本發(fā)明涉及一種led結(jié)溫測量裝置及方法，尤其涉及一種基于脈沖法的led結(jié)溫測量裝置及方法。
背景技術(shù)：
發(fā)光二極管(lightemittingdiode，led)是一種半導體固體發(fā)光器件，以半導體芯片為發(fā)光材料，基本發(fā)光機理是當兩端加上正向電壓，半導體中的電子和空穴的輻射復(fù)合將一部分能量(10％～30％)轉(zhuǎn)化為光能，而無輻射復(fù)合產(chǎn)生的晶格振蕩將其余的能量(70％～90％)轉(zhuǎn)化為熱能。
上世紀90年代末，白光led得到了迅猛發(fā)展，有望成為第4代照明用光源，與白熾燈、熒光燈等傳統(tǒng)照明光源的發(fā)光機理不同，led屬于電致發(fā)光器件，其熱量不能輻射散熱，從而導致器件溫度過高，嚴重影響led的光通量、壽命以及可靠性，并會導致led發(fā)光紅移，尤其目前白光實現(xiàn)的方式是熒光粉加藍光芯片，其中熒光粉對溫度特別敏感，最終會引起波長的漂移，造成顏色不純等一系列問題。
據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計，led大約70％的故障來自溫度過高。因此研究溫度對led的影響有著重要的現(xiàn)實意義。研究溫度對led的影響主要是研究led的pn結(jié)溫度tj對led的影響。
如圖1所示，通常使用的都是經(jīng)過封裝的led，溫度傳感器的熱探頭至多能夠探測led的表面溫度tb，而無法探測到led的pn結(jié)溫度。那么，如何能夠比較準確、快速的測量led的結(jié)溫是研究其熱學特性的關(guān)鍵。
目前市場上所生產(chǎn)的研究led熱學特性的實驗教學類儀器都是簡單的通過led的表面溫度tb來代替結(jié)溫，這對于大功率的led顯然是不合理的，它忽略了正常工作時led芯片溫度和表面溫度存在的溫度差。
目前測量led結(jié)溫的方法包括電學參數(shù)法、管腳法、藍白比法、紅外熱成像法、光譜法等，其中電學參數(shù)法被認為是目前結(jié)溫測量最準確的方法而被廣泛采用。電學參數(shù)法又包括小電流k系數(shù)法和脈沖法，二者都是利用led電壓與結(jié)溫的關(guān)系，通過測量電壓來求結(jié)溫。
目前，大量的測量儀器使用的電學參數(shù)法都是小電流k系數(shù)法，k系數(shù)的確定要考慮的因素有很多，小電流k系數(shù)法的局限性在于測試時必須首先將該led從原來的線路中斷開，然后用專門的結(jié)溫測試電源。一方面測量步驟比較繁瑣；另一方面led的結(jié)溫一般會在從原線路斷開和介入測量電路過程中有所變化，從而導致測量的誤差增加。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
發(fā)明目的：針對以上問題，本發(fā)明提出一種基于脈沖法的led結(jié)溫測量裝置及方法。
技術(shù)方案：為實現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種基于脈沖法的led結(jié)溫測量裝置，包括led特性測試儀、熱特性溫控儀、激勵電源、照度檢測探頭和溫控測試臺。led特性測試儀用于驅(qū)動led并測量正向或反向電學特性；熱特性溫控儀用于設(shè)置加熱腔溫度；激勵電源用于為led特性測試儀提供可調(diào)電源；照度檢測探頭用于檢測當前位置led出射光的照度值；溫控測試臺包含加熱腔、溫度傳感器、待測led和透明防風罩。
一種基于脈沖法的led結(jié)溫測量方法，具體包括以下步驟：
(1)在脈沖電流驅(qū)動下獲得led的電壓與結(jié)溫的關(guān)系曲線；
給led注入恒定的窄脈沖電流，脈沖電流幅值與額定工作電流相等，同時選擇合適占空比；確定脈沖源后，同步測量不同環(huán)境溫度下，led在電流脈沖內(nèi)時兩端的電壓；在熱平衡條件下結(jié)溫等于環(huán)境溫度，從而獲得額定電流下電壓與結(jié)溫的關(guān)系曲線。
(2)led在直流驅(qū)動下正常工作時，測量led兩端電壓，根據(jù)已經(jīng)求出的電壓與結(jié)溫的關(guān)系曲線得到led的結(jié)溫。
