发光二极管光照度的研究

王 莉，王庆禄

（1. 唐山师范学院 物理系，河北 唐山 063000；2. 唐山师范学院 现代教育技术中心，河北 唐山 063000）

物理与应用物理

发光二极管光照度的研究

王 莉1，王庆禄2

（1. 唐山师范学院 物理系，河北 唐山 063000；2. 唐山师范学院 现代教育技术中心，河北 唐山 063000）

研究了白光LED、红光LED、绿光LED和蓝光LED的光照度与工作电流、工作电压和输入功率的关系。结果表明，当工作电流或工作电压增大时，白光LED、红光LED、绿光LED和蓝光LED中的任何一种光源的光照度均随之增大；在工作电流或者输入电压相同的情况下，白光LED的光照度最大，红光LED的光照度最小；曲线拟合结果表明，白光LED的光照度随工作电流或输入电压基本呈现线性增长的趋势。此外，还分析了LED光照度随工作电流或者输入电压或输入功率的线性变化的原因。

LED；光照度；工作电流；工作电压；输入功率

1 引言

作为固体发光元件，发光二极管（Light Emitted Diode，简称LED）除了应用于平面显示以外，还可用于照明[1-3]、医疗器械[4-6]、农业生产[7,8]等许多领域。

光照度是物体单位面积上所得到的光的量，用来表示物体被照亮的程度。被光均匀照射的物体，在1 m2面积上得到的光通量是1流明时，它的光照度是1勒克斯（Lx）。有时为了充分利用光源，常在光源上附加一个反射装置，使得某些方向能够得到比较多的光通量，以增加这一被照面上的光照度。光照度可以被照度计直接测量。虽然光照度不像光强度、光亮度那样直接代表光源的发光能力，但是它代表了光源发出的光的实际效果，比较直观地反映了光源的发光能力。

在器件设计与实际应用中，发光二极管的光照度是必须要考虑的一个技术参数。谭家杰和邹常青[9]设计了以单片机为基础的LED光照度测量系统，研究了LED的光照度与电压之间的关系，他们发现，采用二次曲线拟合，测量值与拟合值能很好地符合。侯明月等人[2]研究了1 W级大功率白光LED光源的伏安特性、光照度和发光效率与输入电流的变化关系，分析了1 W级白光LED光源在实际应用中需要注意的几个方面。他们发现，LED光源的光照度随着工作电流的增加基本上按照线性的趋势增长，并指出，为了使LED光源真正实现高效照明，要综合考虑电流、发光效率、温度等主要因素。可见，工作电流与电压都是影响发光二极管光照度的重要因素。单管LED光源光照度不均匀，当它到所照射的目标物距离比自身尺寸大很多时，往往可将它视为点光源[5]。所以在实际应用中，为了得到光照度比较均匀的LED光源，要对单管LED光源进行二次均匀配光[10,11]，或者将多个单管LED光源做成阵列[12-15]。因此，研究发光二极管光照度的影响因素有着非常重要的实际意义。

2 实验测量

实验数据的采集在GDS-IV型综合实验平台上完成，实验用LED光源是深圳创想光电有限公司生产的F5mm直插LED，工作电压3.0 V-5.0 V，工作电流20 mA，可发白、蓝、绿、红等色光。所使用的驱动电路图如图1所示，利用Origin Lab软件进行曲线拟合。

图1 测量LED光照度的驱动电路图

3 实验结果及讨论

对白光LED、红光LED、绿光LED和蓝光LED的工作电流和电压分别进行了测试，图2给出了光照度随着工作电流的变化关系。可以看出，随着工作电流的增大，白色、红色、绿色或者蓝色LED的光照度也相应增大。在相同的工作电流下，白光LED光照度最大，红光LED的最小。

图2 LED光照度随工作电流的变化关系

图3给出了白光LED、红光LED、绿光LED和蓝光LED光照度随着工作电压的变化关系。由图可见，随着工作电压的增大，白色、红色、绿色或者蓝色LED的光照度也相应增大。在工作电压相同的情况下，白光LED、绿光LED、红光LED的光照度顺次减小。

图3 LED光照度随工作电压的变化关系

图4给出了LED光照度随输入功率P的变化关系。由图可见，随着功率的增大，白光、红光、绿光或者蓝光LED的光照度基本上按照线性关系相应增大。当输入功率P在20 mW~80 mW的区间取某一固定值时，白光、蓝光、绿光和红光LED光照度顺次减小。

图4 LED光照度随功率P的变化关系

图5和图6分别给出了白光LED光照度随工作电流I和输入电压V的拟合结果，它们基本满足线性拟合关系。LED光照度随着工作电流和输入电压的变化呈线性关系。实验中LED到照度计受光面的距离远大于LED自身的线度（5 mm），因而可以将其视为点光源[5]。点光源在面元dS上产生的光通量为dφ，它在距离该点光源r处的光照度E为[5]：

其中I光源为点光源的光强，θ为点光源发出的原光束的光轴与面元的法线之间的夹角。整个实验中r和θ均保持不变，故E与I光源成正比。考虑到LED光源的光能全部由输入它的电能转换而来，故I光源与输入电功率P成正比，则有：

其中η为比例常数，I、V和P分别为工作电流、输入电压和输入功率。由(2)式可知，LED光照度随工作电流或者输入电压或者输入功率的增长而线性增大。

图5 白光LED光照度随工作电流变化的线性拟合

图6 白光LED光照度随输入电压V变化的线性拟合

4 结语

通过比较所得实验数据，我们发现：

（1）当工作电流、工作电压增大时，白光LED、红光LED、绿光LED和蓝光LED中的任何一种光源的光照度均随之增大。

（2）在工作电流或者输入电压相同的情况下，白光LED的光照度最大，红光LED的光照度最小。

（3）对比白光LED的光照度随工作电流或输入电压的实验曲线和拟合曲线，发现白光LED的光照度随工作电流或输入电压基本上呈现线性增长的趋势。

在发光二极管的实际应用中，发光二极管的光照度强度是一个非常重要的技术参数。因此，在实际应用中可以根据需要，通过改变工作电流或工作电压的方式来调整LED光源的光照度。

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（责任编辑、校对：孙海祥）

Investigation on Intensity of Illumination of Light Emitted Diode

WANG Li1, WANG Qinglu2

(1. Physics Department, Tangshan Normal University, Tangshan 063000, China; 2. Modern Education Technology Center, Tangshan Normal University, Tangshan 063000, China)

The intensity of illumination of white light, red light, green light or blue light LED varies with working current, working voltage, or input power is investigated. It shows that: The intensity of illumination of white light, red light, green light or blue light LED increases with the increasement of working current, working voltage or input power. The intensity of illumination of white light LED is the largest while the intensity of illumination of red light LED is the smallest for the same working current or working voltage. Besides, the intensity of illumination of the above LEDs varied with either working current or input voltage is fitted by the linear fix, and the linear variation of the intensity of illumination of the above LEDs with either working current or input voltage is analyzed.

LED; intensity of illumination; working current; working voltage; input power

TN312+.8

A

1009-9115(2015)02-0026-03

10.3969/j.issn.1009-9115.2015.02.008

唐山师范学院博士基金项目（07A04），唐山市科学技术研究与发展计划项目（11140202 A）

2014-11-19

王莉（1972-），女，河北唐山人，博士，副教授，研究方向为低维半导体物理。