作为替代白炽灯、荧光灯的新一代光源,白光LED以其节能、环保、长寿命、体积小等优点而得到国内外研究者的普遍关注,目前已经被广泛应用在信号指示灯、家庭照明、室外照明、手机背光等领域。然而,要实现LED在通用照明领域的更多突破,LED自身的一些问题亟需得到解决,例如成本过高、发光效率不高、散热问题等^[1]。LED芯片的节能、长寿命和可靠性需要合理的驱动方式来实现,目前大多数LED是采用恒流驱动。最近,Bath大学的学者发现,利用脉冲驱动可以提高LED的量子效率和电流密度饱和点。Jinno等^[2]提出了可以提高人眼“视觉亮度”的新型脉冲驱动方式。与恒流驱动相比,脉冲驱动可以在保持电压不变的情况下,通过调整脉冲占空比灵活改变LED的色彩和饱和度。本实验采用1 W大功率白光LED作为研究对象,分别在直流和脉冲两种驱动模式下进行实验研究,对比分析了白光LED在不同驱动模式下的性能差异。解释了脉冲驱动能够提高“视觉亮度”的机制,为脉冲驱动的实际应用提供实验支持。 1 实验装置与过程

输出的方波脉冲信号可以通过调节数字信号发生器的频率、电位、幅度和占空比得到,当脉冲信号稳定后,示波器记录下电路的总电压波形图和小电阻两端的电压波形图。为了能够得到可靠的实验结果,实验中采用同一批次的1 W大功率LED灯珠作为测试样品。其中灯珠的电压为3.0～3.4 V,色温为3 200～3 500 K,并且在暗室中分别以直流和脉冲电源驱动样品^[3]。为了方便实验,实验中不改变脉冲驱动LED的参数,而是调节直流驱动LED的电压值。当20名观察者认为两者亮度相同时,记录其电流和电压值,得到平均电流值。在此平均电流驱动下,测量其光效、色纯度,与脉冲驱动下的参数作对比。白光LED光色电性能是采用光谱分析仪、数字电参数测量仪和直径为0.3 m的积分球测量获得的。为了能够在脉冲驱动下得到LED的峰值电流,在电路中串联了一个采样小电阻,具体的实验电路装置图如图 1所示。

图 1

Fig. 1

图 1 实验电路装置示意图 Fig. 1 The diagram of the experimental circuit device

与参考文献^[3]中不同,本实验将两个电压信号输入示波器同一个界面,调节示波器,使显示的两个波形图同步同相位。这样,可以更加准确地测试出经过LED的瞬时峰值电流,避免了在示波器测试过程中,因为电平不在同一位置而引起的误差,记录的脉冲电压信号如图 2所示。

图 2

Fig. 2

图 2 总电路和小电阻两端的电压脉冲信号 Fig. 2 The total voltage and the voltage of small resistance under pulse drive

白光LED发光稳定后,白光LED两端的电压可以通过示波器记录的两电压通道的差值得到,LED的峰值电流可以通过小电阻两端电压与其阻值的比值求出,从而计算得到脉冲白光LED的平均电流

式中,R和U_R分别为小电阻阻值及其两端的电压,D为脉冲信号占空比,I₀为通过LED的峰值电流。 2 实验结果与讨论

当观测者观测到脉冲LED和直流驱动LED的“视觉亮度”一致时,脉冲驱动的总电压U=4.4 V,采样电阻两端的电压U_R=640 mV,由于小电阻的阻值R=1.23 Ω,则经过脉冲LED的峰值电流I=520.3 mA。LED发光亮度的变化可以用电流值来表示,而在脉冲驱动下LED的正向电流受脉冲占空比的影响。表 1给出了 “视觉亮度”一致时,不同占空比的脉冲电流值和对应的直流驱动电流值。从表 1中可以看出,脉冲驱动下的正向电流值明显比直流情况下的小,并且随着占空比增大,两种驱动下的电流值逐渐接近;当占空比为70%时,两者趋于相等;当占空比大于70%时，脉冲驱动电流又低于直流驱动。

表 1(Table 1)

表 1 脉冲与直流驱动下的电流值及其比值 Tab. 1 The current value under the pulse drive and DC drive 占空比/% 直流驱动电流/mA 脉冲驱动电流/mA 比值(直流/脉冲) 20 186 104 1.788 30 235 156 1.506 40 256 208 1.231 50 305 260 1.173 60 355 312 1.138 70 397 364 1.091 80 498 416 1.197

表 1 脉冲与直流驱动下的电流值及其比值 Tab. 1 The current value under the pulse drive and DC drive

在脉冲驱动下人眼感觉到的“视觉亮度” 是有效光强,并非LED的实际发光亮度。Ohno等^[4]提出一种修正的Allard法,应用瞬时脉冲光强与视觉脉冲响应函数的卷积表示光脉冲的有效发光强度

图 3给出了在“视觉亮度”一致时其发光效率的变化曲线图。从图中可以看出,当脉冲占空比D小于70%时,直流驱动下的发光效率明显高于脉冲驱动;当D=20%时,直流的发光效率是脉冲的2.5倍。这主要是由于脉冲驱动的平均电流值为104 mA,驱动电流过低,导致产生的光通量很低。当脉冲驱动电流的占空比为30%时,其光效明显有一个剧增的趋势,这主要是由于低电流驱动下脉冲LED的光通量随驱动电流的增加幅度比较大造成的。当D>70%时,脉冲驱动下的发光效率明显高于直流驱动的发光效率。从图中还可以看出,直流驱动下LED的发光效率衰减接近线性,而当脉冲占空比在30%～70%之间时,脉冲LED的发光效率几乎趋于相等。这说明了直流驱动下LED结温的急剧增加,导致芯片的蓝光偏移,荧光粉的效率下降^[7,8],同时使芯片内的载流子溢出了势垒,降低了光子的复合率^[9]。而当用脉冲驱动时LED结温的增加没有直流驱动时的明显。

图 3

Fig. 3

图 3 发光效率的变化曲线图 Fig. 3 The changing curve of luminous efficiency

图 4给出了“视觉亮度”一致时,脉冲和直流驱动下色纯度的对比曲线。从图中可以看到,在“视觉亮度”一致时,脉冲驱动LED的色纯度比直流驱动的偏低,说明其光源更接近等能白光。这是由于在脉冲驱动时其冲击电流比较大,芯片InGaN/GaN多量子阱区发生强烈的极化效应,引起芯片内量子限制斯塔克效应^[10,11],造成LED峰值波长发生蓝移,从而导致其光谱更接近等能白光光谱,增强白光LED对人眼的刺激响应,因此进一步增强了脉冲驱动下白光LED的“视觉亮度”。

图 4

Fig. 4

图 4 脉冲和直流驱动LED光源的色纯度对比 Fig. 4 Color purity for pulse-driven LEDs and DC-driven LEDs

对同一批次规格参数完全相同的白光LED,利用脉冲和直流两种驱动模式驱动。在“视觉亮度”一致时,对比其光色电性能。发现在脉冲驱动情况下,白光 LED的峰值波长发生蓝移,色纯度降低使其接近等能白光,增强了对人眼的亮度刺激响应。同时结合人眼视觉惰性的特性,对脉冲驱动在占空比比较低时,虽然LED驱动电流明显比直流驱动情况下要小,但却能与其达到相同的“视觉亮度”做了理论分析。