有益效果：本發(fā)明利用脈沖法測量大功率led結(jié)溫，相比傳統(tǒng)的小電流k系數(shù)法更簡便，快捷，準確；能夠分別測量led的結(jié)溫和器件的表面溫度和達到穩(wěn)定狀態(tài)時兩者之間的熱阻；可以測量結(jié)溫和照度的關(guān)系。
本發(fā)明通過脈沖電流法對常見的大功率白光led燈珠的結(jié)溫和器件表面溫度進行了測量，深入研究了led燈在升溫和降溫過程中結(jié)溫的變化規(guī)律，并給出了結(jié)溫和表面溫度的關(guān)系，對工程技術(shù)領(lǐng)域中的led結(jié)溫研究具有實際意義。
附圖說明
圖1是現(xiàn)有技術(shù)中封裝的led示意圖；
圖2是基于脈沖法的led結(jié)溫測量裝置示意圖；
圖3是led在不同脈寬的脈沖電流下結(jié)溫隨時間的變化關(guān)系示意圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步的說明。
如圖1所示，常規(guī)封裝的led芯片被包裹，其結(jié)溫tj很難被測量，可用溫度傳感器測量的一般均為表面溫度tb。當led處于正常的工作狀態(tài)時，芯片和表面之間會存在溫度差和熱流。
如圖2所示基于脈沖法的led結(jié)溫測量裝置包括led特性測試儀a、熱特性溫控儀b、激勵電源c、照度檢測探頭和溫控測試臺d。
led特性測試儀顯示部分包含電壓表1、電流表2、照度表3。電壓表顯示范圍為-9.99～9.999v，最小分辨力1mv；電流表顯示范圍為正向0～999.9ma，最小分辨力0.01ma，反向-19.99～0μa，分辨力0.01μa；照度表顯示范圍為0～19990lx，最小分辨力1lx。開機前，電源輸入口4和激勵電源輸出14相連，led信號口5與測試臺led接口21相連，光探頭9與測試臺探頭18相連。
處于未測試狀態(tài)時，三只表均只在最低位上顯示一個0，以區(qū)別于測試狀態(tài)時的實際測量值。測試儀具有電壓電流方向切換功能(按鈕8)，該功能用于測量led的正向或反向電學特性。測試儀在做正向?qū)嶒灂r具有直流/脈沖驅(qū)動切換功能(按鈕7)，在脈沖模式下，脈寬為固定值10μs，還可選擇三種不同的占空比，分別為1∶50、1∶100、1∶1000，直流模式下占空比為1∶1。長按直流/脈沖切換按鈕2秒，可進行直流或脈沖之間的相互切換，短按直流/脈沖切換按鈕可在三種不同脈沖占空比下進行切換。測試儀開機默認為直流驅(qū)動模式，且處于正向未測試狀態(tài)。
熱特性溫控儀控溫范圍室溫～120.0℃，控溫最小間隔10℃，可通過黨委控制旋鈕13調(diào)節(jié)，控溫精度優(yōu)于0.5℃，溫度顯示分辨力0.1℃。加熱電流通過接口12與溫控測試臺加熱電源口24相連?？販胤绞綖橥ㄟ^加裝在led底座上的半導體陶瓷片23單向加熱，自然散熱，無制冷功能。溫度顯示屏10上短暫顯示目標溫度和長時間顯示測量溫度。當溫控儀上的工作/停止按鈕切換為工作時，溫度顯示屏旁邊的工作指示燈亮，加熱腔將根據(jù)目標溫度進行控溫，當切換為停止時，溫度顯示屏旁邊的工作指示燈滅，加熱腔停止控溫，但溫控儀會顯示測量溫度。每次更換目標溫度時，先按下溫控儀上的工作/停止按鈕，使其處于停止狀態(tài)，然后重新設(shè)置目標溫度，設(shè)置好目標溫度后再按一次工作/停止按鈕，使其處于工作狀態(tài)。
激勵電源為led提供驅(qū)動電源，有穩(wěn)壓與穩(wěn)流兩種輸出模式，輸出電壓和電流值分別顯示窗口15和16。其中，穩(wěn)壓模式分為0～4v和0～36v檔，穩(wěn)流模式分為0～40ma和0～350ma檔?？赏ㄟ^激勵電源面板上的按鍵進行相應(yīng)檔位切換并可通過旋轉(zhuǎn)編碼開關(guān)17實現(xiàn)電壓電流輸出的大小調(diào)節(jié)，順時針旋轉(zhuǎn)增加電壓電流輸出，逆時針旋轉(zhuǎn)減小電壓電流的輸出，且編碼開關(guān)旋轉(zhuǎn)越快，電壓電流值改變幅度越大。由于編碼開關(guān)調(diào)節(jié)時存在一定的最小調(diào)節(jié)間隔，且不同檔位最小間隔不同，所以電流或電壓不能進行連續(xù)調(diào)節(jié)。當測試儀未處于測試狀態(tài)時，若順時針旋轉(zhuǎn)編碼開關(guān)，此時激勵電源會出現(xiàn)報警(指示燈6)，按復(fù)位鍵可停止報警。
