技术领域
[0001] 本
发明涉及LED光电检测方法，尤其涉及一种LED结温的测量装置及其方法。
背景技术
[0002] LED(Light Emitting Diode)已被广泛应用于
信号指示、
液晶背光源、显示、通用照明等领域。但是，LED自身的光电色特性和寿命与结温密切相关。结温升高会导致LED的
发光效率降低、寿命缩短。因此，如何快速、科学、方便地测量LED结温就成为了问题的突破口。
[0003] 目前，国内外标准推荐的LED结温测量方法有：1、正向
电压法，所涉及的
现有技术文献有EIA/JEDEC standard JESD51-1、中国标准200910198965.5、中国
专利200920212653.0、中国专利200910198965.5；2、热阻法，该方法是通过测量LED管脚
温度和芯片
散热的热功率，以及热阻系数来确定结温，测量中需要结合正向电压法来确定热阻系数，所涉及的现有技术文献有标准SJ/T11394-2009；3、基于
光谱特性的峰值
波长法，所涉及的现有技术文献有Third International Conference on Solid State Lighting,Proceedings of SPIE 2010.5187:93-99；4、谷值波长法，所涉及的现有技术文献有
光谱学与光谱分析,2013,33(1):36-39；5、
辐射强度法，所涉及的现有技术文献有光
电子·激光
2009,20(8):1053-1057；6、蓝白比法，所涉及的现有技术文献有Third international conference on solid state lighting,proceedings of SPIE 2010.5187:107-114；7、微拉曼谱法，所涉及的现有技术文献有Phys.Status.Solidi,A202(2005)824；8、中心波长法，所涉及的现有技术文献有Microelectronics Reliability,2013,53(5):701-705；9、基于红外辐射的液晶阵列热成像法，所涉及的现有技术文献有Phys.Stat.Sol(c)1(2004)2429。
[0004] 电压法测量结温是目前结温测量领域的“金标准”，被认为测量结果最可靠，其测试原理和过程如下：
[0005] 正向电压法是利用LED的
PN结电输运的温度效应，通过测量测试
电流Is下的正向电压来测算结温。实验和理论均表明，在恒定电流驱动下，LED两端电压随结温线性变化，即：
[0006] UF(T2)＝UF(T1)+K(T2-T1) (1)
[0007] 式中，UF(T2),UF(T1)分别为结温在T2,T1时的LED正向电压，K为电压-温度系数，一般地，对于AlInGaP和InGaN这两种发光材料，其K值约为-2mV/℃。其测试步骤如下：
[0008] (1)K值的测量。具体方法是，在
选定测试电流Is，保持器件的PN结处于不同的恒定温度场中，测量不同结温下器件正向电压，计算出K。公式为：
[0009]
[0010] 式中：U′2,U′1为
环境温度为T′2,T′1时LED的结电压。测量时，一般要求T′2,T′1相差50℃以上，一般地，Is不大于5％的额定电流。
[0011] (2)工作电流下LED结温的测量。首先，在测试电流Is下，测量LED两端的电压UF(T1)，由于Is很小，对LED的加热也很少，可以认为T1等于环境温度。然后，在
工作温度下，将LED通电保持工作状态，达到热平衡时，断电使LED脱离工作状态，然后在10-5内接通定标电流，并测量正向电压UF(T2)。
[0012] (3)根据公式(1)，计算出LED工作时的结温T2。
[0013] 很明显，电压法测量结温存在一个技术难点：在10-5秒内准确测量标定电流驱动下的电压。目前这个难点已经有解决方案，也有成型的设备，如杭州远方公司的TRA-200LED热阻结构分析系统(价格20万人民币)，但是价格较高。(原因是要使用快速、准确地
