第6章LED及檢測(cè)技術(shù)

第6章LED及檢測(cè)技術(shù)6.1概述6.2原理與特性6.2.1LED工作原理6.2.2LED特性6.3LED的測(cè)試6.3.1電性能測(cè)試6.3.2光色性能測(cè)試6.3.3熱阻及結(jié)溫測(cè)試6.4LED驅(qū)動(dòng)電路6.4.1一般驅(qū)動(dòng)電路6.4.2LED驅(qū)動(dòng)電路實(shí)例6.1概述LED為發(fā)光二極管英文（LightEmittingDiode）簡(jiǎn)稱，它是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為可見光的固態(tài)的半導(dǎo)體器件，它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光。LED的心臟是一個(gè)半導(dǎo)體的晶片，整個(gè)晶片被環(huán)氧樹脂封裝起來。LED內(nèi)部結(jié)構(gòu)有和普通二極管相似的P區(qū)和N區(qū)，P區(qū)和N區(qū)交界形成PN結(jié)。LED與普通半導(dǎo)體二極管一樣是一種允許電流單向?qū)ǖ钠骷?。LED又稱半導(dǎo)體光源或冷光源，與常規(guī)白熾光源及氣體放電光源具有完全不同的發(fā)光原理，其發(fā)光機(jī)理是利用某些特殊半導(dǎo)體材料電致發(fā)光原理直接將電能轉(zhuǎn)化為可見光和輻射能，具有發(fā)光效率高、熱量低、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，具有常規(guī)光源無法比擬的優(yōu)勢(shì)。

LED路燈系列LED工礦燈系列LED投光燈系列

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LED天花燈LED筒燈系列LED隧道燈LED面板燈

6.2原理與特性半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）和半導(dǎo)體激光器（LD）都屬于發(fā)光器件，都采用PN結(jié)或異質(zhì)結(jié)的注入式場(chǎng)致發(fā)光的方法發(fā)光。它們的結(jié)構(gòu)如圖6-2所示，其中圖6-2（a）為L(zhǎng)ED，圖6-2（b）為半導(dǎo)體激光器。它們的發(fā)光光譜相當(dāng)窄，LED發(fā)光譜線寬，典型值是100～500A，LD的只有0.01～0.lnm寬。它們之間主要區(qū)別是：發(fā)光二極管靠注入載流子自發(fā)復(fù)合的自發(fā)輻射，發(fā)射的是非相干光，而半導(dǎo)體激光器靠受激輻射，發(fā)射的是相干光，光的單色性、方向性和亮度等都比發(fā)光二極管好得多。6.2.1LED工作原理半導(dǎo)體發(fā)光包括激發(fā)過程和復(fù)合過程．這兩個(gè)過程前后銜接，是發(fā)光必不可少的兩個(gè)環(huán)節(jié)。（1）激發(fā)（2）復(fù)合

6.2.2LED特性1．光學(xué)特性（1）光通量F光通量F是表征LED總的光輸出輻射能量。目前單色LED的光通量F最大約1lm，白光LED的F≈1.5～1.8lm，對(duì)于1mm×1mm的功率級(jí)芯片制成白光LED，其F=18lm。（2）LED發(fā)光強(qiáng)度發(fā)光強(qiáng)度定義為光源在指定方向上單位立體角內(nèi)所包含的光通量。（3）LED相對(duì)光譜能量分布P（）發(fā)光二極管的相對(duì)光譜能量分布P（）表示在發(fā)光二極管的光輻射波長(zhǎng)范圍內(nèi)，各個(gè)波長(zhǎng)的輻射能量分布情況，通常在實(shí)際場(chǎng)合中用相對(duì)光譜能量分布來表示。（4）LED的峰值波長(zhǎng)p和光譜半波寬△LED相對(duì)光譜能量分布曲線的重要參數(shù)用峰值波長(zhǎng)p和光譜半波寬△這兩個(gè)參數(shù)表示。