led大功率照明

大功率LED蓝光危害随点灯条件的变化

饶丰;杨武

【摘要】Thechangeofbluelightradiationandtherateofthatwithlumen

ofhighpowerLightEmittingDiodes(LEDs)withdrivecurrent,ambient

ctralofthesameLEDs

withdifferentcurrent,ambienttemperatureandlightingtimearemeasured

withLEDphotoelectricalanalyzerfirstly,andthentherelativebluelight

radiation(Lb)andtherateofthatwithlumen(Lb/Φ)

last,therelationshipsbetweenLb,Lb/Φandlightingconditionsare

ownthatLb,whichmainlydependsedontheradiantpower

ofLEDs,r,asthe

ambienttemperatureandlightingtimeincreases,thebluelighthazard

decreaseslinearlyandexponentially,/Φincreases

exponenaiallyasthedrivecurrentincreases,duetothepeakwavelength

/Φchangeslittlewhentheambienttemperature

increasesfrom20℃to70℃,becausethepeakwavelengthandthefull

ightingtimeincreases,the

phosphordegrades,whichresultsintheincreaseoftherateofbluelightin

LEDspectrum,andthenLb/Φsearchisveryimportantfor

theLEDhealthylightingandtherevisionoflightingsafetystandard.%研究

了大功率白色LED蓝光加权辐射亮度和单位光通量内蓝光加权辐射亮度随驱动电

流、环境温度和点灯时间的变化规律.首先采用LED光色电综合分析仪测量同一批

LED在不同驱动电流、不同环境温度和不同点灯时间时的光谱.然后计算相对蓝光

加权辐射亮度Lb和单位光通量内的蓝光加权辐射亮度Lb/Φ,并得到Lb和Lb/Φ

随点灯条件的变化关系,最后分析了他们变化的原因.研究表明:Lb随驱动电流的增

加线性增大,随着温度的增加而线性减小,随着点灯时间增加呈指数形式减小.Lb变

化主要原因是辐射功率变化,随着驱动电流的增加,LED光谱不断蓝移,导致Lb/Φ呈

指数增加.随着环境温度的增加,虽然LED峰值波长红移,但是光谱逐渐加宽；因

此,Lb/Φ变化较小；Lb/Φ还随着点灯时间的增加而不断增加,这主要是由于荧光粉

性能不断退化,蓝光在光谱中的比例不断增加所致.该研究对LED健康照明和光生物

安全标准的修订具有重要意义.

【期刊名称】《科学技术与工程》

【年(卷),期】2013(013)023

【总页数】5页(P6806-6809,6814)

