华中科技大学
硕士学位论文
LED芯片及LED灯具的光学模拟和测试
姓名：张力
申请学位级别：硕士
专业：物理电子学
指导教师：杨振宇
2011-01-03
华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文
摘要
随着LED产业的迅速发展和LED技术的不断进步，LED取代传统光源走向照明领域的趋势越来越明显。传统的LED灯具系统的光学设计，都是在LED产品做出来以后再去测量其光学性能，达不到要求的话就重新修改设计，费时费力。本论文利用光学模拟软件Tracepro建立了LED芯片的简化模型，利用该简化模型来指导LED灯具的设计工作，提高了光学设计的效率，节省了开发成本。
论文首先对市面上性价比较高的7家公司的LED芯片以及几款LED日光灯进行了可靠性测试，并对LED工作电流大小和寿命的关系进行了简要的分析。我们发现LED 的光通量衰减曲线基本满足关系式y=exp(-at)，式中y是相对光输出，a是衰减系数，t 为以小时为单位的点亮时间。在不超过LED芯片最大工作电流以及保证LED灯具照明效果的前提下，适当的增大LED的工作电流，用牺牲LED部分寿命的方式可以达到减少灯具中LED芯片数量，降低灯具成本的目的。
利用光学仿真软件Tracepro建立了LED芯片的简化模型，并拿该简化模型的模拟配光曲线和实际产品的光强分布曲线进行了对比，发现在可以允许的误差范围内，二者基本保持一致。也就是说该简化模型能够比较真实的反应出LED芯片的光强分布，对于我们简化LED灯具的设计过程提供了一种很好的解决办法。通过该简化模型，模拟设计出了几种可以替代传统照明灯具的LED产品。
关键词：LED照明光通量衰减光学模拟 Tracepro 简化模型
光强分布
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Abstract
With the fast development of LED industry and continuous advancement of LED technology, the trends that LED lighting will replace the traditional lighting sources are becoming more and more evident. The traditional optical design of LED lighting system is to measure the optical properties after the lamps are made out, if the product can’t meet the requirements, we must use a lot of time and effort to redesign. In this paper, we use the optical simulation software named Tracepro to build a simplified model of LED chips, and we use this model to guide the design of LED lamps, so that we can improve the efficiency and save the costs.
Firstly we conducted the reliability test of some LED chips and LED fluorescent lamps from 7 LED companies, which have high performance price ratio, and we briefly analyze the relationship between the operating current and lifetime of LED. We found that the curves of luminous flux decay meet the formula y=exp (-at), in which y means the relative light output, a means the attenuation coefficient and t means the lighting hour. If we can make sure that the current not exceed the maximum operating current and ensure the lighting effects, we can increase the current of LED chips properly and sacrifice part of the lifetime of LED to achieve the purpose of reducing the number of LED chips in one lamp and the lighting costs.
We used Tracepro to build a simplified model of LED chips and compared the candela distribution curve of the model to the actual intensity distribution of the LED products, and we found that the two remained the same within the permissible error range. It is said that this model could reflect the true intensity distribution of LED chips, and it provides a good solution to help us simplify the design process of LED lamps. Through this model, we simulated and designed several LED lamps to replace the traditional lighting sources.