2.LED發(fā)光器件色度學(xué)參數(shù)（1）主波長(zhǎng)D任何一個(gè)顏色都可以看作為用某一個(gè)光譜色按一定比例與一個(gè)參照光源（如CIE標(biāo)準(zhǔn)光源A，B，C等，能光源E，標(biāo)準(zhǔn)照明體D65等）相混合而匹配出來的顏色，這個(gè)光譜色就是顏色的主波長(zhǎng)。（2）CIE光譜三刺激值X，Y，ZX，Y，Z為顏色的三刺激值，它們的數(shù)值表示了三原色匹配該顏色時(shí)相互之間的比例。（3）色度坐標(biāo)x，y，z三刺激值中的每一刺橄值與其總和之比。（4）純度P樣品顏色接近主波長(zhǎng)光譜色的程度就表示該樣品顏色的純度．（5）色溫Tc光源的光輻射所呈現(xiàn)的顏色與在某一溫度下黑體輻射的顏色相同時(shí)，稱黑體的溫度（Tc）為光源的色溫度。3.LED發(fā)光器件的電參數(shù)（1）正向電壓VF（ForwardVoltage）通過發(fā)光二極管的正向電流為確定值時(shí)，在兩極間產(chǎn)生的電壓降。（2）反向電壓VR（ReverseVoltage）被測(cè)發(fā)光二極管器釋通過的反向電流為確定值時(shí)，在兩極間所產(chǎn)生的電壓降。（3）反向電流IR（ReverseCurrent）加在發(fā)光二極管兩端的反向電壓為確定值時(shí)，流過發(fā)光二極管的電流。4.LED的伏安特性6.3LED的測(cè)試6.3.1電性能測(cè)試LED電特性參數(shù)包括正向電流、正向電壓、反向電流和反向電壓。LED必須在合適的電流電壓驅(qū)動(dòng)下才能正常工作。通過LED電特性的測(cè)試可以獲得LED的最大允許正向電壓、正向電流及反向電壓、反向電流，此外也可以測(cè)定LED的最佳工作電功率。（a）電流表內(nèi)接法（b）電流表外接法（c）四線法電壓取樣圖6-8LED電牲能測(cè)試接線圖6.3.2光色性能測(cè)試1．光通量測(cè)量（1）光通量測(cè)量的探測(cè)器旋轉(zhuǎn)式分布光度計(jì)探測(cè)器旋轉(zhuǎn)式分布光度計(jì)是以照度分布積分法來實(shí)現(xiàn)總光通量測(cè)量的，其原理表達(dá)式如下式=SEdS（6-1）其中，E為包圍被測(cè)LED產(chǎn)品的虛擬球表面的照度，S為虛擬球面積。CIE84-1989對(duì)照度分布積分法及其分布光度計(jì)的要求進(jìn)行了明確的規(guī)定：被測(cè)光源和燈具無需嚴(yán)格位于虛擬球的中心，且對(duì)燈中心到光度探側(cè)器間的測(cè)量距離不作嚴(yán)格的要求，最小測(cè)量距離只要滿足光度探測(cè)器繞被側(cè)LED模塊旋轉(zhuǎn)的物理尺寸即可，但應(yīng)注意在測(cè)量距離較近時(shí)，光度探測(cè)器應(yīng)具有較好的余弦校正。如圖6-9所示為測(cè)量總光通量的探測(cè)器旋轉(zhuǎn)式分布光度計(jì)原理示意圖和典型結(jié)構(gòu)示意圖，其中（a）為原理圖，（b）為結(jié)構(gòu)圖。測(cè)量LED模塊總光通量的探測(cè)器旋轉(zhuǎn)式分布光度計(jì)應(yīng)能使被測(cè)LED模塊按標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量姿態(tài)燃點(diǎn)，并盡量使其光度中心處于分布光度計(jì)的旋轉(zhuǎn)中心，被測(cè)LED模塊在光度取樣中保持靜止?fàn)顟B(tài)：探測(cè)器旋轉(zhuǎn)式分布光度計(jì)的光度探側(cè)器應(yīng)正面面對(duì)被側(cè)LED模塊，直接接收來自被側(cè)LED棋塊的光束。（a）原理圖（b）結(jié)構(gòu)圖圖6-9測(cè)量光通量的探測(cè)器旋轉(zhuǎn)式分布光度計(jì)原理和結(jié)構(gòu)（2）總光通量的基準(zhǔn)測(cè)量方法在測(cè)光暗室中，使用光通量測(cè)量的探測(cè)器旋轉(zhuǎn)式分布光度計(jì)測(cè)量LED模塊的光通量將被測(cè)LED模塊夾持在探測(cè)器旋轉(zhuǎn)式分布光度計(jì)上，使LED模塊處于規(guī)定的姍點(diǎn)狀態(tài)，LED模塊的發(fā)光中心處于分布光度計(jì)的旋轉(zhuǎn)中心。