数据采集装置，而这种装置价格较高)。
发明内容
[0014] 针对现有技术中采用高速
采样的方法得到电压，对采样速率、
精度要求高，对系统的误差控制要求较高，致使符合条件的电压测试仪器比较贵的问题，本发明提供一种基于惠更斯电桥的、准确可靠、方便简洁的LED结温测量装置及方法，该装置使用成本较低，该方法通过电桥反复比较定标电流Is下LED两端的电压与精密
电阻两端的电压，得到比较准确的UF(T2)，而不是直接高速采集得到UF(T2)，减小了技术难度，降低了仪器成本，并且使用方便，可简单高效地测量LED的结温。
[0015] 本发明的技术方案是：
[0016] 一种用惠更斯电桥测量LED结温的装置，包括电源E和由可变电阻R1、可变电阻R2、可变电阻R3、LED组成的惠更斯电桥，还包括快速转换
开关S1和S‘1，电桥导通与否受开关S1控制，LED通过开关S‘1与工作电源相连，在电桥中间还连接有直流电压
放大器，其输出端连接脉冲展宽器，其输出端连接正向和反向连接的LED阵列。
[0017] 进一步，所述LED连同
灯座设置于恒温器上，两者热
接触良好。
[0018] 进一步，所述LED外部还设有用于防止环境热流动对LED环境温度的影响的玻璃罩。
[0019] 进一步，所述直流电压放大器的放大倍数不小于103,最大输出为4V，输入电阻大于100KΩ。
[0020] 进一步，所述脉冲展宽器能够将900微秒到1100微秒的脉冲电压，展宽为1秒的直流脉冲电压。其他宽度的脉冲电压，不展宽。
[0021] 进一步，所述LED阵列由正反连接，启动电压大于2.2V，小于5V。
[0022] 进一步，所述开关S和S/为快速转换开关，转换时间小于10-5s.(注，一般的
半导体开关可以满足要求)
[0023] 一种用电桥测量LED结温的方法，包括如下步骤：
[0024] (1)K的标定：
[0025] 闭合S1，调节R1和R2，使得流过LED的电流为测试电流Is，所述测试电流Is指小于额定电流10％的电流，此时流过LED的电流比较小，可以认为此时流过LED的电流对于LED结温的影响很小可以忽略不计，此时外界的环境温度近似认为是LED的结温；
[0026] 设定恒温器的温度为T1，待热平衡后，调节R1、R3两个可变电阻箱使LED阵列中两个LED均不发光，表明电桥基本平衡，R3两端的电压就是LED两端的电压UF(T1)；
[0027] 设定恒温器的温度为T2，待热平衡后，调节R1、R3两个可变电阻箱使LED阵列中两个LED均不发光，即电桥平衡，R3两端的电压就是LED两端的电压UF(T2)，
[0028] 根据公式 计算出K；
[0029] (2)工作电流下LED的结温测量：
[0030] 闭合S1，然后设定恒温器温度T3，调节可调电阻R3，使得通过LED电流为Is，调节R3使得LED阵列中两个LED不发光，即电桥平衡，测得LED两端电压为U1，计算公式[0031] 闭合S‘1，同时断开S1，在工作电源U的作用下，LED工作，设此时结温即为待测结温为T4；结温测试开始：开关S1接通时间999ms,然后断开，10-5秒内S‘1接通时间为1ms,然后如此反复(即：开关变换方式是S1接通999ms,然后接通S/1 1毫秒，然后接通S1 999ms,再接通S/1 1毫秒，如此反复)，观察LED阵列中LED的发光情况，如果正向安装的LED亮，而反向安装的暗，增大R3，反之，减小R3.直到LED阵列中两个LED均不亮为止，如果两个LED一直都亮，说明电压误差较大，应减小电压误差，或调整直流电压放大器，使得LED阵列中两个LED均不亮，电桥平衡；此时，LED两端的电压计算公式为
[0032] 结温计算：结温
[0033] 本发明的有益效果是：
[0034] 1、本发明不要求准确测量10-5秒内LED两端电压，只需要观察LED阵列中LED的发光情况，方便简单。结温精确程度取决于
