CN201212842Y - 一种大功率led结温测量装置 - Google Patents

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李耀棠
赵光华
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Abstract

本实用新型公开了一种用于测量大功率白光LED结温的测量装置，由光谱仪、集光光纤、恒温箱、加热器、温度探头、恒温箱温度控制器、LED恒流电源、LED支架、热电偶、电压表、温度表、挡板、计算机系统构成。恒温箱内放置有待测LED、LED支架、热电偶、挡板、加热器和集光光纤。在不同环境温度和注入不同的电流情况下，测量出LED的蓝光和白光的光谱功率分布，分析蓝白光光谱功率分布比值与结温的关系，从而快速确定大功率白光LED的结温。本实用新型克服了目前所采用的正向电压法和管脚法测量需要器件是未封装或开封状态所导致的LED器件或系统整体性受到破坏，将为LED的封装和热沉设计提供设计参数和失效检验，从而实现对大功率LED进行更有效的热管理。

Description

一种大功率LED结温测量装置
一 技术领域
本发明属于发光二极管(LED)热管理技术领域，主要涉及一种非接触方式的发光二极管P～N结温度测量装置。
二 背景技术
发光二极管(LED)的出现使电光源从热体发光(白炽灯)、气体发光又发展到固体(半导体)发光。从热辐射(白炽灯)进步到原子辐射(放电灯)再进步到量子辐射(载流子复合发光)。白炽灯因输入功率大部分转化为热能以维持发光条件，所以这两种光源发光都是以消耗一定能量为代价的。而LED载流子发合发光时的势能全部转化为光能，其内量子效率很高，同时固体物质的密度远高于气态物质，LED中的载流子密度远高于放电灯中发光中心的密度，光点集中。因此，LED应该可以成为效率高、亮度大的新光源。白光LED通常是利用蓝光LED激发黄光荧光粉制成，经计算能量全部转化为白光时光效约250lm/W，目前白光LED的光效50～70lm/W，总的量子转化效率只有约28％，其理论潜力非常大。
由于目前LED的70％能量转化为热能，使P-N结温度上升，电阻下降，发光效率降低，自耗增加。有试验得出：对于LED，温度每上升10度，其光通量下降一半，当温度达到80℃时，其光通量几乎下降至零。小功率LED总能耗有限，温升不严重，不影响其性能。大功率LED(0.5～3W)的能耗使P-N结温度上升到100℃以上，破坏了正常工作条件，并永久地损伤了P-N结和荧光粉。其他光源工作时的温升是发光的必要条件，但LED的P-N结温升对发光是不利的，会使LED的光度、色度学性能变差以及寿命缩短。
显然，大功率LED的散热问题成了一个头等重要的问题。通常有两种方法来测量LED结温。一种是正向电压法，利用LED电输运的温度效应，通过测量工作电流下的正向电压来确定结温，是一种利用电学性质所作的测量。另一种是管脚温度法，它是利用LED器件的热输运性质，通过测量管脚温度和芯片耗散的热功率，以及热阻系数来确定结温，是一种利用热学性质所作的测量，测量过程中需要结合电压法测量来确定热阻系数。这两种方法均为接触式测量，比如测热阻时，安装在待测LED上的热沉，需要与LED的封装面紧密接触，为提高测量精度，通常让LED器件处于未封装或开封的状态，破坏了器件的整体性。
三 发明内容
鉴于上述方法和技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种利用白光LED的发光光谱分布来测量结温，最大的优点就是不需要破坏器件的整体性，是一种非接触式的结温测量装置。其特征在于将待测LED安装在一个恒温箱内，用一根连接了光谱分析仪和计算机系统的导光光纤，伸进恒温箱内，通过测量白光LED电致发光谱中蓝光与白光的功率比值，快速计算出结温。本发明包括用来控制被固定在LED支架(6)上分别与万用表(10)、温度表(11)、恒流电源(5)相连接的待测LED(8)环境温度的恒温箱(1)，位于恒温箱(1)外部的温度控制器(4)除与恒流电源(5)一起连接至计算机系统(14)外，还连接位于恒温箱(1)内部下方的温度探头(3)和加热器(2)，待测LED(8)的阳极管脚上被焊接上热电偶(7)，待测LED(8)发出的光绕过挡板(9)被伸进恒温箱(1)的集光光纤(12)收集进入已连接计算机系统(14)的光谱仪(13)。操作十分方便：