溫控測試臺包含加熱腔、溫度傳感器、待測led19、透明防風罩20和照度檢測探頭18。溫度傳感器采用pt1000，照度檢測探頭用于檢測當前位置led出射光的照度值，并與測試儀的照度表一起構(gòu)成照度計。照度檢測探頭所采用的照度傳感器的光譜響應(yīng)接近人眼視覺的光譜靈敏度特性，峰值靈敏度波長為560nm。照度表示被照射主體表面單位面積上所得到的光通量，符號用e表示，單位為勒克司，lx或lux。當發(fā)光強度不變時，照度與光發(fā)射距離的平方成反比。
利用該led結(jié)溫和照度測量裝置并基于脈沖法測量led結(jié)溫具體包括以下兩個步驟：
(1)獲得電壓與結(jié)溫的關(guān)系曲線。
通過給led注入恒定的窄脈沖電流，使得通電時間內(nèi)產(chǎn)生的熱量對結(jié)溫溫升的影響有限，脈沖電流幅值與額定工作電流相等，同時通過減小占空比使得脈沖電流斷開后熱量有足夠的時間散出去。確定脈沖源后，測量led在不同溫度下的正向電壓，由于在熱平衡條件下結(jié)溫等于環(huán)境溫度，于是可獲得額定電流下正向電壓與結(jié)溫的關(guān)系曲線。
(2)在led正常工作時，通過測量led兩端電壓，根據(jù)已經(jīng)求出的電壓與結(jié)溫的函數(shù)關(guān)系得到led的結(jié)溫。
與小電流k系數(shù)法相比，脈沖法最大的好處就是無需改變原來系統(tǒng)的連接關(guān)系，可直接測量。而且由于可以選取led的工作電流為測試電流，因此，一旦結(jié)溫與電壓的關(guān)系確定，只需要想辦法讀取待測led兩端的電壓數(shù)據(jù)，而不需要專門的測試電源對led供電，也就不用改變原來系統(tǒng)的連接關(guān)系，因而使得測試過程大大簡化。
如圖3所示是led在不同脈寬的脈沖電流下結(jié)溫隨時間的變化關(guān)系，可以看出，當脈沖電流脈寬較大、占空比較大時，結(jié)溫的增量δt將隨著時間累積增加；而脈寬越小時，一個脈寬作用下引起的溫升δt也越小，若在第二個同樣的窄脈沖到來之前，led有足夠長的散熱時間，即占空比足夠小，那么前一個脈沖引起的溫升將得到抵消，當?shù)诙€、第三個...脈沖來臨時，將重復(fù)第一個脈沖周期內(nèi)的結(jié)溫變化情況。
脈沖法測量led結(jié)溫的關(guān)鍵在于脈沖源必須保證工作電流下led沒有嚴重的自熱行為，這就包括脈沖的寬度和占空比的選擇。
脈沖寬度越小，占空比越小，通電電流引起的溫升就越小，結(jié)溫測量越準確。設(shè)芯片面積為1.2×1.2mm2，厚度為0.2mm，ingan襯底。由于外延層很薄，忽略外延層材料與襯底之間的差異，不考慮電極的影響，那么芯片的體積為2.88×10-4cm3，ingan的密度約為6.15g/cm3，故芯片質(zhì)量m約為1.77×10-3g。比熱容c約為0.5j/(g·k)；工作電流i為0.35a，室溫時工作電壓u約3.24v，其中，約85％的電功率轉(zhuǎn)變?yōu)闊?，那么在不考慮芯片向周圍環(huán)境散熱的情況下，led接通電流后，短時間內(nèi)，led芯片的溫升δt與時間t的關(guān)系可由下式表示：
其中，η為電功率轉(zhuǎn)換為熱的轉(zhuǎn)換率。由上式可知，若在一個脈沖寬度為10μs的窄脈沖作用下，led芯片的溫升δt約為0.01℃，和室溫相比可忽略不計。
確定脈寬后，再來考慮占空比，或者說散熱時間的確定。若散熱時間不夠，降溫小于升溫，則溫升會隨著時間進行積累，若對每一個脈寬內(nèi)某固定點進行電壓采樣，根據(jù)電壓和結(jié)溫的對應(yīng)關(guān)系，若結(jié)溫隨時間累積變化則采樣的電壓也會隨時間變化，若電壓不隨時間變化，說明降溫抵消掉了之前的升溫，即此時選擇的占空比能使led有足夠的散熱時間。