电路的噪声，因此只要合理选择电路，让噪声不能驱动LED阵列中的LED，同时，如果电压噪声过大，LED两只均亮，起到提醒作用。
[0035] 2、由于采用了脉冲展宽技术，虽然测量
频率为1Hz，如果电桥
不平衡，LED会一直亮着，不会闪烁，方便了观察。
[0036] 3、由于只对900微秒到1100微秒的脉冲进行展宽，达不到要求的脉冲不放大，有效地抑制了毛刺状噪声。
[0037] 4、本发明可以测量交流、脉冲等等任何形式的工作电流下LED的结温，适应性强。
附图说明
[0038] 图1是本发明用电桥测量LED结温的装置的电路连接图；
[0039] 图2是本发明开关的示意图；
[0040] 图3是LED连同灯座放在恒温器上的结构示意图；
[0041] 图4是流过LED的电流随时间的变化关系图；
[0042] 图5是本发明用电桥测量LED结温的方法的测量
流程图；
[0043] 图6是本发明中直流电压放大器的连接结构图；
[0044] 图7是本发明中LED阵列结构的结构示意图。
[0045] 图中：1、玻璃罩；2、LED。
具体实施方式
[0046] 下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
[0047] 本发明用电桥测量LED结温的装置的电路连接图如图1所示，电路包括测试电源E、可变电阻R1、R2、R3，
LED灯座(图中LED是放在灯座上)，这四者组成惠更斯电桥，电桥导通与否受开关S1控制。LED通过开关S‘1与工作电源(或称加热电源)相连，电路中开关S1和S‘1是快速转换开关，如图2，一般采用MOS或场效应管来实现。在电桥中间还连接有直流电压放大器，其输出端连接脉冲展宽器，其输出端连接正向和反向连接的LED阵列。其中，直流电压放大器的连接结构如图6所示，LED阵列的结构如图7所示。
[0048] LED2连同灯座放在恒温器上，如图3，两者热接触良好，恒温器的温度可以在0-100℃变化，误差小于0.3℃(
实施例中恒温器的型号为TC-100)。作为一种优选结构，LED外部还设有玻璃罩1，玻璃罩用于防止环境热流动对LED2环境温度的影响，玻璃罩的优选尺寸为直径10cm，玻璃罩的优选尺寸不能太小，否则影响LED2热平衡。
[0049] 直流电压放大器的放大倍数不小于103,最大输出为4V，输入电阻大于100KΩ；脉冲展宽器能够将900微秒到1100微秒的脉冲电压，展宽为1秒的直流脉冲电压，其他宽度的脉冲电压，不展宽；LED阵列由正反连接，启动电压大于2.2V，小于5V；开关S和S/为快速转换开关，转换时间小于10-5s.(一般的
半导体开关可以满足要求)
[0050] 本发明中所述的测试电流指小于额定电流10％的电流。本实施例采用1mA。另外，本实施例中的脉冲展宽采用的是MAX7000系列的EPM7128SLC84-15芯片构成的电路，时钟脉冲为1.0微秒。脉冲电压放大电路的放大倍数beta，与LED的开启电压Von，噪声电压Vnoise之间的关系为：Von＞beta×Vnoise，实施例选择Von＝1.5×beta×Vnoise。
[0051] 本发明测量LED结温的原理即为电压法测量结温的原理，依然是测量结温电压系数K，再测量电压UF(T2)。但是实现过程与现有的方法相比明显不同，本发明用惠更斯电桥测量LED结温，其步骤如图5所示，具体步骤如下：
[0052] 一、K的标定
[0053] 闭合S1，调节R1和R2，使得流过LED的电流为测试电流Is(具体值不要求很准确，只要电流比较小，一般小于10％额定电流)，此时流过LED的电流比较小，可以认为此时流过LED的电流对于LED结温的影响很小可以忽略不计，此时外界的环境温度(恒温器的温度)就可以近似认为是LED的结温。
[0054] 设定恒温器的温度为T1(本实施例设定T1为10℃)，待热平衡后，调节R1、R3两个可变电阻箱使LED阵列中两个LED均不亮，即电桥平衡，R3两端的电压就是LED两端的电压UF(T1)(本实施例中为2.615V)。
