LED环形光源研制
2007年3月
第18卷 第1期照明工程学报
ZH AOMI NG G ONG CHE NG X UE BAO Mar. 2007
V ol 118 N o 11
李炳乾
(佛山科学技术学院光电子与物理系,佛山 528000)
摘 要:根据大型精密电子设备对高可靠性光源的要求,研制了LE D 环形光源,光源选用主波长在625nm 的红色
LE D 作为发光元件,在设计方面,对LE D 采用降额使用,并且对LE D 和光源都进行了加速老化,保证了光源的可
靠性。环形光源额定功率仅为210W 左右,约为传统CCF L 光源的20%,在电源电压发生波动±5%波动时,发光强度的变化小于±5%。
关键词:发光二极管;光源;环形;可靠性
Study on Lighting Source B ased on Light Emitting Diodes
with Ring Shape
Li Bingqian
(Department o f Physics ,Foshan Univer sity ,Foshan 528000)
Abstract
The lighting s ource with ring shape is designed and dem onstrated.The lighting s ource is consisted of lighting
emitting diode (LE D ),and s ome technique ,such as accelerate aging ,light load etc.,are used to im prove the reliability and stability of the ring shape lighting s ource ,s o the high reliability and stability is obtained.The power consume of the lighting s ource is less than 210W ,only 20percent of the traditional lighting s ource which consisted of cool cathode fluoresces lighting (CCF L ).The lighting s ource is driven by the high precisely regulated power supply ,when the v oltage of the supply changed 015V ,the power consume ,input current and illumination changes within 10%.
K ey w ords :lighting emitting diode ;lighting s ource ;ring shape ;reliability
3广东省自然科学基金项目(04011462),佛山市科技发展专项资金(04030021),佛山科技学院博士启动基金项目
1 引言
随着半导体科学技术的发展,超高亮度的发光二极管(Light Emitting Diodes ,LE D )制作技术取得
的重大突破[1]
。目前LE D 在发光效率和性能价格比方面距离民用照明还有一定距离,但是在一些特种照明领域,LE D 照明具有的体积小、重量轻、方向性好、耐恶劣条件、抗震动、环保、色彩饱和度高等许多优点,使得LE D 具有非常广阔的市场[2]
。
目前很多高精度的电子设备(如半导体器件生产中使用的粘片机、切割机等)都配置CC D 摄像系统,用来读取待加工元器件的图形,并输出给控制系统。为了保证摄像系统的稳定工作,这些仪器都
采用了主动照明技术,传统的照明光源采用的是冷阴极荧光灯(CCF L ),这种灯具有较高的发光效率,但是因为采用了灯丝结构和需要抽真空,寿命和可靠性都比较低,影响到整个设备的平均无故障工作时间,同时因为CCF L 是多种波长混合而成的白光,反而会影响到非彩色CC D 对图像的识别精度。
2 结构设计和制作工艺
光源外壳铝合金加工而成,
表面经过氧化发黑处理,颜色与CC D 外壳颜色一致,可以避免光源环境杂散光的影响。外壳采用环形结构,内径与CC D 摄像头外径一致,可以套在CC D 上,并用内六角螺丝将它们固定在一起,保证光源与摄像头位置的相对固定。电子元器件生产所需的照明区域非常小,通常小于厘米量级,但是在有效照明区域内,对照明光源的均匀性要求很高,为了保证环形光源在工作范围内照明均匀,同时有效利用LE D 发出的光,在LE D 装配过程中,使LE D 向中心倾斜,如图1所示,这样所有LE D 发出的光都照射到光源中心部位,在光源中心部分形成一个均匀的照明区域。
图1 环形光源中LE D 采用倾斜装配
图2 红色LE D 的光谱分布曲线
光源的发光元件选用AlG aInP 四元系超高亮度红色LE D ,AlG aInP 四元系超高亮度LE D 技术比较成熟,具有很高的发光效率、较强的抗静电能力,理论上,寿命可以长达10万小时。LE D 的波长分布曲线如图2所示,峰值波长为635nm ,主波长为625nm ,半宽度约15nm ,色纯度高达01967,具有很
