LED照明基礎(chǔ)知識(shí)理論

/ＬED照明基礎(chǔ)知識(shí)理論LＥＤ照明基礎(chǔ)知識(shí)理論半導(dǎo)體發(fā)光器件包括半導(dǎo)體發(fā)光二極管(簡稱LＥＤ)、數(shù)碼管、符號(hào)管、米字管及點(diǎn)陣式顯示屏(簡稱矩陣管)等。事實(shí)上，數(shù)碼管、符號(hào)管、米字管及矩陣管中的每個(gè)發(fā)光單元都是一個(gè)發(fā)光二極管.一、半導(dǎo)體發(fā)光二極管工作原理、特性及應(yīng)用(一）LＥD發(fā)光原理發(fā)光二極管是由Ⅲ—Ⅳ族化合物,如GaAｓ(砷化鎵)、GaP（磷化鎵）、GａAsP(磷砷化鎵）等半導(dǎo)體制成的，其核心是PN結(jié).因此它具有一般Ｐ-N結(jié)的I—N特性，即正向?qū)?反向截止、擊穿特性.此外,在一定條件下,它還具有發(fā)光特性。在正向電壓下,電子由N區(qū)注入Ｐ區(qū),空穴由P區(qū)注入N區(qū)。進(jìn)入對(duì)方區(qū)域的少數(shù)載流子（少子)一部分與多數(shù)載流子(多子）復(fù)合而發(fā)光，如圖1所示.假設(shè)發(fā)光是在P區(qū)中發(fā)生的,那么注入的電子與價(jià)帶空穴直接復(fù)合而發(fā)光,或者先被發(fā)光中心捕獲后，再與空穴復(fù)合發(fā)光。除了這種發(fā)光復(fù)合外,還有些電子被非發(fā)光中心（這個(gè)中心介于導(dǎo)帶、介帶中間附近)捕獲，而后再與空穴復(fù)合，每次釋放的能量不大,不能形成可見光。發(fā)光的復(fù)合量相對(duì)于非發(fā)光復(fù)合量的比例越大,光量子效率越高。由于復(fù)合是在少子擴(kuò)散區(qū)內(nèi)發(fā)光的，所以光僅在＊近PＮ結(jié)面數(shù)μm以內(nèi)產(chǎn)生.理論和實(shí)踐證明，光的峰值波長λ與發(fā)光區(qū)域的半導(dǎo)體材料有關(guān)，即λ≈124０／Eg(mm）式中Ｅg的單位為電子伏特（eV）。若能產(chǎn)生可見光（波長在380nm紫光～7８０nm紅光),半導(dǎo)體材料的Eg應(yīng)在3。２6～１．６3eＶ之間。比紅光波長長的光為紅外光?，F(xiàn)在已有紅外、紅、黃、綠及藍(lán)光發(fā)光二極管，但其中藍(lán)光二極管成本、價(jià)格很高,使用不普遍。（二）LＥD的特性1。極限參數(shù)的意義(1）允許功耗Pm：允許加于LED兩端正向直流電壓與流過它的電流之積的最大值。超過此值，LEＤ發(fā)熱、損壞.（２）最大正向直流電流IFｍ：允許加的最大的正向直流電流。超過此值可損壞二極管.（3）最大反向電壓VRｍ：所允許加的最大反向電壓.超過此值，發(fā)光二極管可能被擊穿損壞。(4）工作環(huán)境ｔopm：發(fā)光二極管可正常工作的環(huán)境溫度范圍。低于或高于此溫度范圍,發(fā)光二極管將不能正常工作，效率大大降低。２．電參數(shù)的意義（1)光譜分布和峰值波長：某一個(gè)發(fā)光二極管所發(fā)之光并非單一波長，其波長大體按圖2所示。由圖可見，該發(fā)光管所發(fā)之光中某一波長λ０的光強(qiáng)最大，該波長為峰值波長。(2）發(fā)光強(qiáng)度IV:發(fā)光二極管的發(fā)光強(qiáng)度通常是指法線(對(duì)圓柱形發(fā)光管是指其軸線）方向上的發(fā)光強(qiáng)度。若在該方向上輻射強(qiáng)度為(1／６8３)W/ｓｒ時(shí)，則發(fā)光1坎德拉（符號(hào)為cd）。