用于水下集魚燈的LED發(fā)光板研究

熊正燁等

摘要：用摻入Ce∶YAG熒光粉的樹脂封裝藍(lán)光LED芯片，研制可用于水下集魚燈的大功率LED發(fā)光板，并系統(tǒng)地測(cè)量其電流、電壓特性和發(fā)光特性。測(cè)量結(jié)果表明：輸入電流較小時(shí)（小于0.5A），電流與電壓之間的關(guān)系可用指數(shù)函數(shù)描述，輸入電流較大時(shí)（大于2.0A），電流與電壓的關(guān)系可用線性函數(shù)描述；LED發(fā)光板在450 nm處有發(fā)光峰值，為藍(lán)光芯片的自身發(fā)光，在550 nm附近有較寬的發(fā)光峰，為封裝樹脂中摻入的Ce∶YAG熒光粉的發(fā)光；LED發(fā)光板的流明光效最大值接近120 lm/W，在輸入電功率接近100 W時(shí)，其流明光效仍接近90 lm/W。

關(guān)鍵詞：LED發(fā)光板；水下集魚燈；設(shè)計(jì)；流明效率

中圖分類號(hào)：O482.31； TN312.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1161（2014）07-0028-03

相對(duì)于傳統(tǒng)白熾燈和熒光燈，高亮度LED能耗更低、更環(huán)保，因此在顯示屏背光源、醫(yī)用儀器、移動(dòng)通訊等方面廣泛應(yīng)用。高功率LED可以將350 mW甚至更高的功率集中于一個(gè)LED單元中。傳統(tǒng)電光源的功率轉(zhuǎn)換效率為10%左右，而高亮度LED的電光轉(zhuǎn)換效率可高達(dá)15%～25%，需要耗散大量能量。如果這些熱量不能及時(shí)散發(fā)出去，會(huì)導(dǎo)致LED的發(fā)光效率和發(fā)光壽命降低。因此，大功率LED燈光系統(tǒng)都配有相應(yīng)的散熱裝置，例如LED路燈一般配備較重的散熱裝置。

在燈光捕魚作業(yè)中，為提高捕魚效率，人們用掛在船邊的人造光源產(chǎn)生光場吸引魚群。事實(shí)上，很多經(jīng)濟(jì)魚類對(duì)這種視覺刺激有反應(yīng)，會(huì)游向光源并在燈船附近聚集。按懸掛的位置，集魚燈可分為水上和水下2種。水上燈常采用高亮度的金鹵燈；水下燈則有多種選擇，既可使用金鹵燈，也可使用新型集魚燈具，譬如LED水下集魚燈。在此情況下，研制用于LED集魚燈具的發(fā)光板，并對(duì)其發(fā)光特性進(jìn)行系統(tǒng)研究。

1 LED發(fā)光板的設(shè)計(jì)及測(cè)量

1.1 LED發(fā)光板的封裝

按設(shè)計(jì)要求，水下集魚燈的光功率為1 kW左右，分成10片功率約為100 W的集成發(fā)光芯片。每片集成發(fā)光芯片由200個(gè)額定功率為0.5 W的LED芯片組成。發(fā)光板的電路如圖1所示。

圖1中，每個(gè)二極管都是一個(gè)LED芯片，200個(gè)芯片都被摻有Ce：YAG熒光粉的樹脂密封；方片和橢圓片裸露在外，用于外接電源，方片接正極，橢圓片接負(fù)極。

集成LED發(fā)光板封裝過程與標(biāo)準(zhǔn)LED封裝過程基本相似：在絕緣導(dǎo)熱基板上印上薄層黃銅，作為焊接點(diǎn)和導(dǎo)電線路，在相應(yīng)位置焊上熱沉，貼上LED晶片，焊接引線，最后用摻有一定量熒光粉的封裝樹脂密封整個(gè)發(fā)光板的發(fā)光面。封裝完成后的LED發(fā)光板示意圖（單顆LED晶片剖視圖）見圖2。

1.2 LED發(fā)光板的電流、電壓特性測(cè)量

將正偏直流電壓加在集成LED發(fā)光板的兩接線端（圖1中左右2個(gè)接線端，方片端接正，橢圓片端接負(fù)），逐漸增大偏壓，同時(shí)監(jiān)測(cè)流過LED發(fā)光板的電流。

1.3 LED發(fā)光板的發(fā)光特性測(cè)量

使用浙大三色SPR-600恒溫積分球和SPR-3000快速光譜輻射分析儀組成光度測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)量LED發(fā)光板的發(fā)光特性。將LED發(fā)光板固定在SPR-600恒溫積分球中，通以直流電，以SPR-3000測(cè)量LED的發(fā)光譜和流明效率。在測(cè)量發(fā)光譜的同時(shí)，測(cè)量發(fā)光板的流明數(shù)。在此過程中，監(jiān)測(cè)施加于LED發(fā)光板的電流和電壓，以計(jì)算LED發(fā)光板的輸入電功率。根據(jù)發(fā)光流明數(shù)和輸入電功率計(jì)算出流明光效。

