LED熒光光源的壽命預測及其光學參數判定

隨著高功率LED燈的逐漸面世，高教儀器、科研儀器的光源多了很多新的選擇。特別是在熒光觀察應用領域，LED燈具有單色性好，無紫外線、紅外線等輻射、色溫穩定，使用壽命長，即開即用無等待時間，可連續調節亮度等特點，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，他的缺點就是工作溫度對LED的光電電參數影響非常大，然而LED燈工作產生的熱量不能像傳統照明燈那樣通過紫外線或者紅外線把熱量導出去。所以評判一個性能優異的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：這里我們所說的工作溫度是指LED的PN結溫度，簡稱結溫。
 

圖1
 

       1、 對使用壽命的影響

        LED不同其他光源，不會突然熄滅，而是發光效率逐漸衰弱的過程。目前評定LED壽命是通過判斷LED的光衰，通常定義光通量衰減30%的時間作為LED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，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%的壽命只有一萬多小時，95度就有2萬小時，而結溫降低到75度，壽命就有5萬小時，65度時更可以延長至9萬小時。所以延長壽命的關鍵就是要降低結溫。不過這些數據只適合于Cree的LED，并不適合于其他公司的LED。
 

       2、 對發光波長的影響

       LED工作的工作溫度較高會影響LED的主波長向長波長漂移。 LED的主波長隨溫度關系可表示為λp（T′）=λ0（T0）+△Tj×0.1nm/℃ 。由公式可知，每當PN結溫升高10℃，則波長向長波漂移1nm，且發光的均勻性、一致性變差。波長變化，對熒光探針的激發效率就有很大的影響，不僅影響實驗和診斷結果，也增加了成本，熒光探針是很貴滴哦！ 現在我們清楚地了解到降低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燈工作時的結溫呢？要知道，LED的PN結是在LED內部的，總不能拿一個溫度計或者熱電偶放進PN結來測量它的溫度吧。幸好，我們有一個間接測量溫度的方法，那就是測量LED的工作時的正向電壓來測量。這是利用了LED的伏安特性的溫度特性。如圖2：

    假定對LED以Io恒流供電，在結溫為T1時，電壓為V1，而當結溫升高為T2時，整個伏安特性左移，電流Io不變，電壓變為V2。這兩個電壓差被溫度去除，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。

圖2

    假定對LED以Io恒流供電，在結溫為T1時，電壓為V1，而當結溫升高為T2時，整個伏安特性左移，電流Io不變，電壓變為V2。這兩個電壓差被溫度去除，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LED燈）。來說明如何具體測算LED的結溫，從而判斷LED熒光光源的優劣。首先我們需要準備設備：萬用表一只，若干導線，一款以恒流驅動的LED光源。 這里我準備了我司研制的藍色單激發LED熒光模塊MF-B-LED的LED熒光光源。
 

    我已經從LED兩端引出了兩條導線，正極和萬用表的紅色觸筆連接，負極和萬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，輕按一下開關，趁LED還沒有熱起來之前，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為止（連續幾次讀數一樣），這時整個光源已經達到了熱平衡。表1是測量的數據：
 

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小時以上。
主波長偏移量△λp（ T′）=△Tj×0.1nm/℃=27.3*0.1=2.7nm
大家都學會了嗎？如何去預測LED熒光光源的壽命，如何去判定LED熒光光源的光學參數。

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