由于一般LEＤ的發(fā)光二強(qiáng)度小，所以發(fā)光強(qiáng)度常用坎德拉（ｍcd)作單位。（3）光譜半寬度Δλ:它表示發(fā)光管的光譜純度。是指圖3中1／2峰值光強(qiáng)所對(duì)應(yīng)兩波長之間隔。?（4)半值角θ1／2和視角：θ1/2是指發(fā)光強(qiáng)度值為軸向強(qiáng)度值一半的方向與發(fā)光軸向（法向)的夾角.半值角的2倍為視角(或稱半功率角)。圖３給出的二只不同型號(hào)發(fā)光二極管發(fā)光強(qiáng)度角分布的情況。中垂線（法線)AO的坐標(biāo)為相對(duì)發(fā)光強(qiáng)度(即發(fā)光強(qiáng)度與最大發(fā)光強(qiáng)度的之比).顯然，法線方向上的相對(duì)發(fā)光強(qiáng)度為1，離開法線方向的角度越大，相對(duì)發(fā)光強(qiáng)度越小.由此圖可以得到半值角或視角值。(５）正向工作電流Ｉf：它是指發(fā)光二極管正常發(fā)光時(shí)的正向電流值。在實(shí)際使用中應(yīng)根據(jù)需要選擇IF在0.6·ＩFm以下。（6)正向工作電壓VF：參數(shù)表中給出的工作電壓是在給定的正向電流下得到的.一般是在IF=20ｍA時(shí)測(cè)得的。發(fā)光二極管正向工作電壓VF在1．４～3V。在外界溫度升高時(shí)，ＶF將下降。(7)V-I特性:發(fā)光二極管的電壓與電流的關(guān)系可用圖4表示。在正向電壓正小于某一值(叫閾值)時(shí),電流極小，不發(fā)光。當(dāng)電壓超過某一值后，正向電流隨電壓迅速增加,發(fā)光。由V－I曲線可以得出發(fā)光管的正向電壓，反向電流及反向電壓等參數(shù).正向的發(fā)光管反向漏電流IR（三）LＥD的分類1．按發(fā)光管發(fā)光顏色分按發(fā)光管發(fā)光顏色分,可分成紅色、橙色、綠色(又細(xì)分黃綠、標(biāo)準(zhǔn)綠和純綠）、藍(lán)光等。另外,有的發(fā)光二極管中包含二種或三種顏色的芯片。根據(jù)發(fā)光二極管出光處摻或不摻散射劑、有色還是無色，上述各種顏色的發(fā)光二極管還可分成有色透明、無色透明、有色散射和無色散射四種類型。散射型發(fā)光二極管和達(dá)于做指示燈用。２。按發(fā)光管出光面特征分按發(fā)光管出光面特征分圓燈、方燈、矩形、面發(fā)光管、側(cè)向管、表面安裝用微型管等。圓形燈按直徑分為φ2mm、φ4。４ｍm、φ5mｍ、φ８mm、φ１０mm及φ20mm等。國外通常把φ３mm的發(fā)光二極管記作T—1;把φ５mｍ的記作T-1（３／４）；把φ4．４mm的記作T—1(1／4）。由半值角大小可以估計(jì)圓形發(fā)光強(qiáng)度角分布情況.從發(fā)光強(qiáng)度角分布圖來分有三類：（1）高指向性。一般為尖頭環(huán)氧封裝，或是帶金屬反射腔封裝，且不加散射劑。半值角為5°～２０°或更小，具有很高的指向性,可作局部照明光源用，或與光檢出器聯(lián)用以組成自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。（2）標(biāo)準(zhǔn)型.通常作指示燈用，其半值角為20°~４5°.(3）散射型。這是視角較大的指示燈,半值角為45°～90°或更大，散射劑的量較大.３。按發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)分按發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)分有全環(huán)氧包封、金屬底座環(huán)氧封裝、陶瓷底座環(huán)氧封裝及玻璃封裝等結(jié)構(gòu)。４.按發(fā)光強(qiáng)度和工作電流分按發(fā)光強(qiáng)度和工作電流分有普通亮度的ＬEＤ（發(fā)光強(qiáng)度100mｃｄ）；把發(fā)光強(qiáng)度在１0～１00mcd間的叫高亮度發(fā)光二極管。

