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led特性(一文解读led特性实验)

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发表时间:2022-09-17 15:27
文章附图

 LED发光原理及特性

  (一)LED发光原理

  发光二极管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物,如GaAs(砷化镓)、GaP(磷化镓)、GaAsP(磷砷化镓)等半导体制成的,其核心是PN结。因此它具有一般P-N结的I-N特性,即正向导通,反向?截止、击穿特性。此外,在一定条件下,它还具有发光特性。在正向电压下,电子由N区注入P区,空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子(少子)一部分与多数载流子(多子)复合而发光,如图1所示。



  假设发光是在P区中发生的,那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光,或者先被发光中心捕获后,再与空穴复合发光。除了这种发光复合外,还有些电子被非发光中心(这个中心介于导带、介带中间附近)捕获,而后再与空穴复合,每次释放的能量不大,不能形成可见光。发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大,光量子效率越高。由于复合是在少子扩散区内发光的,所以光仅在靠近PN结面数μm以内产生。

  理论和实践证明,光的峰值波长λ与发光区域的半导体材料禁带宽度Eg有关,即λ≈1240/Eg(mm)式中Eg的单位为电子伏特(eV)。若能产生可见光(波长在380nm紫光~780nm红光),半导体材料的Eg应在3.26~1.63eV之间。比红光波长长的光为红外光。现在已有红外、红、黄、绿及蓝光发光二极管,但其中蓝光二极管成本、价格很高,使用不普遍。

  (二)LED的特性

  1

  极限参数的意义

  (1)允许功耗Pm:允许加于LED两端正向直流电压与流过它的电流之积的最大值。超过此值,LED发热、损坏。

  (2)最大正向直流电流IFm:允许加的最大的正向直流电流。超过此值可损坏二极管。

  (3)最大反向电压VRm:所允许加的最大反向电压。超过此值,发光二极管可能被击穿损坏。

  (4)工作环境topm:发光二极管可正常工作的环境温度范围。低于或高于此温度范围,发光二极管将不能正常工作,效率大大降低。

  2

  电参数的意义

  (1)光谱分布和峰值波长:某一个发光二极管所发之光并非单一波长,其波长大体按图2所示。由图可见,该发光管所发之光中某一波长λ0的光强最大,该波长为峰值波长。

  (2)发光强度IV:发光二极管的发光强度通常是指法线(对圆柱形发光管是指其轴线)方向上的发光强度。若在该方向上辐射强度为(1/683)W/sr时,则发光1坎德拉(符号为cd)。由于一般LED的发光二强度小,所以发光强度常用坎德拉(mcd)作单位。

  (3)光谱半宽度Δλ:它表示发光管的光谱纯度.是指图3中1/2峰值光强所对应两波长之间隔.

  (4)半值角θ1/2和视角:θ1/2是指发光强度值为轴向强度值一半的方向与发光轴向(法向)的夹角。半值角的2倍为视角(或称半功率角)。

  图3给出的二只不同型号发光二极管发光强度角分布的情况。中垂线(法线)AO的坐标为相对发光强度(即发光强度与最大发光强度的之比)。显然,法线方向上的相对发光强度为1,离开法线方向的角度越大,相对发光强度越小。由此图可以得到半值角或视角值。



  (5)正向工作电流If:它是指发光二极管正常发光时的正向电流值。在实际使用中应根据需要选择IF在0.6·IFm以下。

  (6)正向工作电压VF:参数表中给出的工作电压是在给定的正向电流下得到的。一般是在 IF=20mA时测得的。发光二极管正向工作电压VF在1.4~3V。在外界温度升高时,VF将下降。

  (7)V-I特性:发光二极管的电压与电流的关系可用图4表示。在正向电压正小于某一值(叫阈值)时,电流极小,不发光。当电压超过某一值后,正向电流随电压迅速增加,发光。由V-I曲线可以得出发光管的正向电压,反向电流及反向电压等参数。正向的发光管反向漏电流IR<10μA以下。

  发光二极管(LED)特性及电路应用

  发光二极管(Light Emitting Diode)简称LED,是一种将电信号转化为光信号的半导体器件,且具备二极管的电子特性。

  1.LED工作原理

  以磷化镓或砷化镓等化合物半导体材料制成的二极管,内部流过电流,PN结导通后,电子与空穴复合时能辐射出可见光,以此制成发光二极管。

  发光二极管具有节能、体积小、抗震性好、环保、寿命长、光色多样、响应等优点,广泛应用于照明、汽车、交通、广告牌、仪表指示灯等领域。


  LED电路符号

  2.LED的分类

  发光二极管按结构封装可以分为贴片式和直插式

  贴片式:0603、0805、1210、3528,5050、5730等。

  直插式:3mm、5mm、8mm、10mm等。


  贴片LED和直插LED


  1998年利用红、绿、蓝三种LED制成白光LED,是进入照明领域的里程碑事件

  此外,还可以按照光照角度分为:高指向型、标准型、散射型。

  高指向型:一般为尖头环氧封装,或是带金属反射腔封装,且不加散射剂。半值角为5°~20°或更小,具有很高的指向性。

  标准型:通常作指示灯用,其半值角为20°~45°。

  散射型:这是视角较大的指示灯,半值角为45°~90°或更大,散射剂的量较大。

  3.LED电路应用

  一般发光二极管压降为2V左右,标称工作电流为5-20mA,过流则会损坏,所以使用LED时都需要加一个限流电阻,起保护二极管和提供电流的作用。

  限流电阻的阻值计算:R>(U-2V)/20mA;