Key words：LED lighting Luminous flux decay Optical simulation
Tracepro Simplified model Intensity distribution
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本论文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
学位论文作者签名：
日期：年月日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
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本论文属于
不保密□。
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学位论文作者签名：指导教师签名：
日期：年月日日期：年月日
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1 绪论
1.1 选题背景
目前，国内一些城市的住宅用灯具、景观灯、聚光灯等已经开始使用新型LED节能灯具，但是在一般照明方面，由于LED单位lm的价格居高不下，导致LED在这方面的应用很少。在一般建筑物内，照明用电会占到全部用电的25 %，如果可以找到新式节能光源，则在节能降耗方面可以发挥巨大的作用，LED就是其中的佼佼者。1993年日本的日亚化学公司首先把以氮化镓(GaN) 为衬底的蓝光LED芯片商品化，极大的推动了LED产业的发展；1996年由蓝光LED和黄色YAG荧光粉组合而成的白光LED芯片也成功面世，LED向照明产业迈出了坚实的一步。总之，随着LED技术的不断发展和进步，LED的发光效率在逐步提高，LED单位lm的价格也在逐渐降低，LED用于照明的形势一片大好。
现在中国已经有多个城市及地区在大力发展LED道路照明工程与城市景观工程，希望通过节能降耗来面对日益严峻的全球能源紧缺形势。因此在全球范围的能源极度紧张，中央政府又大力提倡“节能减排”的宏观环境下，大力的推广LED照明必将带来巨大的社会和经济效益[1]。
1.2 国内外研究现状
“绿色照明”是国际上对节约电能、保护环境的照明系统的形象性说法[2]。LED 光源作为“绿色光源”，极大的推动了“绿色照明”的进程。目前推广LED照明在全世界都如火如荼的进行着，其应用前景在全球都掀起了高潮，被业界寄予了厚望。1.2.1 国外研究现状
2001年7月美国能源部启动“下一代照明计划”[3]。从2006年开始，日本的传统白炽灯就已经开始大规模的被半导体灯所取代，欧盟的彩虹计划也已于2000年7月启动[4]。
为了抢占LED照明形成的巨大市场，通用电气、飞利浦、欧斯朗等世界三大照明
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工业巨头，全都启动大规模商用开发计划，与半导体公司合作或并购，成立半导体照明企业[5-6]。
1.2.2 国内研究现状
据统计，在交通灯、汽车尾灯以及家庭照明需求的带动下，2003-2007年，我国高亮度LED管芯市场规模保持年均将近25.0%的增长速度，到2007年我国高亮度LED 管芯市场规模已经突破20亿元[7-8]。
1.3 应用现状
在早期，由于光色、光效和价格等多方面因数的限制，LED 主要应用于指示、显示领域[9]。但是随着白光LED技术的不断成熟，LED单位lm的价格逐渐降低，LED取代传统光源走向照明领域的趋势越来越明显[10]。
1.3.1 普通照明市场
将LED广泛普及应用于普通照明领域是人们最为期待的一件事，但是目前，照明用LED的应用仅仅局限在局部照明、家居装饰照明等方面。为了使LED成为新一代普通照明光源，各半导体公司和企业都在积极开发和设计相关产品。虽然现在LED在单位lm的价格方面还无法与荧光灯相比，但是随着LED光效的迅速提高以及LED产量的不断扩大，LED走向千家万户将不再是梦想。
1.3.2 景观照明市场
主要用于街道、商业中心的装饰照明以及商业照明。在政府的推动下，LED照明已经越来越多地应用到景观照明市场中[11]。据统计，2007年LED用于景观照明的市场规模达到21.2亿元[12]。