在足夠多的發(fā)光平面上以足夠小的角度間隔測(cè)量以分布光度計(jì)的光度探測(cè)器到被測(cè)LED模塊發(fā)光中心之間的測(cè)量距離為半徑的虛擬球面上的各點(diǎn)的照度。平面間角度間隔一般為5，平面內(nèi)的角度間隔一般為1，當(dāng)被測(cè)LED模塊尺寸較大或光束角較窄時(shí)，應(yīng)采用更小的平面間隔和角度步長(zhǎng)，以保證照度分布的取樣完整性。用數(shù)值積分的辦法計(jì)算出LED模塊的總光通量，總光通量按公式計(jì)算：（6-2）式中，tot為總光通量，r為虛擬球面的半徑，Stot為虛擬球上的表面面積，（，）為空間角，如圖6-10所示。圖6-10光通量測(cè)量示意圖（3）其他光通量測(cè)試方法簡(jiǎn)介前面講到的照度分布積分法是多數(shù)國(guó)家計(jì)量實(shí)驗(yàn)室建立光通量國(guó)家基準(zhǔn)的方法，它也是國(guó)際公認(rèn)的最高精度的總光通量測(cè)量方法，除此之外還有兩種較為常見的光通量測(cè)試方法：光強(qiáng)積分法測(cè)量光通量和積分球法測(cè)量光通量。①光強(qiáng)積分測(cè)量法。光強(qiáng)積分法測(cè)量光通量使用如圖6-11所示光強(qiáng)分布光度計(jì)測(cè)試光通量，光強(qiáng)分布光度計(jì)一般通過照度和照度平方反比關(guān)系來實(shí)現(xiàn)空間光強(qiáng)分布的測(cè)盤，此時(shí)分布光度計(jì)測(cè)量距離應(yīng)至少為L(zhǎng)ED模塊最大發(fā)光口面的5倍。對(duì)于光強(qiáng)分布曲線與余弦分布明顯不同的LED模塊，上述測(cè)盤距離會(huì)帶來超過1％的誤差，因此這種LED模塊的光強(qiáng)測(cè)量距離至少需要為最大發(fā)光口面的10倍；光強(qiáng)積分法的測(cè)試還可以使用雙鏡式分布光度計(jì)、圓周運(yùn)動(dòng)反光鏡式分布光度計(jì)和中心旋轉(zhuǎn)反光鏡式分布光度計(jì)。同以上這些分布光度計(jì)相比探測(cè)器旋轉(zhuǎn)式分布光度計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、自身穩(wěn)定性高且造價(jià)不高，但由于熱平衡容易被破壞，可能會(huì)影響到光源發(fā)光的穩(wěn)定性，但當(dāng)被測(cè)光源的溫度影響不大時(shí)，該系統(tǒng)即可精確測(cè)量。（a）原理〔b）結(jié)構(gòu)示意圖圖6-11探測(cè)器旋轉(zhuǎn)分布光度計(jì)原理和結(jié)構(gòu)示意圖②積分球測(cè)量法。積分球法測(cè)量光通量盡量使用同類型的LED模塊作為光通量標(biāo)準(zhǔn)燈校準(zhǔn)積分光度計(jì)了積分光譜輻射計(jì)。當(dāng)光通量標(biāo)準(zhǔn)燈與被測(cè)LED模塊發(fā)光光譜、尺寸、外形和發(fā)光光束形狀等有較大的差異時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生較大測(cè)量誤差。將被測(cè)LED模塊放在球中心，并讓其處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)。如圖6-12（a）所示。在LED模塊尺寸較大且無后射光通量的情況下，可在積分球的側(cè)面開取樣口，如圖6-12（b）所示，或頂部開取樣口，收集LED模塊的發(fā)光，如圖6-12（c）所示。