第6章LED與檢測技術(shù)

第6章LED與檢測技術(shù)第一頁，共36頁。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ED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。第二頁，共36頁。

LED路燈系列第三頁，共36頁。LED工礦燈系列LED投光燈系列第四頁，共36頁。

LED日光燈系列LED球泡燈系列第五頁，共36頁。

LED天花燈LED筒燈系列LED隧道燈LED面板燈第六頁，共36頁。

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100～500A，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)合第七頁，共36頁。

第八頁，共36頁。

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，對于1mm×1mm的功率級芯片制成白光LED，其F=18lm。（2）LED發(fā)光強度發(fā)光強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。第九頁，共36頁。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橄值與其總和之比。（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。第十頁，共36頁。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)光二極管器釋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。4.LED的伏安特性第十一頁，共36頁。第十二頁，共36頁。6.3LED的測試6.3.1電性能測試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。（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電牲能測試接線圖第十三頁，共36頁。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=SEdS（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。CIE84-1989對照度分布積分法及其分布光度計的要求進(jìn)行了明確的規(guī)定：被測光源和燈具無需嚴(yán)格位于虛擬球的中心，且對燈中心到光度探側(cè)器間的測量距離不作嚴(yán)格的要求，最小測量距離只要滿足光度探測器繞被側(cè)LED模塊旋轉(zhuǎn)的物理尺寸即可，但應(yīng)注意在測量距離較近時，光度探測器應(yīng)具有較好的余弦校正。如圖6-9所示為測量總光通量的探測器旋轉(zhuǎn)式分布光度計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。測量LED模塊總光通量的探測器旋轉(zhuǎn)式分布光度計應(yīng)能使被測LED模塊按標(biāo)準(zhǔn)測量姿態(tài)燃點，并盡量使其光度中心處于分布光度計的旋轉(zhuǎn)中心，被測LED模塊在光度取樣中保持靜止?fàn)顟B(tài)：探測器旋轉(zhuǎn)式分布光度計的光度探側(cè)器應(yīng)正面面對被側(cè)LED模塊，直接接收來自被側(cè)LED棋塊的光束。第十四頁，共36頁。（a）原理圖（b）結(jié)構(gòu)圖圖6-9測量光通量的探測器旋轉(zhuǎn)式分布光度計原理和結(jié)構(gòu)第十五頁，共36頁。（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模塊的光通量將被測LED模塊夾持在探測器旋轉(zhuǎn)式分布光度計上，使LED模塊處于規(guī)定的姍點狀態(tài)，LED模塊的發(fā)光中心處于分布光度計的旋轉(zhuǎn)中心。在足夠多的發(fā)光平面上以足夠小的角度間隔測量以分布光度計的光度探測器到被測LED模塊發(fā)光中心之間的測量距離為半徑的虛擬球面上的各點的照度。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LED模塊尺寸較大或光束角較窄時，應(yīng)采用更小的平面間隔和角度步長，以保證照度分布的取樣完整性。用數(shù)值積分的辦法計算出LED模塊的總光通量，總光通量按公式計算：（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。第十六頁，共36頁。圖6-10光通量測量示意圖第十七頁，共36頁。（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：光強積分法測量光通量和積分球法測量光通量。①光強積分測量法。光強積分法測量光通量使用如圖6-11所示光強分布光度計測試光通量，光強分布光度計一般通過照度和照度平方反比關(guān)系來實現(xiàn)空間光強分布的測盤，此時分布光度計測量距離應(yīng)至少為LED模塊最大發(fā)光口面的5倍。對于光強分布曲線與余弦分布明顯不同的LED模塊，上述測盤距離會帶來超過1％的誤差，因此這種LED模塊的光強測量距離至少需要為最大發(fā)光口面的10倍；光強積分法的測試還可以使用雙鏡式分布光度計、圓周運動反光鏡式分布光度計和中心旋轉(zhuǎn)反光鏡式分布光度計。同以上這些分布光度計相比探測器旋轉(zhuǎn)式分布光度計結(jié)構(gòu)簡單、自身穩(wěn)定性高且造價不高，但由于熱平衡容易被破壞，可能會影響到光源發(fā)光的穩(wěn)定性，但當(dāng)被測光源的溫度影響不大時，該系統(tǒng)即可精確測量。第十八頁，共36頁。（a）原理〔b）結(jié)構(gòu)示意圖圖6-11探測器旋轉(zhuǎn)分布光度計原理和結(jié)構(gòu)示意圖第十九頁，共36頁。②積分球測量法。積分球法測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)積分光度計了積分光譜輻射計。當(dāng)光通量標(biāo)準(zhǔn)燈與被測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，可能會產(chǎn)生較大測量誤差。將被測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積分球測量示意圖第二十頁，共36頁。圖6-13典型分布光輻射計示意圖第二十一頁，共36頁。2.LED模塊色度特性的測量方法受其發(fā)光機制的影響，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，圖6-13為典型的分布光譜輻射計示意圖。光譜輻射計的光譜輻射強度或光譜輻射照度用滿足測量要求的光譜輻射強度或照度標(biāo)準(zhǔn)燈校準(zhǔn)。校準(zhǔn)后的光譜輻射計的色品坐標(biāo)（x，y）測量準(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；光譜輻射計的光源顏色測量和顯色性指數(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。同時要求光潛輻射計應(yīng)具有足夠快的測量速度，且應(yīng)具備同步采樣功能，以實現(xiàn)光LIB輥射強度測量與分布譜輻射計的轉(zhuǎn)動角度同步。第二十二頁，共36頁。6.3.3熱阻及結(jié)溫測試在規(guī)定的環(huán)境溫度條件下，給被側(cè)照明用LED上施加一小測量電流IM，測量得到正向電壓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TJ=KUF（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。第二十三頁，共36頁。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，需要專門的馭動電路來點亮LED。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。R=(Vin-yVF-VD)/xIF（6-6）第二十四頁，共36頁。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)。（a）并聯(lián)線性調(diào)節(jié)器圖6-15線性調(diào)節(jié)器示意圖第二十五頁，共36頁。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。（b）串聯(lián)線性調(diào)節(jié)器圖6-15線性調(diào)節(jié)器示意圖第二十六頁，共36頁。3．開關(guān)調(diào)節(jié)器上述驅(qū)動技術(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)動盯，田士甩侃只有兒個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)動時，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，只是為了滿足LED的恒流驅(qū)動，采用檢測輸出電流而不是檢測輸出電壓進(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。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)動電路不但簡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LED串聯(lián)的場合。第二十七頁，共36頁。（a）Buck變換器圖6-16開關(guān)式驅(qū)動電路第二十八頁，共36頁。（b）Boost變換器圖6-16開關(guān)式驅(qū)動電路第二十九頁，共36頁。（c）Buck-Boost變換器圖6-16開關(guān)式驅(qū)動電路第三十頁，共36頁。6.4.2LED驅(qū)動電路實例1．基于LM317組成的LED恒流膽動器圖6-17LM317作恒壓輸出的典型應(yīng)用圖6-16LM317恒流驅(qū)動LED第三十一頁，共36頁。2.高調(diào)光比LED恒流驅(qū)動器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，功率開關(guān)關(guān)斷，PT4115進(jìn)入極低工作電流的待機狀態(tài)。第三十二頁，共36頁。3.基于LM3404與PIC12P675結(jié)溫保護的LED驅(qū)動設(shè)計第三十三頁，共36頁。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)計恒流值為600mA，結(jié)溫保護點為80℃左右，根據(jù)式（6-13）得出其光源電壓保護點為18.68V，即光源兩端的電壓低于18.68V時，