1.3.3 背光照明市场
在LED的各种应用当中，用于手机、笔记本、显示器、电视机等液晶屏幕的背光源市场需求量越来越大。由于与传统的CCFL（冷阴极荧光灯）背光源相比，LED有着
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明显的节能优势，环保辐射低，使用寿命长，因此随着LED背光产业的逐步发展，LED 在背光市场的份额在不断增加。
1.3.4 道路交通市场
LED在该领域的应用主要集中在交通信号灯方面。红、黄、绿光LED有亮度高、寿命长、省电等优点，因此被广泛应用在交通信号灯市场。由于LED信号灯的使用寿命长，因此可大幅度降低人工维护及废品处理等方面的成本。另外LED交通灯模块是由若干个串并联的LED单灯组成，其中某条线路发生问题的话并不影响其他线路的工作，可以保证信号灯继续正常工作，并不会像白炽灯那样整体失效。据报道，厦门市的交通信号灯已基本全部替换为LED；上海市则明文规定新上台的交通信号灯必须使用LED。除了被用作交通信号灯外，LED还被广泛应用于隧道灯、指示灯、路灯等方面。
1.3.5 汽车照明市场
作为第4代汽车光源的LED，相比传统的白炽灯和卤素灯，其在汽车照明领域的优势一览无遗，如LED车灯具有响应时间短、能耗低、使用寿命长、抗冲击和振动能力强、色纯度高等诸多特点。LED在汽车外部的主要应用为方向灯、尾灯以及刹车灯，内部应用则为阅读灯以及各种仪器仪表的显示。
1.3.6 安全照明市场
安全照明作为应急照明的一部分，用以确保处于潜在危险之中的人员安全。LED 光源具有良好的抗震性、耐冲击不易破碎、体积小、便于携带、热辐射低、不含汞等可能危害健康的物质等众多优点，因此可广泛应用于开凿隧道、矿山、爆破、军事行动等特殊工作场所或恶劣工作环境之中，如防爆灯、矿灯、应急灯、军用照明灯、安全指标灯、医用手术灯等。
随着LED技术的迅猛发展，其光效在逐步提高，价格逐渐降低，散热问题得到进一步解决，LED照明的应用和发展将更加广泛。特别在全球能源短缺的忧虑再度升高的背景下，LED在照明市场的前景更备受全球瞩目。
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2 LED的发光原理和特点
2.1 LED的发光原理
LED是英文light emitting diode (发光二极管)的缩写，它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，因此LED的抗震性很好。
LED的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶片，由于二者结合处载流子的运动情况，在P区和N区交界面附近会形成一个很薄的空间电荷区，也就是我们常说的PN结。当某些半导体材料两端加有正向电压时，其PN结中的载流子在电场的作用下发生复合，复合过程产生的多余的能量则会以光子的形式释放出来，从而将电能转换为光能，其发光原理如图2-1所示。当LED处于正向工作电压时，即P区接电源正极，N 端接电源负极，电流从LED阳极流向阴极，同时LED会发出从蓝色到红色等不同颜色的光，发光强度则由电流大小来决定。发光颜色主要由LED掺杂的材料以及荧光粉材料共同来决定，例如以氮化镓为衬底的LED芯片发出的光为蓝光，当在其表面涂上一层黄色YAG荧光粉的话，则整个LED芯片发出的光为白光。
图2-1 LED的发光原理图
2.2 LED的光学参数
自然界中的各种物质将其能量转换为光能的过程主要有两种：其一是发光；其二
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是热辐射。LED 作为一种电致发光的半导体固体发光器件，要分析其能量的空间分布情况则要同时涉及到光度学和辐射度学两方面的知识，例如我们通常所说的光通量是用光度学来衡量的，而光功率则属于辐射度学的范畴[13-15]。
LED 的主要光学参数如下：
(1) 光通量（luminous flux ）：指人眼所能感觉到的辐射功率，它等于单位时间内某一波段的辐射能量和该波段的相对光视效率的乘积，单位为流明（lm ），用符号Φ来表示。由于人眼对不同波长光的灵敏度不同，所以不同波长光的辐射功率相等时，其光通量并不相等。图2-2为CIE （国际照明委员会）推荐的平均人眼光谱光视效率(或视见函数)，包括明视觉和暗视觉。