2 LED 發(fā)光板測(cè)量結(jié)果分析

2.1 發(fā)光片的電流、電壓特性

LED發(fā)光片的電流與電壓關(guān)系如圖3所示。圖中橫坐標(biāo)為施加于LED發(fā)光片的電壓，縱坐標(biāo)為流過發(fā)光片的總電流，圓點(diǎn)為所測(cè)電流、電壓數(shù)據(jù)點(diǎn)。圖2給出了通電電流較?。ㄐ∮?.5 A）時(shí)和較大時(shí)（大于2.0 A）相應(yīng)的擬合曲線。通電電流小于0.5 A時(shí)，通電電流I與所加電壓U之間的關(guān)系可用下式表示：

由于所加電壓為10個(gè)LED芯片上的電壓降，所以式（1）中的U/10為施加于單顆LED芯片上的平均正向偏壓；e為電子的電量；k為玻爾茲曼常數(shù)；T為室溫，約為300 K；I0為反向電流，約為0.087 fA。

從擬合結(jié)果可知，當(dāng)電流較小時(shí)，理想因子約為2；電流較大時(shí)，半導(dǎo)體的體電阻和引線電阻不能忽略，在電流大于2.0 A時(shí)，電流與電壓之間的關(guān)系可表式為：△I≈1.18△U。即LED發(fā)光板引線等的綜合電導(dǎo)約為1.18 Ω-1。

2.2 LED發(fā)光板的發(fā)光特性

LED發(fā)光板的發(fā)光譜如圖4所示。從圖4中可以看出：LED發(fā)光板在450 nm處有發(fā)光峰值，該發(fā)光峰為LED芯片自身發(fā)光；550 nm附近的發(fā)光峰為封裝樹脂中摻入的Ce∶YAG熒光粉的發(fā)光。由光譜輻射分析儀的色度分析系統(tǒng)結(jié)果可知，其色品坐標(biāo)為：x=0.307 8，y=0.318 2；u=0.198 5，v=0.307 8；顯色指數(shù)為75；色溫為6 890 K。

輸入電流和發(fā)光流明之間的關(guān)系以及輸入電流與流明效率之間的關(guān)系見圖5。圖5中，圓圈表示流明光效，倒三角符表示輸入LED發(fā)光板的輸入電功率。從圖5中可以看出，流明光效在輸入電流約為0.4 A時(shí)達(dá)最大值，接近120 lm/W，雖然與LED極限發(fā)光效率還有一定差距，但仍高于常用電光源。當(dāng)輸入電功率接近100 W時(shí)，流明光效仍能達(dá)到90 lm/W。綜上所述，該LED發(fā)光板可用于制造大功率水下集魚燈具。

3 結(jié)論

為提高水下集魚燈的性能，研制大功率LED發(fā)光板，并系統(tǒng)地測(cè)量其電流、電壓特性和發(fā)光特性。測(cè)量結(jié)果表明：該LED發(fā)光板最大電功率可達(dá)100 W；輸入電流較小時(shí)，電流與電壓之間的關(guān)系可用指數(shù)函數(shù)描述，輸入電流較大時(shí)，電流與電壓的關(guān)系可用線性函數(shù)描述；流明光效最大值接近120 lm/W，即使在輸入電功率接近100 W時(shí)，其流明光效仍不低于90 lm/W。

參考文獻(xiàn)

[1] YUNG K C， LIEM H， CHOY H S. Heat transfer analysis of a high-brightness LED array on PCB under different placement

configurations[J]. International Communications in Heat and Mass Transfer，2014（53）：79-86.

[2] CHEN WEI， SHEN HUI， DING KONGXIAN， et al. The Optimal Design of Solar LED Street Lamp lighting System[J]. Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Sunyatseni，2005， 44（S2）：95-98.

[3] TANG YONG， DING XINRUI， YU BINHAI， et al. A high power LED device with chips directly mounted on heat pipes[J].Applied Thermal Engineering，2014（66）：632-639.

[4] MARCHESAN M， SPOTO M， VERGINELLA L， et al. Behavioural effects of artificial light on fish species of commercial interest[J].Fish， Res，2005（73）：171-185.

[5] CHOI S， ARAKAWA H. Relationship between the catch of squid， Todarodes pacificus Steenstrup， according to the jigging depth of hooks and underwater illumination in squid jigging boat[J]. J. Kor. Fish. Soc， 2001（34）：624-631.

[6] CHEN QINGXIANG， XIONG ZHENGYE， TAN ZHONGMING， et al. Comparison between the catches（Trachurus japonicas andDecapterus maruadsi） around two LED lamps[J]. South China Fisheries Science，2013，9（3）：80-84.

[7] CHITNIS A， KUMAR A， SHATALOV M， et al. High-quality p╞n junctions with quaternary AlInGaN/InGaN quantum wells[J]. Appl.Phys. Lett， 2000（77）：3800-3802.