【关键词】蓝光危害;发光二极管;点灯时间;环境温度;驱动电流

【作者】饶丰;杨武

【作者单位】常州工学院光电工程学院,常州213002;杭州创惠仪器有限公司,杭州

310015

【正文语种】中文

【中图分类】O432.2

发光二极管(LightEmittingDiode，LED)具有重量轻、体积小、能耗低、响应速

度快、抗震性能好、节能环保等优越的性能，是最有潜力的下一代光源［1，2］。

随着LED技术的不断进步，LED光效和功率不断增大，亮度也不断提高。过去

LED出射光不会对人体造成危害的时代已经一去不复返［3］，因此，研究LED产

品的光生物安全性，具有重要的意义。

2002年国际照明学会出版了CIES009/E:2002;规定了灯和灯系统生物安全六大

测试项目及其安全限值。2006年，国际电工委员会等同采用该标准，出版了

IEC62471:2006。由于lEC在安全方面的巨大影响，灯具光生物安全迅速得到人

们的重视。2008年，等研究了LED光生物安全测量时遇到的问题和解决

方法［4］。2010年，研究了激光和LED光生物安全的区别［5］。

2011年，f等分析了光对视网膜的危害的原理和人眼的自我保护机制

［6］。2012年，和sky研究发现LED照明对儿童和青少年

的潜在危害比成人更大［7］，、m和v研究

了色温从1800K到18000K的LED灯具的蓝光危害，发现在同样照度下，色

温越高，蓝光危害越大［8］。同年，陈慧挺等对大功率LED路灯的光生物安全性

进行了测量［9］，发现蓝光危害是最主要的危害因素。然而，这些研究均是针对

规定温度，规定的老化时间和额定电流下光生物安全进行研究。在实际使用过程中，

LED的光生物安全性随环境温度、随点灯时间和驱动电流变化，而目前鲜有LED

光生物安全随点灯条件变化的分析和实验。

本文选择LED光生物安全最主要的因素——蓝光危害为研究对象，选择功率为1

W、光电性能较均一的大功率白色LED30余只为研究样本，运用LED光色电综

合分析仪，测量环境温度25℃时电流在30～400mA时的光谱，额定电流时，环

境温度在20～70℃时的光谱，以及12周内每老化一周的光谱，然后计算蓝光相

对加权辐射亮度和单位光通量内蓝光相对加权辐射亮度，得到这两个参数随电流、

温度和点灯时间的变化规律，并分析导致变化的原因。该研究对LED照明设计和

检测、LED的标准修订具有重要意义。

1实验

选择Philips公司同型号1W荧光粉转换型白色LED50余只，标称色温5500K，

标称光通量85lm。然后，测量LED实际的光通量和色温，剔除实测值与标称值

差异较大的LED，最后得到30余只LED，作为研究样本。

本研究的实验装置是LED光色电综合测试系统，其结构如图1，数控高精度恒流

电源给待测LED供电，积分球和光谱计能够快速测量待测LED的光通量和光谱分

布，通过电脑处理，可以得到待测LED的色坐标，恒温夹具给LED提供稳定的基

底温度。

图1光色电综合分析系统结构示意图

不同驱动电流下，LED光谱测量时，保持基底温度为(25±1)℃，驱动电流从30

mA开始，每10mA测量一次，一直测到400mA。

不同环境温度下，LED光谱测试时，采用350mA驱动电流，基底温度从20℃上

升至70℃，每隔10℃测量一次光谱。

LED老化实验过程中，保持环境温度(25±1)℃，LED的驱动电流400mA，误差

3%。分别测量12周内，每老化1周后的LED光谱，测试时，基底温度为

(25±0.1)℃，驱动电流为350mA。

为了测量准确，每次测量前稳定10min。

2数据处理

对于调光型LED灯具，一般是通过调节驱动电流的大小，来改变光输出的;对于非

调LED灯具，一般采用恒流驱动，输出与温度、点灯时间变化而变化，因此，选

择蓝光加权辐射亮度(Lb)为研究对象。另外，IEC62471:2006要求测量最佳照度

面上的蓝光危害［10］，此时，对应的光通量相同，因此，还研究了单位光通量

内的蓝光加权辐射亮度(Lb/Ф)的变化关系。

标准IEC62471:2006规定:对于对边角大于0.011弧度的光源，其蓝光加权辐射亮

度L计算公式如下

式(1)中，Lλ(λ，t)是LED的光谱辐射亮度，B(λ)是蓝光危害加权函数，由标准给

出。为了研究的方便，选择1只LED(编号1)为参考对象，并忽略在测量时间(约

20min)内，LED光谱的变化，则其他LED的相对蓝光相对加权辐射亮度Lb为

式(2)中，S(λ，t)为LED的光谱，S1(λ，t)为参考LED的光谱，将不同条件的光谱

代入，即可得到Lb及Lb/Ф随随驱动电流、环境温度和点灯时间的变化规律。

3结果

图2(a)是在不同的驱动电流下，5只LED的Lb随电流的变化曲线，可见:随着驱

动电流的增加，Lb几乎线性不断增加。由于LED结构不同，5只LED的曲线存在

差异，这种差异随着电流的增大而增大。图2(b)是驱动电流从30mA到380mA

时，5只LED的Lb/Ф随电流的变化曲线，可见，随着电流的增加，Lb/Ф也不断

增加，不同LED的变化规律基本相同，变化幅度均约8%。

图2(a)Lb随电流的变化曲线，(b)Lb/Ф随电流的变化曲线

图3(a)Lb随点灯时间的变化曲线，(b)Lb/Ф随点灯时间的变化曲线

图3(a)是30只LED的Lb随点灯时间的变化关系，可见:在前5周内，随着点灯

时间的增加，Lb指数变小;5周后，LED的性能基本稳定，Lb也基本稳定。图3(B)

是随点灯时间的变化曲线，可见，在相同的点灯时间内，不同LED的Lb/Ф大小

不同，这是由于不同LED结构不同，热阻也不同造成的。但是，对于同一LED，

Lb/Ф随点灯时间增加而增大，变化规律一致，12周内变化的幅度约为10%。

图4(a)Lb随环境温度的变化曲线，(b)Lb/Ф随环境温度的变化曲线

图4(a)是10只LED的Lb随温度的变化曲线，可见，随着温度的增加，Lb线性

减小，20℃到70℃内，减小了6%左右。图4(b)是Lb/Ф随温度变化曲线，可见，

随着温度的增加，相同的光通量内下，LED的蓝光危害随着环境温度的增加而增

加，但幅度较小，约2%。

图5蓝光危害加权系数和白色LED光谱

4讨论

图5为蓝光危害加权系数(实线)和荧光粉转换型白色LED的归一化光谱(虚线)，可

见蓝光辐射峰与蓝光危害加权系数吻合，对于荧光粉转换型白色LED，蓝光加权

辐射亮度主要由蓝光芯片的辐射峰决定。

图6(a)～(c)是辐射功率随点灯条件的变化曲线，可见.Lb芯片辐射功率随条件的变

化曲线与蓝光危害的变化曲线高度相关。LED蓝光辐射加权亮度大小主要由芯片

的辐射功率决定。

图6(a)辐射功率随驱动电流的变化，(b)辐射功率随点灯时间的变化，(c)辐射功率

随环境温度的变化

Lb/Ф随归一化蓝光芯片辐射谱的变化而变化。如图7，当驱动电路增大时，光谱

蓝移，半高全宽的变化仅2nm，因此，Lb/Ф不断增大。如图8，随着点灯时间

的增加，峰值波长和半高宽虽然变化不明显，但荧光粉发的光相对减少，LED光

谱中蓝光相对增多，Lb/Ф也就不断增大。如图9，而随着温度的增加，蓝光峰值

波长略红移，但光谱半高全宽略变大，因此Lb/Ф仅略变大2%。

图7(a)不同驱动电流下LED的归一化光谱，(b)峰值波长、半高宽随驱动电流的变

化曲线

图8(a)不同点灯时间下LED的归一化光谱，(b)峰值波长、半高宽随驱动电流的变

化曲线

图9(a)不同温度下LED的归一化光谱，(b)峰值波长、半高宽随驱动电流的变化曲

线

5结论

本文实测不同点灯条件下同一批LED样品的光谱，计算其相对蓝光加权辐射亮度

Lb和相对单位光通量内的蓝光加权加权辐射亮度Lb/Ф，发现Lb随驱动电流的增

加线性增大，随环境温度和点灯时间的增加减小;Lb/Ф随驱动电流、环境温度和随

点灯时间的增加而增大。

LED光生物安全性是目前半导体照明领域的热点问题，研究LED蓝光危害随点灯

条件的变化规律，有利于测算实际照明条件下的蓝光危害，有利于LED健康照明，

有利于LED标准的修订。

参考文献

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