图2-2 人眼的视见函数 对于明视觉，光通量可以用式（2-1）来表示。
()()e 0V m d K d d λλλλ
∞
ΦΦ=∫ （2-1） 式中，()e /d d λλΦ表示辐射通量的光谱分布；()V λ表示光谱的光视效率；m K 表示辐射的光谱效能的最大值，单位为流明每瓦（lm/W ）。在单色辐射（λ=550nm 时）时，明视觉条件下的m K 值为683lm/W 。
(2) 发光强度（luminous intensity ）：简称光强，定义为发光体在给定方向的立体单元d Ω内传输的光通量d Φ除以该立体角单元所得之商，即单位立体角的光通量，单光视效率
波长 (nm) 明视觉
暗视觉
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位为坎德拉（cd ），用符号I 表示，其公式如式（2-2）所示。
d I d Φ=Ω
（2-2） (3) 亮度（luminance ）：光源的亮度定义为光源在给定方向上单位投影面积上的发光强度，单位为尼特（nt ）或坎德拉每平方米（cd/m 2），用符号L 来表示，其公式如式（2-3）所示。
()/cos L d dA d θ=ΦΩ （2-3）
式中，d Φ表示由给定点的束元传输的并包含给定方向的立体角d Ω内传播的光通量；dA 为包含给定点的射束截面积；θ为射束截面法线与射束方向间的夹角。
(4) 光效（luminous efficiency ）：即光源的发光效率，就是用光源发出的总光通量除以它所消耗的功率所得之商，简称光效，其单位为流明每瓦（lm/W ）。发光效率值越高，表明照明器材将电能转化为光能的能力越强，即在提供同等亮度的情况下，该照明器材的节能性越强；在同等功率下，该照明器材的照明性越强，即亮度越大。通常白炽灯和荧光灯的光效分别为15lm/W 和60lm/W ，而LED 的光效则可以达到200lm/W 甚至更高。
(5) 色温（color temperature ）：表示光源光色的尺度，单位为开尔文（K ）。光源的色温是通过对比它的色彩和理论的热黑体辐射体来确定的，当某一光源所发出的光的光谱分布与不反光、不透光完全吸收光的黑体在某一温度时辐射出的光谱分布相同时，我们就把绝对黑体的温度称之为这一光源的色温。色温是表示光源光谱质量最通用的指标，一般用符号Pa 表示。一些常见光源的色温为：标准烛光为1930K ；钨丝灯为2760-2900K ；荧光灯为3000K ；中午阳光为5400K 。
(6) 显色性（color rendering ）：光源对物体颜色呈现的程度称为显色性，也就是颜色的逼真程度。显色性高的光源对颜色的再现较好，我们所看到的颜色也就较接近自然原色；显色性低的光源对颜色的再现较差，我们所看到的颜色偏差也较大。显色性可以用显色指数Ra 来表示，Ra 值越大，则代表光源的显色性越好。Ra 值为100的光源表示，事物在其灯光下显示出来的颜色与在标准光源下一致。
(7) 配光曲线（distribution curve ）：表示一个光源或者灯具发射出的光在空间的
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分布情况。它可以记录灯具的光通量、光源数量、功率、功率因数、灯具尺寸、灯具效率等信息，当然最为重要的还是它记录下了光源或灯具在各个方向上的光强。配光曲线可以用直角坐标来表示，也可以用极坐标来表示，但是通常后者用的比较多[16]。LED的方向性很好，因此在极坐标系中只要0-180°就可以表示出LED的空间光强分布情况。在其配光曲线中，发光强度为最大发光强度值一半的那点所对应的角度即为
θ来表示，如图2-3所示为某一LED在室温为25℃下的配光LED的半值角，通常用
1/2
曲线，其中左边那部分为极坐标系下的光强分布，右边那部分为直角坐标系下其光强分布的情况。通过观察其配光曲线，我们可以看出半值角大约为63°左右。
图2-3 LED的配光曲线
2.3 LED的优点
LED作为一个发光器件，之所以备受人们关注，是因为和其他传统发光器件相比，具备如下优势。