好的单色性,接近于单色光。625nm 波长的另一个优点是接近CC D 敏感度较高的波长范围,照明效率很高,同时也可以用人眼观察,进行初步的对准、调焦等,是一种理想的CC D 单色照明光源。
LE D 是典型的电流型元件,器件模型可以用一个理想二极管和一个串联电阻组成,理想二极管伏
安特性可以用公式表示[3]
:
I F =I 0[exp (qV F ΠnKT )-1](1)其中n 为理论因子,其值由正向电压决定,在1～2
之间变化。I 0是反向饱和电流,K 玻耳兹曼常数。在室温时,KT Πq =0102569V ,因此在LE D 工作时,正向电压接近2V 时,exp (q V ΠnKT )μ1,上式可以简化为
I F ≈I 0exp (qV F ΠnKT )
(2)
考虑到串联电阻引起的压降,上式变为
V F =
nKT
q ln (I F I 0
)+R S I F (3)
其中R S 是LE D 的内阻,由于的数值比较小,因此实际LE D 的伏安特性比较接近指数函数形式,
即在开启工作电压之上时,电压的微小变化都有可能带来电流的剧烈变化,造成输入功率和输出光强的剧烈变化。对于这类的电流型元件,从单纯技术角度看,最好能够采用恒流源供电,但是恒流源供电电路结构复杂、成本昂贵,应用反而不是很多。通过合理选择限流电阻的阻值,采用恒压源也能够为LE D 供电,这种驱动方式结构简单,使用灵活。考虑到大型电子设备都带有24V 恒流源输出,LE D 环形光源选用了恒压源供电方式,选用了阻值较大的限流电阻,限流电阻上的压降约为电源电压的35%,图3、图4分别是环形光源电压2电流关系曲线和归一化后环形光源的电压2光强关系曲线。从图中可以看出,因为选择了合适的限流电阻,环形光源的电压～电流关系已经非常接近线性,这样在正常工作电压24V 附近,如果电源电压发生很大变化,光源的电流和光强的变化都被限定在较小的范围内,例如电压波动±2V 时,电流变动的范围在6～10mA ,相应的光强变化也在±15%以内,仍然能够为CC D 提供良好稳定的照明,即使电源电压达到30V ,光源的电流值也没有超过LE D 的额定电流值。
电子设备自带的高精度稳压电源,输出电压具有很好的稳定性,一般情况下,不会超过±015V ,表1是电源电压在±015V 范围内波动时,光源输入
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6第18卷第1期李炳乾:LE D 环形光源研制
图3 LE D
环形光源电压电流关系曲线
图4 环形光源电压与光强关系曲线
电流值和光强值的变化情况,其中光强以电源电压为24V 时的光强作为参照。从表中数据可以看出,
当电源电压由2315V 增加到2415V 的过程中,电流值的变化只有约016mA ,没有超过1mA ,光强的相对变化小于10%。
表1 电压在±015V 范围内电流值和光强值的变化
电压(V )
2315
231723192410241124132415电流(mA )71443717128101581167812258150081766光强(%)9119
9511
9814
10010
10210
10515
10910
虽然单个LE D 器件已经达到很高的可靠性,但是当多个LE D 混合使用时,可靠性会大大降低,LE D 同其他半导体器件具有类似的失效机理,它们都符合所谓的“浴盆”效应,即器件中存在的缺陷基本上都会在最初的100小时内表现出来,并对LE D 的光电特性产生影响,而且LE D 还有它独特的一点是,在最初使用的一段时间,光强会有较大的衰减。为了保证光源的可靠性和稳定性,制作时对
LE D 器件和整个光源进行加速老化处理,在30mA 电流下(额定工作电流为20mA ),分别对LE D 器件
和光源进行100小时老化,剔除了有质量缺陷的LE D ,并使LE D 的发光强度进入稳定状态。
降额使用就是为了提高整个系统的可靠性,将所用电子元器件的工作负载限定在额定功率以下,降额又可以分为几个级别,对不同的类型的元器件有不同的降额要求,本文设计LE D 环形光源时,结合成本、光强和可靠性等要求,将通过限定在10mA 以下,仅为额定工作电流的50%,保证了光源的稳定性和可靠性。
3 结论
选用节能环保的超高亮度红色LE D 作为发光元件,LE D 主波长在625nm 左右,具有较高的色彩饱
和度和较好的单色性,而且所用波长接近CC D 光敏元件的峰值敏感波长,在照明效果方面满足了单色CC D 对主动照明光源的要求。在电路设计方面,采用恒压源供电,通过合理选择限流电阻的阻值,改善了电流电压特性保证了电源电压发生波动时,光源承受的输入功率和输出光强不会发生太大的变化。通过加速老化、降额使用等一系列技术措施,保证了光源的可靠性。研制的LE D 环形光源,额定功率仅为210W 左右,约为传统CCF L 光源的20%,在电源电压发生波动±015V 波动时,发光强度的变化小于±10%,具有非常高的可靠性和稳定性。
参考文献
[1] 李炳乾.基于金属线路板的新型大功率LE D 及其
光电特性研究.光子学报,2005,V ol.34(3),
372～374.
[2] 李兵.发光二极管(LE D )在照明设备中的应用前
景.现代科技译丛,1999(6):3～4.
[3] 李炳乾,布良基,甘雄文,范广涵.LE D 正向压
降随温度的变化关系研究.光子学报,2005,
V ol.32(11),1349～1351.
66照明工程学报2007年3月