[0055] 设定恒温器的温度为T2(本实施例设定T2为60℃)，待热平衡后，调节R1、R3两个可变电阻箱使LED阵列中两个LED均不亮，即电桥平衡，R3两端的电压就是LED两端的电压UF(T2)， (本实施例中为2.703V)。
[0056] 根据公式(2)，计算出K＝1.76mV/℃。
[0057] 二、工作电流下LED的结温测量
[0058] 闭合S1，然后设定恒温器温度T3(本实施例中设定T3为10℃)，调节可调电阻R3，使得通过LED电流为Is(具体值不要求很准确，只要电流比较小，一般小于10％额定电流，可以不与标定K中的Is相同)，调节R3使LED阵列中两个LED均不亮，即电桥平衡，测得LED两端电压为U1，计算公式 (本实施例中为2.615V)。(此时，T3不特定，可以等于T1或T2，即这一段的过程也可以没有，直接采用U1＝UF(T1)或U1＝UF(T2)，本实施例中直接采用U1＝UF(T1))。
[0059] 闭合S‘1，同时断开S1，在工作电源U的作用下，LED工作，设此时结温即为待测结温为T4；结温测试开始：开关S1接通时间999ms,然后断开，10-5秒内S‘1接通时间为1ms,然后如此反复(即：开关变换方式是S1接通999ms,然后接通S/1 1毫秒，然后接通S1 999ms,再接通S/1 1毫秒，如此反复)，观察LED阵列中LED的发光情况，如果正向安装的LED亮，而反向安装的暗，增大R3，反之，减小R3.直到LED阵列中两个LED均不亮为止，(如果两个LED一直都亮，说明电压误差较大，应重新选择
稳定性好的电桥，本专利中，
代理人决定是否写括号中的内容)使得LED阵列中两个LED均不亮；此时，LED两端的电压计算公式为
[0060] (本实施例中为2.708)。
[0061] 结温计算：结温 (本实施例中为62.84℃)。
[0062] 本专利测量过程中，LED电流随时间的变化关系，见图4。图中，Is为测试电流，即E对应的电流，Io为工作电流，即U对应的电流。在0-t1时间段，s1闭合，s1’断开，LED通过测试电流Is，完成K系数的测定。即，先设定恒温器的温度T1，调节电桥，使之平衡，得到LED两端的电压U‘1 。然后将恒温器温度设定为T2，调节电桥，使之平衡，得到LED两端的电压U‘2 ，代入(2)式，得到K。
[0063] t1～t2时间是加热时间，s1’闭合，s1断开，LED的电流为工作电流Io。
[0064] t2～t3时间是测量时间，s1闭合，s1’断开，电压放大器，脉冲展宽器和LED阵列工作.如果电桥平衡，LED阵列中两个LED均不亮，测试结束，如果不平衡，调整电阻R3，而后重复加热和测量过程，直到电桥平衡。由于采用了脉冲展宽电路，如果电压不平衡，总有一只LED亮，一只暗。
[0065] 本专利处理中选择的测试时间和加热时间之比为1:999，这样测试过程对结温的影响很小。
[0066] 综上所述，通过采用上述技术手段，本发明的装置及方法具有以下优点：1，单次标定，多次测量。即在宽的结温范围内，只需要选择几个结温标定电压-结温系数K，测量时，只要是同型号的LED照明系统，均可以采用采用标定的结果得到结温。2，操作简单，仅需要调节R3。3，不需要准确、快速测量LED两端的电压，仅需低价值的精密电阻箱，脉冲展宽电路和脉冲放大电路等设备。4，受噪声电压影响小，容易准确测量，测量的可重复性高，用于表征结温误差小。5，工作电流(Io)为任何形式(方波，交流，脉冲等)的电流。6，可以用于单颗LED结温测量，也可以用于多颗LED组成的阵列的平均结温测量，使用范围广。
[0067] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何
修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