(1)工作寿命长。白炽灯、卤素灯和荧光灯均是采用电子光场辐射发光，灯丝发光易烧坏，光衰减很快；而LED作为一种半导体固体发光器件，体积小，重量轻，抗震性好，较之其他发光器件具有更长的工作寿命，其亮度半衰期通常可达到数万甚至十万小时。如用LED替代传统的汽车用灯，那么它的寿命将远大于汽车本体的寿命，具有终身不用修理与更换的特点。
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(2)耗电量少。节能可以说是LED光源相对其他传统光源来说最大的优势之一。LED是一种低压工作器件，因此在同等亮度条件下，耗电最小，可大幅度降低能耗。在同等照度条件下，LED耗电量是白炽灯的10-20%，是荧光灯的40-50%。而且随着今后材料和生产工艺的不断发展和进步，LED的发光效率将逐步提高，其节能优势将体现的越来越明显。人们作过计算，假如日本的照明灯具全部用LED灯替代，则可减少两座大型电厂，从而对环境保护十分有利。
(3)易于调光、调色，可控性大。LED作为一种发光器件，可以通过调节电流的大小来控制亮度，也可通过不同波长LED的配置实现色彩的变化与调节。因此用LED 组成的光源或显示屏，易于通过电子控制来达到各种应用的需要，与电脑的兼容性不存在任何问题。另外，LED光源在应用上不受空间大小的限制，可塑性极强，可以任意延伸，实现积木式拼装。
(4)体积小，重量轻，抗震性好，响应时间快。
(5)LED光源不含汞、铅等物质，利环保，是当之无愧的“绿色光源”。
2.4 LED的不足
LED光源取代传统光源全面走向照明市场，其需要克服的障碍和技术关键主要是以下几个方面。
(1)发光效率不够高。虽然与白炽灯相比，LED的发光效率已经提高了很多，但是与荧光灯相比，其在发光效率上的优势并不是很明显。只有白光LED的发光效率远高于荧光灯，达到150-200lm/W才会有明显的节能效果，因此LED光源取代传统光源的最大障碍是其发光效率。
(2)单位lm的价格过高。价格是LED光源取代传统光源需要克服的另一障碍。目前LED光源的价格每流明高于0.1美元，是白炽灯价格的100多倍。考虑到性价比和节能效果，虽然会被特殊应用所接受，但LED作为普通光源进入家庭，这样的价格还是一大障碍。
(3)功率LED制造技术。功率LED是实现白光LED取代传统照明光源的关键器件，其基本的关键技术包括以下几个方面。
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1)提高外延片的内量子效率。优化外延片结构，改进外延生长工艺条件，使蓝光、紫光、紫外光外延片的内量子效率能够接近理论值95%。
2)提高大尺寸芯片的外量子效率。为了获得更大的光能量，需要采用大尺寸的功率型芯片，通过设计新型的芯片结构和采用新工艺，使蓝光、紫光、紫外光芯片的外量子效率达到50%以上。
3)提高封装的取光效率。优化和改进封装的光学、热学结构及工艺（如透镜、反射杯、散热通路等），使封装的取光效率接近芯片的外量子效率。
4)荧光粉的制作和涂敷工艺。荧光粉是LED实现白光照明的关键材料，需要尽快研制出效率高、显色性好、性能稳定的荧光粉。另外通过优化工艺参数，如荧光粉与胶的配比，使白光LED的色温、显色指数、流明效率等参数受控，生产出符合应用要求和一致性好的白光LED产品。
只有克服了上述障碍以及在关键技术上取得突破，LED照明才能真正的大放异彩。我相信，随着科技的不断发展和进步，作为第四代照明光源的LED走向千家万户将指日可待。
2.5 本章小结
本节简单介绍了LED的发光原理，提出了一些LED中比较重要的光学参数并对其进行了详细的介绍。另外本节也分别指出了LED在应用上的一些优点和不足，希望LED 可以克服其在技术上的障碍，在照明领域大放异彩。
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3 LED 芯片和灯具的测试 由于目前LED 市场迅速发展，不少有眼光的企业家都斥资成立了LED 公司，但是其中也不乏一些技术不过关的企业。他们都宣称自己的LED 寿命可高达50000h ，甚至有些还告诉客户其产品寿命超过100000h 。为此，我们需要根据美国能源之星提出的LM-79和LM-80标准对市面上性价比较高的一些LED 产品进行测试，从中选出最可靠的几种LED 作为我们模拟的样品，这样我们设计出来的产品才真正的具有市场竞争力。 3.1 单颗LED 芯片的测试