  注:发光二极管的灯光是线性的,实际上几十微安的电流就可以点亮LED,在对亮度没有特殊要求的场合,如仅作指示灯用,出于产品功耗考虑,可以增大限流电阻,工作电流低于5mA没有问题,并且电流越小LED灯越耐用。


  直流电源指示灯


  交流电源指示灯


  双色灯指示电路


  家用LED照明应用:BP2861X系列恒流驱动芯片典型电路

  LED光电性能检测

  LED光性能检测

  光通量

  方法1 积分球光谱辐射计

  参考标准:

  CIE84:1989《光通量的测量》

  IESNA LM79-08 《固态照明产品的电气和光度测量》

  方法2 分布光度计

  参考标准:

  CIE84:1989《光通量的测量》

  IESNA LM 79-08 《固态照明产品的电气和光度测量》

  测试项目:

  光束角 | 环带光 | 通峰值波长 | 色坐标 | 光效能 | 光谱功率分布 | 光通维持 | 色容差 | 光通量 | 色差 | 显色指数

  光强分布(配光曲线)

  方法 分布光度计

  参考标准:

  IESNA LM79-08 《固态照明产品的电气和光度测至》

  CIE 121 : 1998 《灯具光度学和分布光度学》

  CIE 043 : 1979 《投光灯光度测试》

  GB/T 9468-2008 灯具分布光度测量的一般要求

  GB/T 7002: 2008 投光照明灯具光度测试

  测试项目:

  灯具能效 | 灯具光强分布 | 室内灯具概算曲线 | 总光通量 | 平面等照度曲线 | 矩形等光强曲线 | 光束角 | 亮度限制曲线 | 等光强分布曲线 | 环带光通 | 圆形等光曲线

  色度测试

  方法1 积分球光谱辐射计

  参考标准:

  IESNA LM79-08 《固态照明产品的电气和光度测量》

  CIElS:2004 《色度学》

  CIE13.3:1995 《光源显色性评价》

  方法2 分布光谱辐射计

  参考标准:

  IESNA LM79-08 《固态照明产品的电气和光度测量》

  CIElS : 2004 《色度学》

  CTE13.3 : 1995 《光源显色性评价》

  测试项目:

  平均颜色不均匀性 | 颜色宽容量(色容差) | 显色指数 | 色坐标 | 颜色空间不均匀性 | 最大颜色不均匀性 | 相关色温 | 色差漂移 | 色容差

  LED电气特性

  1.3 LED的电气特性

  要用好LED,最基本的出发点是了解LED的电气特性。LED是由半导体PN结构成的电致发光元件,在发光的同时,它也像其他电子元件一样表现出固有的伏安特性,了解LED的电压和电流关系,才能为LED设计适当的驱动电路为其提供符合要求的电路工作环境。

  1.3.1伏安特性

  LED具有类似普通二极管的伏安特性曲线,如图1.5所示。


  图1.5 LED的伏安特性曲线

  由图可知,LED具有以下几个显著的电气特性

  (1)单向导电性。只有正向偏置才能导通。

  (2)具有一定的开启电压。LED的开启电压与LED发光的颜色有关,在可见光范围内,LED发光的波长越长开启电压越低,例如:红色约为1.8~2.0V,蓝色约为2.6~3.2V,绿色介于两者中间,由于颜色的定义不够准确,测试中通常使用波长来区分。这里需要指出的是,同一波长同一批次的LED也会因为生产工艺等原因而存在一定的分散性,评价LED质量其中一个指标是相同功率等级的LED其开启电压(工作电压)越低越好,这是因为相同的功率电压越低则电流越大,LED的亮度越高。

  (3)工作区内电流相对于电压的变化较敏感。这就意味着很小的电压波动会引起很明显的电流变化,从而造成亮度的波动,是LED应用过程中特别要注意的一个特性,因此低频的亮度波动会造成忽明忽暗的感觉,影响照明质量。

  (4)反向击穿电压较低。LED的反向击穿电压一般在几伏到几十伏之间,在使用时要注意电路不能出现超过限值的反向电压,否则会击穿LED。

  (5)温度漂移特性。LED具有PN结普遍的温度漂移特性,也就是说LED的伏安特性曲线并不是固定不变的,当PN结的温度升高时,其伏安特性曲线会向左移,如图1.6所示。