1.带玻璃窗口的恒温箱被用来控制待测LED的环境温度，误差小于1℃。
2.自制的LED支架可以方便的固定LED以及测量电路和热电阻。热电阻被焊接在LED的阳极管脚上，它的电阻值由万用表来测量。
3.光谱分析仪的稳流电源给LED提供恒定电流，LED的正向电压由另一只万用表进行测量。
4.导光光纤透过恒温箱的玻璃窗口，收集待测LED发出的光，进入光谱分析仪的积分球。
5.计算机连接在光谱分析仪上，用来分析光学测量的结果，从而快速计算出待测LED的结温。
本发明采用导光光纤非接触的方式收集待测LED发出的光，传输进入光学多通道快速分析仪(OMA)，OMA直接给出被测LED的相对光谱功率分布P(λ)，计算机系统对不同环境温度和不同注入电流的工作条件下，蓝光和白光的的P(λ)进行存储。我们定义W为光谱中整个白光的功率，B为蓝光部分的功率，W和B的比值记做R，假设R＝W/B，即R是结温的函数，那么我们可以通过测量光谱算得R值，然后多组已知结温情况下的蓝白比作线性拟合，获得R与结温的线性关系，就可以快速计算出LED的结温。
四 附图说明
图1是具有光谱仪、计算机系统、LED阵列、加热系统、导光光纤、直流电源、恒温箱、温度计、万用表等组成的LED结温非接触测量装置，其中：恒温箱1内放置了用来固定LED支架6上分别与万用表10、温度表11、恒流电源5相连接的待测LED8，恒温箱外部的温度控制器4除与恒流电源5一起连接至计算机系统14外，还连接位于恒温箱1内部下方的温度探头3和加热器2，待测LED8的阳极管脚上被焊接上热电偶7，待测LED8发出的光绕过挡板9被伸进恒温箱1的集光光纤12收集进入已连接计算机系统14的光谱仪13。
五 具体实施方式
参看图1，本发明包括：用来控制被固定在LED支架6上分别与万用表10、温度表11、恒流电源5相连接的待测LED8环境温度的恒温箱1，位于恒温箱1外部的温度控制器4除与恒流电源5一起连接至计算机系统14外，还连接位于恒温箱1内部下方的温度探头3和加热器2，待测LED8的阳极管脚上被焊接上热电偶7，待测LED8发出的光绕过挡板9被伸进恒温箱1的集光光纤12收集进入已连接计算机系统14的光谱仪13。
工作时，导光光纤非接触的方式收集待测LED发出的光，传输进入光学多通道快速分析仪(OMA)，OMA直接给出被测LED的相对光谱功率分布P(λ)，计算机系统对不同环境温度和不同注入电流的工作条件下，蓝光和白光的的P(λ)进行存储。我们定义W为光谱中整个白光的功率，B为蓝光部分的功率，W和B的比值记做R，假设R＝W/B，即R是结温的函数，那么我们可以通过测量光谱算得R值，然后多组已知结温情况下的蓝白比作线性拟合，获得R与结温的线性关系，就可以快速计算出LED的结温。即LED结温Tj可以由下式求得：
Tj＝T0+(R-R0)/Kr
式中：Tj是要测量的结温，T0为参考结温；R和R0分别是结温为T0和Tj时的蓝白比；Kr是比例系数，可以通过测量两组不同的参考结温和蓝白比得到，也可以通过测量多组已知结温情况下的蓝白比作线性拟合。这种非接触测量装置最大的优点就是不需要破坏器件的整体性。测量误差不超过2℃。

Claims (1)

1、一种用于大功率LED结温的非接触测量装置：其特征在于：包括用来控制被固定在LED支架(6)上分别与万用表(10)、温度表(11)、恒流电源(5)相连接的待测LED(8)环境温度的恒温箱(1)，位于恒温箱(1)外部的温度控制器(4)除与恒流电源(5)一起连接至计算机系统(14)外，还连接位于恒温箱(1)内部下方的温度探头(3)和加热器(2)，待测LED(8)的阳极管脚上被焊接上热电偶(7)，待测LED(8)发出的光绕过挡板(9)被伸进恒温箱(1)的集光光纤(12)收集进入已连接计算机系统(14)的光谱仪(13)。
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