3.1.1 测试方案
电路原理图如图3-1所示。
图3-1 单颗LED 芯片寿命的测试原理图
3路输出
恒流源 30mA
20mA
10mA
LED
LED
LED
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LED 在什么样的电流条件下才能正常工作呢？在厂家给出的LED 产品的规格书中，我们都会找到如图3-2所示的温度-电流曲线。图中由红线以及横纵坐标轴所包围的区域即为LED 的“安全工作区”，也就是说，在特定的环境温度下，LED 的工作电流应该不超过对应该温度时红线以上的数值，这样才能保证LED 正常工作。若电流值过大，则不一定能够保证LED 的安全。
图3-2 LED 的温度-电流特性曲线 由于目前市场上用的最多的LED 芯片的正常工作电流为20mA ，因此我们选取市面上性价比很高的7家公司的LED 产品(其规格书上给出的正常工作电流均为20mA ，最高工作电流不超过60mA)作为测试样品，让每种样品都在低工作电流（10mA ）、正常工作电流（20mA ）、高工作电流（30mA ）这3种工作条件下发光，LED 工作在3种电流条件下的数量为每种电流条件下3颗、一共9颗。
测试步骤如下：
(1) 利用积分球记录下每颗LED 工作在对应工作电流条件下的正向压降，然后根据这个正向压降和电流来确定与LED 串联的电阻值。
(2) 开始测试之前，利用标准灯来对仪器进行校准，保证测试结果的准确性。
(3) 测试初始数据。利用积分球来测量每种LED 在对应的工作电流下所对应的光通量和正向压降，通过带光纤的光谱分析仪来测定每个LED 的初始光谱。每颗LED 的数据都测量3次，然后取平均值。对于工作在一种电流条件下的同种3颗LED ，我正向电流I F （m A ）
环境温度Ta （℃）
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们取其数据再取平均值，就可以得到该种LED 样品在此电流条件下工作的各种数据的平均值。
(4) 每个月测量单颗LED 的光通量1-2次，根据测试数据画出3种工作电流条件下LED 的光通量衰减曲线，通过衰减曲线来大致估计出LED 的实际工作寿命，看衰减曲线是否满足关系式y=exp(-at)，式中y 是相对光输出，a 是衰减系数，t 为以小时为单位的点亮时间。通过频谱分析仪记录下LED 的色坐标和色温，来研究LED 的色度漂移情况。
3.1.2 测试结果及分析 我们先来看下7家不同公司的LED 产品在相同温度和相同工作电流条件下的光通量衰减情况。
(1) 工作电流为10mA ，光通量衰减曲线如图3-3所示。
图3-3 10mA 工作电流下LED 的光通量衰减曲线 从图中，我们可以看出，厂家C 的产品在持续点亮近3000H 以后光通量基本无衰减，与初始值相比还略有增加，在7家公司中产品质量最好。而厂家A 的产品光通量衰减为初始值的91%左右，质量最差。
归一化光通量 时间（h ）
A B C
D
E
F
G
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(2) 工作电流为20mA ，光通量衰减曲线如图3-4所示。
图3-4 20mA 工作电流下LED 的光通量衰减曲线 从图中，我们可以看出，厂家C 和G 的产品在持续点亮近3000H 以后光通量基本无衰减，在7家公司中产品依旧是质量最好的。而厂家A 的产品光通量已经剧烈衰减为初始值的85%左右，质量最差。
(3) 工作电流为30mA ，光通量衰减曲线如图3-5所示。
图3-5 30mA 工作电流下LED 的光通量衰减曲线 归一化光通量 归一化光通量 时间（h ）
时间（h ）
A B C
D
E
F
G
A B C D E F G
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从图中，我们可以看出，厂家C 的产品在持续点亮近3000H 以后光通量只衰减为初始值的97%左右，在7家公司中产品依旧是质量最好的。而厂家A 的产品光通量已经剧烈衰减为初始值的82%左右，质量依旧最差。另外厂家E 的产品在30mA 工作电流下的光通量衰减速度与20mA 工作电流相比急剧增加。
