be calculated.Otherwise,the spectrum will be inaccurate[5].

According to the above principle,the experimental devices are showed in figure 2.They include two major parts:excitation spectrometer and emission spectrometer.Excitation source is composed by UV deuterium lamp and visible halogen lamp,the excitaion wavelength can range from 200 nm to 800 nm.As figure 2 shows,a broadband light source passes through a monochromator,thus the monochromatic light can be achieved,and then the light beam enters into the sample chamber,reaching a sector mirror,by which light is switched into two parts,one is detected by a photodetector directly,which can be used for inspecting the diversification of the excitation source timely,another is used for exciting the sample.After assembing by lens the emission light transfers through a fiber and be tested by the spectroradiometer.At last,phosphor’s emssion specrum is determined[6].

2 Evaluation of Phosphor’s Efficiency

Phosphors used for lamp are commonly evaluated by relative luminance,but this needs standard phosphor to be reference,the preparation,storage and stability of standard phosphor are very difficult.Besides,relative luminance is only useful when comparing the phosphors which have close color temperature and spectral power distribution.Therefore,phosphor’s luminous efficacy,quantum efficiency and energy efficiency are brought forward.

Phosphor’s luminous efficacy(ηL)is defined as the ratio of emission light’s luminous fluxΦV(lm)to excitation light’s powerΦE(W)when phosphor is excited by certain short wave band.

Phosphor’s quantum efficiency(ηQ)is defined as the ratio of emission light’s photons to excitation light’s photons when phosphor is excited by certain short wave band.

Phosphor’s energy efficiency(ηE)is defined as the ratio of emission light’s energy(or power)to excitation light’s energy(or power)when phosphor is excited by certain short wave band.

2.1 Excitation Efficiency Excited by Single Wavelength

LED phosphor’s efficiencies will be different excited by different wavelengths.Using the apparatus mentioned in the above paragraph,phosphor’s luminous efficacy,quantum efficiency and energy efficiency excited by each single wavelength can be measured.Luminous efficacy excited by single wavelength is the ratio of emission light’s luminous flux(lm)to excitation light’s power(W),symbol:ηL(λex).

Quantum efficiency excited by single wavelength is defined as the ratio of emission light’s photons to excitation light’s photons,symbol:ηQ(λex).

Energy efficiency excited by single wavelength is defined as the ratio of emission light’s energy(or power)to excitation light’s energy(or power),symbol:ηE(λex)

In the formulas,λex is the excitation wavelength;λem is the emission wavelength;Φem(λem,λex)is the emission spectral power distribution excited by the single wavelengthλex;Φex(λex)is the excitation spectral power;V(λem)is the CIE-defined wavelength-dependent spectral luminous efficacy of photopic vision,λ1 toλ2 is the emission light’s band width.

2.2 Excitation Efficiency Excited by Blue LED Chip

Suppose the spectral power distribution of blue LED chip isΦLED(λex)in white LED,then we can calculate phosphor’s luminous efficacy excited by blue LED chip,symbol:ηL(LED):

Phosphor’s quantum efficiency excited by blue LED chip,symbol:ηQ(LED):

Phosphor’s energy efficiency excited by blue LED chip,symbol:ηE(LED):

In the formulas,λ′1 toλ′2 is the excitation light’s band width.

3 Measurement Results and Analysis

We take two kinds of white LED phosphors as examples to give the measurement results and analysis.Controlling the excitation wavelength from 200 nm to 800 nm,at 5 nm intervals,the spectral power distribution of the phosphors emission light excited by each wavelength can be determined.Figure 3 shows the three-demission spectral power distributions of two different LED phosphors.

As we can see from figure 3,both phosphors have high excitation efficiency excited by wavelengths from440 nm to 480 nm;the extension of the emission spectrum is mainly from 500 nm to 650 nm.

According to the evaluation index advanced in the above paragraphs,the tested phosphors’luminous efficiencies,quantum efficiencies,energy efficiencies excited by each single wavelength can be expressed in figure 4.In the experiment,two LED phosphors No.1 and No.2 are used for comparison.

We can see from the figure 4:1)phosphors’efficiencies exist maxes;2)different phosphors’excitation efficiencies have different maxes,and they happen on different excitation wavelengths;3)different efficiencies’maxes of one phosphor happen on different excitation wavelengths.

Suppose blue LED chip’s spectral power distribution isΦLED(λex),phosphor’s emission spectral power distribution excited byλex wavelength isΦem(λem,λex),then phosphor’s emission spectral power distribution excited by blue LED chipΦem(λem)can be expressed in formula(11):

In the experiment,a blue LED chip with 460 nm peak wavelength is used,by spectrum translation,LED chips with different peak wavelengths but the same power can be achieved,figure 5.We use LED chips with 440nm,460 nm,480 nm peak wavelengths and No.1 phosphor as examples[7,8].Figure 6 shows that No.1 phosphor and 460 nm LED match better than others.

Phosphors’excitation efficiencies excited by blue LED chip can also be achieved according to the above results.Figure 7 shows the two phosphors’excitation efficiencies excited by LED chips with different peak wavelengths(420 nm to 510 nm,5 nm intervals).

We can see from the figure 7:1)phosphor’s efficiencies are different excited by LED chips with different peak wavelengths,and exist max.2)different phosphors’efficiencies have different max,and happened on different excitation conditions.3)different efficiencies of one phosphor achieve max at different excitation conditions,we can choose optimal matching according to our need.For example,considering luminous efficacy,No.1 phosphor and 455 nm LED,No.2 phosphor and 465 nm LED match better than others.

4 Conclusions

In this paper,we proposed luminous efficacy,quantum efficiency and energy efficiency to evaluate white LED phosphors.For the LED phosphors used in illumination,luminous efficacy can reflect luminosity characteristics of phosphors;for the phosphors used in medical or chemical use,energy efficiency can evaluate energy conversion efficiency objectively;quantum efficiency can truly figure out phosphors’quantum conversion ability.

Using double splitting fluorescence spectroradiometer brought forward in the paper,three-dimensional spectral power distribution was achieved.By fitting method,phosphor’s spectral power distributions excited by LED chip with different peak wavelengths but same power were acquired.Phosphor’s efficiencies excited by single wavelength and LED chips were analyzed,and the comparison between two different phosphors was made.Results show that the measurement system and analysis method advanced in this paper can characterize phosphor’s characteristics very well.

参考文献

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