第6章 LED及檢測(cè)技術(shù)

2023/3/91太陽能應(yīng)用

檢測(cè)與控制技術(shù)概述第6章LED及檢測(cè)技術(shù)6.1LED的測(cè)試6.3原理與特性6.26.4LED驅(qū)動(dòng)電路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)。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100～500?，LD的只有0.01～0.1nm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原理與特性圖6-2半導(dǎo)體發(fā)光二極管和半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)6.2原理與特性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)合圖6-3PN結(jié)正向偏置時(shí)的擴(kuò)散電流和輻射復(fù)合6.2原理與特性6.2.1LED工作原理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，它標(biāo)志器件性能的優(yōu)劣。F為L(zhǎng)ED向各個(gè)方向發(fā)光的能量之和，它與工作電流直接有關(guān)。隨著電流增加，LED光通量隨之增大?？梢姽釲ED的光通量單位為流明（lm）。（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。6.2原理與特性（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。無論什么材料制成的LED，都有一個(gè)相對(duì)光輻射最強(qiáng)處，與之相對(duì)應(yīng)有一個(gè)波長(zhǎng)，此波長(zhǎng)為峰值波長(zhǎng)，它由半導(dǎo)體材料的帶隙寬度或發(fā)光中心的能級(jí)位置決定。光譜半波寬定義為相對(duì)光譜能量分布曲線上，兩個(gè)半極大值強(qiáng)度處對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)差，它標(biāo)志著光譜純度，同時(shí)也可以用來衡量半導(dǎo)體材料中對(duì)發(fā)光有貢獻(xiàn)的能量狀態(tài)離散度，LED的發(fā)光光譜的半寬度一般為30～100nm，光譜寬度窄意味著單色性好，發(fā)光顏色鮮明，清晰可見。6.2原理與特性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激值與其總和之比。6.2原理與特性2．LED發(fā)光器件色度學(xué)參數(shù)（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。6.2原理與特性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)光二極管器件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。6.2原理與特性4．LED的伏安特性LED的I-V特性表征LED芯片PN結(jié)制備性能主要參數(shù)，LED通常都具有圖6-7所示的伏安特性。由圖中可見，LED的I-V特性具有非線性和單向?qū)щ娦再|(zhì)。單向?qū)щ娦?，即外加正偏壓表現(xiàn)低接觸電阻，反之為高接觸電阻。圖6-7LED的I-V特性6.3LED的測(cè)試6.3.1電性能測(cè)試LED是一個(gè)由半導(dǎo)體無機(jī)材料構(gòu)成的單極性PN結(jié)二極管，它是半導(dǎo)體PN結(jié)二極管中的一種，其電壓-電流之間的關(guān)系稱為伏安特性。由圖6-7可知，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。LED電特性的測(cè)試一般在相應(yīng)的恒流恒壓源供電下，利用電壓表和電流表進(jìn)行測(cè)試，接線方法如圖6-8所示，根據(jù)不同情況選擇合適的接線方式。6.3LED的測(cè)試圖6-8LED電性能測(cè)試接線圖6.3LED的測(cè)試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

（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。

（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。

6.3LED的測(cè)試（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。

6.3LED的測(cè)試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。

6.3LED的測(cè)試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，給被測(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UFi；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

（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，需要專門的驅(qū)動(dòng)電路來點(diǎn)亮LED。6.4LED驅(qū)動(dòng)電路1．電阻限流驅(qū)動(dòng)電路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。

（6-6）式中，Vin為電路的輸入電壓；IF為L(zhǎng)ED的正向電流；VF為L(zhǎng)ED在正向電流為IF時(shí)的壓降；VD為防反二極管的壓降（可選）；y為每串LED的數(shù)目；x為并聯(lián)LED的串?dāng)?shù)。6.4LED驅(qū)動(dòng)電路圖6-14電阻限流LED驅(qū)動(dòng)電路6.4LED驅(qū)動(dòng)電路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)。

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。6.4LED驅(qū)動(dòng)電路圖6-15線性調(diào)節(jié)器示意圖6.4LED驅(qū)動(dòng)電路3．開關(guān)調(diào)節(jié)器