[8] NAMVAR E， FATTAHI M. Interference effects on the photoluminescence spectrum of GaN/InxGa1-xN single quantum well structures [J]. Journal of Luminescence，2008（128）：155-160.

[9] NISHIURA S， TANABE S， FUJIOKA K， et al. Properties of transparent Ce：YAG ceramic phosphors for white LED[J].Optical Materials，2011（33）：688-691.

[10] CHU MINGHUI， WU QING， WANG JIAN， et al. Calculation of Theoretical Limitation of Lumen Efficiency for White LED[J] Chin. J. Lumin，2009，30（1）：77-80.

參考文獻(xiàn)

[1] YUNG K C， LIEM H， CHOY H S. Heat transfer analysis of a high-brightness LED array on PCB under different placement

configurations[J]. International Communications in Heat and Mass Transfer，2014（53）：79-86.

[2] CHEN WEI， SHEN HUI， DING KONGXIAN， et al. The Optimal Design of Solar LED Street Lamp lighting System[J]. Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Sunyatseni，2005， 44（S2）：95-98.

[3] TANG YONG， DING XINRUI， YU BINHAI， et al. A high power LED device with chips directly mounted on heat pipes[J].Applied Thermal Engineering，2014（66）：632-639.

[4] MARCHESAN M， SPOTO M， VERGINELLA L， et al. Behavioural effects of artificial light on fish species of commercial interest[J].Fish， Res，2005（73）：171-185.

[5] CHOI S， ARAKAWA H. Relationship between the catch of squid， Todarodes pacificus Steenstrup， according to the jigging depth of hooks and underwater illumination in squid jigging boat[J]. J. Kor. Fish. Soc， 2001（34）：624-631.

[6] CHEN QINGXIANG， XIONG ZHENGYE， TAN ZHONGMING， et al. Comparison between the catches（Trachurus japonicas andDecapterus maruadsi） around two LED lamps[J]. South China Fisheries Science，2013，9（3）：80-84.

[7] CHITNIS A， KUMAR A， SHATALOV M， et al. High-quality p╞n junctions with quaternary AlInGaN/InGaN quantum wells[J]. Appl.Phys. Lett， 2000（77）：3800-3802.

[8] NAMVAR E， FATTAHI M. Interference effects on the photoluminescence spectrum of GaN/InxGa1-xN single quantum well structures [J]. Journal of Luminescence，2008（128）：155-160.

[9] NISHIURA S， TANABE S， FUJIOKA K， et al. Properties of transparent Ce：YAG ceramic phosphors for white LED[J].Optical Materials，2011（33）：688-691.

[10] CHU MINGHUI， WU QING， WANG JIAN， et al. Calculation of Theoretical Limitation of Lumen Efficiency for White LED[J] Chin. J. Lumin，2009，30（1）：77-80.

參考文獻(xiàn)

[1] YUNG K C， LIEM H， CHOY H S. Heat transfer analysis of a high-brightness LED array on PCB under different placement

configurations[J]. International Communications in Heat and Mass Transfer，2014（53）：79-86.

[2] CHEN WEI， SHEN HUI， DING KONGXIAN， et al. The Optimal Design of Solar LED Street Lamp lighting System[J]. Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Sunyatseni，2005， 44（S2）：95-98.

[3] TANG YONG， DING XINRUI， YU BINHAI， et al. A high power LED device with chips directly mounted on heat pipes[J].Applied Thermal Engineering，2014（66）：632-639.

[4] MARCHESAN M， SPOTO M， VERGINELLA L， et al. Behavioural effects of artificial light on fish species of commercial interest[J].Fish， Res，2005（73）：171-185.

[5] CHOI S， ARAKAWA H. Relationship between the catch of squid， Todarodes pacificus Steenstrup， according to the jigging depth of hooks and underwater illumination in squid jigging boat[J]. J. Kor. Fish. Soc， 2001（34）：624-631.

[6] CHEN QINGXIANG， XIONG ZHENGYE， TAN ZHONGMING， et al. Comparison between the catches（Trachurus japonicas andDecapterus maruadsi） around two LED lamps[J]. South China Fisheries Science，2013，9（3）：80-84.

[7] CHITNIS A， KUMAR A， SHATALOV M， et al. High-quality p╞n junctions with quaternary AlInGaN/InGaN quantum wells[J]. Appl.Phys. Lett， 2000（77）：3800-3802.

[8] NAMVAR E， FATTAHI M. Interference effects on the photoluminescence spectrum of GaN/InxGa1-xN single quantum well structures [J]. Journal of Luminescence，2008（128）：155-160.

[9] NISHIURA S， TANABE S， FUJIOKA K， et al. Properties of transparent Ce：YAG ceramic phosphors for white LED[J].Optical Materials，2011（33）：688-691.

[10] CHU MINGHUI， WU QING， WANG JIAN， et al. Calculation of Theoretical Limitation of Lumen Efficiency for White LED[J] Chin. J. Lumin，2009，30（1）：77-80.