（a）LED模塊在球中心（b）積分球側(cè)面開取樣口（c）積分球頂部開取樣口圖6-12積分球測(cè)量示意圖圖6-13典型分布光輻射計(jì)示意圖2.LED模塊色度特性的測(cè)量方法受其發(fā)光機(jī)制的影響，白光LED具有較為明顯的空間光色不均勻性，對(duì)于以陣列方式組合在一起的LED模塊，若設(shè)計(jì)不當(dāng)會(huì)造成嚴(yán)重的空間顏色不均勻，即在不同的視角上表現(xiàn)出不同的顏色特征，影響照明效果，因此空間顏色均勻性測(cè)量對(duì)于LED模塊十分重要。在無環(huán)境雜光影響的條件下。用分布光譜輻射計(jì)測(cè)量LED模塊色度特性。根據(jù)測(cè)得的空間光譜功率分布計(jì)算出空間每一方向的色度特性，LED模塊的總平均色度特性用數(shù)值積分加權(quán)平均的方法計(jì)算。分布光譜輻射計(jì)由分布光度計(jì)和快速光譜輻射計(jì)組成，使用快速光譜輻射計(jì)替代分布光度計(jì)中的光度探測(cè)器，能夠滿足LED模塊顏色分布特性測(cè)量的要求，圖6-13為典型的分布光譜輻射計(jì)示意圖。光譜輻射計(jì)的光譜輻射強(qiáng)度或光譜輻射照度用滿足測(cè)量要求的光譜輻射強(qiáng)度或照度標(biāo)準(zhǔn)燈校準(zhǔn)。校準(zhǔn)后的光譜輻射計(jì)的色品坐標(biāo)（x，y）測(cè)量準(zhǔn)確度優(yōu)于0.003；在穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)光源下的（x，y）分辨率和復(fù)現(xiàn)性優(yōu)于0.0002；光譜輻射計(jì)的光源顏色測(cè)量和顯色性指數(shù)分析功能應(yīng)滿足GB/P7922-2003和GB/T5702-2003或CIE15-2004的要求。光增輻射計(jì)除具備上述功能外還應(yīng)具備標(biāo)準(zhǔn)LED模塊光譜光度和色度校準(zhǔn)功能。同時(shí)要求光潛輻射計(jì)應(yīng)具有足夠快的測(cè)量速度，且應(yīng)具備同步采樣功能，以實(shí)現(xiàn)光LIB輥射強(qiáng)度測(cè)量與分布譜輻射計(jì)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度同步。6.3.3熱阻及結(jié)溫測(cè)試在規(guī)定的環(huán)境溫度條件下，給被側(cè)照明用LED上施加一小測(cè)量電流IM，測(cè)量得到正向電壓UFj；用加熱電流IH替代IM，待達(dá)到熱穩(wěn)定并建立熱平衡后，測(cè)量加熱電流IH下的正向電壓UH；然后快速用測(cè)量電流IM替代IH，測(cè)量得到正向電壓UFf。被測(cè)照明LED結(jié)溫可按照下式計(jì)算TJ=KUF（6-3）式中，TJ為L(zhǎng)ED結(jié)溫；K為與照明用LED電熱性能相關(guān)的系數(shù)，單位是℃/V。6.4LED驅(qū)動(dòng)電路6.4.1一般驅(qū)動(dòng)電路由于受到LED功率水平的限制，通常需同時(shí)驅(qū)動(dòng)多個(gè)LED以滿足亮度需求，因此，需要專門的馭動(dòng)電路來點(diǎn)亮LED。LED電阻限流電路如圖6-14所示，電阻限流驅(qū)動(dòng)電路是最簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)電路，限流電阻按下式計(jì)算。R=(Vin-yVF-VD)/xIF（6-6）2．線性調(diào)節(jié)器線性調(diào)節(jié)器的核心是利用工作于線性區(qū)的功率三極管或MOSFET作為一動(dòng)態(tài)可調(diào)電阻來控制負(fù)載。線性調(diào)節(jié)器有并聯(lián)型和串聯(lián)型兩種。圖6-15（a）所示為并聯(lián)型線性調(diào)節(jié)器（又稱為分流調(diào)節(jié)器），它與LED并聯(lián)，當(dāng)輸入電壓增大或者LED數(shù)量減少時(shí)，通過分流調(diào)節(jié)器的電流將會(huì)增大，以使通過LED的電流保持恒定。