  图1.6 LED伏安特性随温度漂移

  1.3.2 LED的电致失效方式

  (1)LED正常工作时,消耗的电功率大部分转化为热(70%以上),温度上升,电流越大温度越高,若电流不加限制,温度达到一定程序就会使LED过热烧毁,这种损坏表现为LED断路,通常伴有烧焦的气味和痕迹。

  (2)若LED的反向电压高于额定的击穿电压,则LED会被反向击穿,这种击穿是不可恢复的,内部PN结瞬间被破坏,失去单向导电的特性。与过热损坏不同的是,这种击穿的速度很快,因此一定要严格控制反向电压,留有足够的余量,必要时要采取钳位措施,以避免突发的高压脉冲造成LED击穿损坏。LED反向击穿的表现为LED短路,若不能及时排除故障,也有可能因短路而进一步变成断路。

  根据温度漂移特性,伏安特性曲线左移,若保持工作电压不变,则电流上升,如图1.6所示,保持VF不变,IF3>IF2>IF1,而电流的增加又反过使温度进一步升高,造成恶性循环,如果不加限制,则LED会过热损坏。

  1.4 LED的驱动

  LED的驱动一般有两种方式,即稳压驱动和恒流驱动,但无论采用哪一种,还是两种组合使用,都需要根据LED的电气特性进行选择和设计,才能满足LED正常发光的条件,同时保持LED稳定、安全、可靠地工作。LED驱动时要注意以下几点:

  注意极性。LED是有极性的元件,正向偏置才能正常发光。

  提供足够的工作电压。LED正向电压必须超过开启电压才能开始发光,达到额定电压时发光亮度才能达到标称的输出光通量。

  限制反向电压。要注意电路中是否出现反向电压的情况,比如交流电路、开关电源中的变压器或电感器产生的反向感生电动势都会对LED产生反向电压,必要时要对这些电压进行钳位吸收,避免LED反向击穿。

  由于LED对电压变化敏感,很难对其工作电压进行控制,因此尽量不要使用稳压电源直接驱动LED(因为稳压电源输出电压的稳定性有一定精度,允许有一定的波动),如果非用不可,必须采取措施限制LED的电流,或设法降低LED电流对电压变化的敏感度(减小伏安特性曲线工作区的斜率)。

  (1)LED的亮度与电流正相关,要使亮度恒度不变,建议采用高质量的恒流驱动电路。

  (2)LED的工作电流不能超过额定值,留有足够余量,并且注意LED的温度,做好散热设计,保持相对低的工作温度减缓LED光衰,增加LED使用寿命最重要的条件之一。

  LED显示屏光电性能

  LED显示屏光电性能介绍

  2019-08-29 13:58·金融界

  光电性能对于LED产品尤为重要,那么大家是否了解 LED显示屏产品有哪些光电性能呢?下面跟小编一起来学习一下LED产品光电性能有哪些测试标准。

  1.电特性

  LED的电特性参数包括正向电流、正向电压、反向电流以及反向电压,该项测试一般是利用电压电流表进行测试,在恒流恒压源供电情况下。通过LED电特性的测试可获得最大允许正向电压、正向电流及反向电压、电流这些参数,此外,还可以获得LED的最佳工作电功率值。

  2.光特性

  主要包括光通量和光效、光强和光强分布特性以及光谱参数。

  光通量和光效:通常有两种方法,为积分球法和变角光度计法。虽然后者的测试结果最为精确,但因耗时较长,一般采用前者。在用积分球法进行测试时,可以将被测LED放置在球心,也可以放置在球壁。测得光通量之后,配合电参数测试仪就可以测得LED的发光效率,也就是光效。

  光强和光强分布特性:LED显示屏由于光强分布是不一致的,所以它的测试结果随测试距离和探测器孔径的大小变化而变化,可以让各个LED在同一条件下进行光强测试与评价,这样结果比较准确。

  光谱参数:主要包括峰值发射波长、光谱辐射带宽和光谱功率分布等。LED的光谱特性都可由光谱功率分布表示,通过光谱功率分布,还可以得到色度参数。一般光谱功率分布的测试需要通过分光进行,将混合光中的单色光逐一区分出来进行测定,可采用棱镜和光栅实现分光。

  3.开关特性

  是指LED通电和断电瞬间的光、电、色变化特性,通过这项测试可以得到LED在通断电瞬间工作状态、物质属性等变化规律,从而了解通断电对LED的损耗。

  4.颜色特性

  主要有色品坐标、主波长、色纯度、色温和显色性等,测试方法有分光光度法和积分法。

  分光光度法:通过单色仪分光测得LED光谱功率分布,然后利用色度加权函数积分获得对应的色度参数。

  积分法:利用特定滤色片配合光电探测器直接测得色度参数。

  5.热学特性

  也指热阻和结温,热阻是指沿热流通道上的温度差与通道上耗散的功率之比,结温是指LED的PN结温度。LED结温的测试方法有两种,一种是采用红外测温显微镜或微型热偶测得LED芯片的表面温度,另一种是利用确定电流下的正向偏压与结温之间反比变化的关系来判定LED的结温。


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