通过上面的数据，我们可以看出，所有厂家的LED 产品在正常工作时其光通量衰减曲线都近似于指数下降关系。假设曲线满足关系式y=exp （-at ），通过测试数据计算得出衰减系数a ，将计算公式对应的曲线和LED 芯片的实际衰减曲线放在一起对比，如图3-6所示，我们可以发现大部分曲线还是大致满足关系式的，偏差很小；而小部分曲线的实际测试结果则与公式偏差较大。我想造成上述现象的主要原因应该是测试本身会存在一定的误差和产品本身有一定的缺陷所造成的，因此还需要进一步的实验数据来证明。另外在不超过最大工作电流的前提下，厂家C 的产品在各种工作电流下的光通量衰减的速度最为缓慢，质量最好；而厂家A 的产品则光通量急剧衰减，质量最差。
图3-6 通过公式得到的衰减曲线与实际衰减曲线的对比 归一化光通量 时间（h ）
C 的实际衰减曲线 公式得到的C 曲线
E 的实际衰减曲线
公式得到的E 曲线
A 的实际衰减曲线
公式得到的A 曲线
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我们再来看下厂家A、C、E三家的产品光通量的衰减与电流大小的关系，其光通量衰减曲线如图3-7所示。
量
通
光
化
一
归
时间（h）
图3-7 不同工作电流下3家公司LED的光通量衰减曲线
从图中，我们不难发现，随着电流的不断增大，3家公司LED产品光通量衰减的速度均有增大的趋势。厂家C的产品光通量的衰减随电流的波动不是很大，而厂家A 和E则变化很明显。厂家A的产品，电流从10mA-20mA变化时，衰减速度明显加大，而从20mA-30mA变化时衰减的速度没有明显加剧；而厂家E的产品，电流从
10mA-20mA变化时，衰减速度没有多大差异，而从20mA-30mA变化时衰减的速度显著加剧。
我认为造成上述变化的主要原因有以下2点：
(1)随着工作电流的不断增加，在LED芯片体积和表面积大小一定的情况下，电流密度也在不断的增加，LED芯片内产生的热量也在不断增多，芯片内的温度也会有所增加。由于温度对LED的寿命影响很大，芯片内温度越高，LED的寿命越短，因此加大工作电流在一定程度上会影响到LED的工作寿命。从图7中我们可以明显的看到加大工作电流后，LED的光通量衰减速度确实加快了。
(2)由于不同公司的LED产品采用不同的芯片和不同的封装工艺生产而成，因此它们在相同工作电流下衰减的速度也会不尽相同。以厂家A和E的产品为例：厂家A
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的产品，电流从10mA-20mA变化时，光通量衰减的速度明显加大，而从20mA-30mA 变化时，衰减的速度没有明显加剧；而厂家E的产品，电流从10mA-20mA变化时，衰减速度没有多大差异，而从20mA-30mA变化时衰减的速度显著加剧。造成上述现象的原因应该是：厂家A的产品在设计生产的时候，其正常工作电流应该实际不到20mA，也就是说当电流超过20mA时，其芯片因为散热能力不足从而导致衰减速度会急剧增加；而厂家E的产品，芯片的正常散热能力只能保证电流大小在20mA-30mA 之间，当电流不超过20mA时，其光通量的衰减还不甚明显，而电流达到30mA以后，因芯片散热不足导致热量在芯片内积累，其衰减速度急剧增加。
通过上面的数据分析，我们可以得到以下结论：
(1)LED的光通量衰减曲线近似满足关系式y=exp(-at)，因此我们可以根据测试数据来大致估计LED在不同工作电流下的寿命。
(2)随着LED工作电流的不断增大，LED的寿命会不断减少，不同厂家的LED寿命降低的速度会存在差异。
3.2 LED日光灯的测试
我们在上面对不同厂家的单颗LED芯片在不同工作电流下的寿命情况进行了简单的测试，从中可以发现不同厂家的产品在单独工作时，其质量水平存在差异，而且在不同的工作电流条件下工作寿命也会存在或大或小的差异。至于用多颗LED芯片组装而成的LED日光灯，其实际的性能以及正常情况下的工作寿命则是我们下面研究的内容。
3.2.1 测试方案
LED不像传统的光源那样会工作到最后因损坏而不亮，而是在工作了很长一段时间后会逐渐变暗以致完全无法达到正常工作的最低水平，因此寿命就只能用光通量下降到初始值的一个指定的百分数来表征。
额定流明维持寿命（L P）定义LED光源维持其光通量为初始光输出的百分比ρ的总工作时间，例如L70（小时）定义为到70%流明维持的时间。