由于分流調(diào)節(jié)器需要串聯(lián)一個(gè)電阻，所以效率不高，并且在輸入電壓變化范圍寬的情況下很難做到恒定電流的調(diào)節(jié)。（a）并聯(lián)線性調(diào)節(jié)器圖6-15線性調(diào)節(jié)器示意圖圖6-15（b）所示為串聯(lián)型調(diào)節(jié)器，當(dāng)輸入電壓增大時(shí)，調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)電阻增大，以保持LED上的電壓恒定，則使通過LED的電流保持恒定。（b）串聯(lián)線性調(diào)節(jié)器圖6-15線性調(diào)節(jié)器示意圖3．開關(guān)調(diào)節(jié)器上述驅(qū)動(dòng)技術(shù)不但受輸入電壓范圍的限制，而且效率低。在用于低功率的普通LED驅(qū)動(dòng)盯，田士甩侃只有兒個(gè)mA，因此損耗不明顯，當(dāng)用作電流有幾百.A甚至更高的高亮LED的驅(qū)動(dòng)時(shí)，電路的損耗就成了比較嚴(yán)重的問題。開關(guān)電源是目前能量變換中效率最高的，可以達(dá)到90％以上。Buck、Boost和Buck-Boost等功率變換器都可以用于LED的驅(qū)動(dòng)，只是為了滿足LED的恒流驅(qū)動(dòng)，采用檢測(cè)輸出電流而不是檢測(cè)輸出電壓進(jìn)行反饋控制。圖6-16（a）為采用Buck變換器的LED驅(qū)動(dòng)電路，與傳統(tǒng)的Buck變換器不同，開關(guān)管S移到電感L的后面，使得開關(guān)管S的源極接地，從而方便了S的驅(qū)動(dòng)。LED與電感L串聯(lián)，續(xù)流二極管VD與該串聯(lián)電路反向并聯(lián)，該驅(qū)動(dòng)電路不但簡(jiǎn)單而且不需要輸出濾波電容，降低了成本。但是，Buck變換器是降壓變換器，不適用于輸入電壓低或者多個(gè)LED串聯(lián)的場(chǎng)合。（a）Buck變換器圖6-16開關(guān)式驅(qū)動(dòng)電路（b）Boost變換器圖6-16開關(guān)式驅(qū)動(dòng)電路（c）Buck-Boost變換器圖6-16開關(guān)式驅(qū)動(dòng)電路6.4.2LED驅(qū)動(dòng)電路實(shí)例1．基于LM317組成的LED恒流膽動(dòng)器圖6-17LM317作恒壓輸出的典型應(yīng)用

圖6-16LM317恒流驅(qū)動(dòng)LED2.高調(diào)光比LED恒流驅(qū)動(dòng)器PT4115PT4115是一款連續(xù)電感電流導(dǎo)通模式的降壓恒流源，用于驅(qū)動(dòng)一顆或多顆串聯(lián)LED。PT4115輸入電壓范圍為6～30V，輸出電流可調(diào)，最大可達(dá)1.2A。根據(jù)不同的輸入電壓和外部器件，PT4115可以驅(qū)動(dòng)高達(dá)數(shù)十瓦的LED。PT4115內(nèi)置功率開關(guān)，采用高端電流采樣設(shè)置LED平均電流，通過DIM引腳可以接受模擬調(diào)光和很寬范圍的PWM調(diào)光。當(dāng)DIM的電壓低于0.3V時(shí)，功率開關(guān)關(guān)斷，PT4115進(jìn)入極低工作電流的待機(jī)狀態(tài)。3.基于LM3404與PIC12P675結(jié)溫保護(hù)的LED驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)以光源部分由4并6串中功率LED芯片組成的筒燈為例，設(shè)計(jì)恒流值為600mA，結(jié)溫保護(hù)點(diǎn)為80℃左右，根據(jù)式（6-13）得出其光源電壓保護(hù)點(diǎn)為18.68V，即光源兩端的電壓低于18.68V時(shí)，LED結(jié)溫會(huì)超過80℃，此時(shí)應(yīng)采取保護(hù)措施。由L