第6章 LED及檢測技術(shù)

2023/3/91太陽能應(yīng)用

檢測與控制技術(shù)概述第6章LED及檢測技術(shù)6.1LED的測試6.3原理與特性6.26.4LED驅(qū)動電路6.1概述LED為發(fā)光二極管英文（LightEmittingDiode）簡稱，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的心臟是一個半導(dǎo)體的晶片，整個晶片被環(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、壽命長等特點，具有常規(guī)光源無法比擬的優(yōu)勢。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LED，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。這兩個過程前后銜接，是發(fā)光必不可少的兩個環(huán)節(jié)。（1）激發(fā)（2）復(fù)合圖6-3PN結(jié)正向偏置時的擴(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LED向各個方向發(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相對光譜能量分布P（）

發(fā)光二極管的相對光譜能量分布P（）表示在發(fā)光二極管的光輻射波長范圍內(nèi)，各個波長的輻射能量分布情況，通常在實際場合中用相對光譜能量分布來表示。（4）LED的峰值波長p和光譜半波寬LED相對光譜能量分布曲線的重要參數(shù)用峰值波長p和光譜半波寬這兩個參數(shù)表示。無論什么材料制成的LED，都有一個相對光輻射最強(qiáng)處，與之相對應(yīng)有一個波長，此波長為峰值波長，它由半導(dǎo)體材料的帶隙寬度或發(fā)光中心的能級位置決定。光譜半波寬定義為相對光譜能量分布曲線上，兩個半極大值強(qiáng)度處對應(yīng)的波長差，它標(biāo)志著光譜純度，同時也可以用來衡量半導(dǎo)體材料中對發(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D

任何一個顏色都可以看作為用某一個光譜色按一定比例與一個參照光源（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，這個光譜色就是顏色的主波長。（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，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，在兩極間產(chǎn)生的電壓降。（2）反向電壓VR（ReverseVoltage）

被測發(fā)光二極管器件通過的反向電流為確定值時，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，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娦裕赐饧诱珘罕憩F(xiàn)低接觸電阻，反之為高接觸電阻。圖6-7LED的I-V特性6.3LED的測試6.3.1電性能測試LED是一個由半導(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)動下才能正常工作。通過LED電特性的測試可以獲得LED的最大允許正向電壓、正向電流及反向電壓、反向電流，此外也可以測定LED的最佳工作電功率。LED電特性的測試一般在相應(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的測試圖6-8LED電性能測試接線圖6.3LED的測試6.3.2光色性能測試1．光通量測量（1）光通量測量的探測器旋轉(zhuǎn)式分布光度計

探測器旋轉(zhuǎn)式分布光度計是以照度分布積分法來實現(xiàn)總光通量測量的，其原理表達(dá)式如下式

（6-1）其中，E為包圍被測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)測量方法

在測光暗室中，使用光通量測量的探測器旋轉(zhuǎn)式分布光度計測量LED模塊的光通量。

6.3LED的測試（3）其他光通量測試方法簡介前面講到的照度分布積分法是多數(shù)國家計量實驗室建立光通量國家基準(zhǔn)的方法，它也是國際公認(rèn)的最高精度的總光通量測量方法，除此之外還有兩種較為常見的光通量測試方法：光強(qiáng)積分法測量光通量和積分球法測量光通量。

6.3LED的測試2．LED模塊色度特性的測量方法

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，對于以陣列方式組合在一起的LED模塊，若設(shè)計不當(dāng)會造成嚴(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量對于LED模塊十分重要。

在無環(huán)境雜光影響的條件下，用分布光譜輻射計測量LED模塊色度特性。根據(jù)測得的空間光譜功率分布計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)平均的方法計算。

分布光譜輻射計由分布光度計和快速光譜輻射計組成，使用快速光譜輻射計替代分布光度計中的光度探測器，能夠滿足LED模塊顏色分布特性測量的要求。

6.3LED的測試6.3.3熱阻及結(jié)溫測試

在規(guī)定的環(huán)境溫度條件下，給被測照明用LED上施加一小測量電流IM，測量得到正向電壓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，測量加熱電流IH下的正向電壓UH；然后快速用測量電流IM替代IH，測量得到正向電壓UFf。被測照明LED結(jié)溫可按照下式計算

（6-3）式中，TJ為LED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)動電路6.4.1一般驅(qū)動電路

由于受到LED功率水平的限制，通常需同時驅(qū)動多個LED以滿足亮度需求，因此，需要專門的驅(qū)動電路來點亮LED。6.4LED驅(qū)動電路1．電阻限流驅(qū)動電路LED電阻限流電路如圖6-14所示，電阻限流驅(qū)動電路是最簡單的驅(qū)動電路，限流電阻按下式計算。

（6-6）式中，Vin為電路的輸入電壓；IF為LED的正向電流；VF為LED在正向電流為IF時的壓降；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)動電路圖6-14電阻限流LED驅(qū)動電路6.4LED驅(qū)動電路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，通過分流調(diào)節(jié)器的電流將會增大，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，調(diào)節(jié)動態(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)動電路圖6-15線性調(diào)節(jié)器示意圖6.4LED驅(qū)動電路3．開關(guān)調(diào)節(jié)器