一般ＬＥD的工作電流在十幾mA至幾十mA,而低電流LEＤ的工作電流在２ｍＡ以下(亮度與普通發(fā)光管相同）。除上述分類方法外，還有按芯片材料分類及按功能分類的方法.（四)LＥD的應(yīng)用由于發(fā)光二極管的顏色、尺寸、形狀、發(fā)光強(qiáng)度及透明情況等不同，所以使用發(fā)光二極管時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行恰當(dāng)選擇。由于發(fā)光二極管具有最大正向電流IFｍ、最大反向電壓VＲm的限制,使用時(shí)，應(yīng)保證不超過此值。為安全起見,實(shí)際電流IＦ應(yīng)在0。6IFｍ以下;應(yīng)讓可能出現(xiàn)的反向電壓VRLED被廣泛用于種電子儀器和電子設(shè)備中，可作為電源指示燈、電平指示或微光源之用.紅外發(fā)光管常被用于電視機(jī)、錄像機(jī)等的遙控器中.(1）利用高亮度或超高亮度發(fā)光二極管制作微型手電的電路如圖5所示.圖中電阻Ｒ限流電阻，其值應(yīng)保證電源電壓最高時(shí)應(yīng)使LED的電流小于最大允許電流IFm。（２）圖6(a)、(b）、（c)分別為直流電源、整流電源及交流電源指示電路。圖（a）中的電阻≈(Ｅ—VF)/IF；圖（ｂ)中的R≈（１.4Ｖi-ＶF)／IF;圖（c）中的R≈Vi/ＩF式中，Vｉ-—交流電壓有效值。(３）單LED電平指示電路.在放大器、振蕩器或脈沖數(shù)字電路的輸出端，可用LED表示輸出信號(hào)是否正常，如圖７所示.R為限流電阻。只有當(dāng)輸出電壓大于ＬEＤ的閾值電壓時(shí),LED才可能發(fā)光。（４)單LＥD可充作低壓穩(wěn)壓管用。由于ＬEＤ正向?qū)ê?，電流隨電壓變化非?？欤哂衅胀ǚ€(wěn)壓管穩(wěn)壓特性。發(fā)光二極管的穩(wěn)定電壓在１．４~3Ｖ間，應(yīng)根據(jù)需要進(jìn)行選擇VＦ,如圖8所示。（５）電平表。目前,在音響設(shè)備中大量使用LED電平表。它是利用多只發(fā)光管指示輸出信號(hào)電平的,即發(fā)光的LＥD數(shù)目不同,則表示輸出電平的變化。圖9是由5只發(fā)光二極管構(gòu)成的電平表。當(dāng)輸入信號(hào)電平很低時(shí),全不發(fā)光.輸入信號(hào)電平增大時(shí)，首先LED1亮,再增大LEＤ２亮……。五）發(fā)光二極管的檢測(cè)1.普通發(fā)光二極管的檢測(cè)（1)用萬用表檢測(cè)。利用具有×10kΩ擋的指針式萬用表可以大致判斷發(fā)光二極管的好壞。正常時(shí),二極管正向電阻阻值為幾十至200kΩ，反向電阻的值為∝。如果正向電阻值為0或?yàn)椤?，反向電阻值很小或?yàn)?，則易損壞.這種檢測(cè)方法，不能實(shí)地看到發(fā)光管的發(fā)光情況,因?yàn)椤粒?kΩ擋不能向LEＤ提供較大正向電流。如果有兩塊指針萬用表(最好同型號(hào)）可以較好地檢查發(fā)光二極管的發(fā)光情況。用一根導(dǎo)線將其中一塊萬用表的“＋”接線柱與另一塊表的“－”接線柱連接。余下的“—”筆接被測(cè)發(fā)光管的正極（P區(qū)），余下的“＋”筆接被測(cè)發(fā)光管的負(fù)極（N區(qū)）。兩塊萬用表均置×１0Ω擋.正常情況下，接通后就能正常發(fā)光。若亮度很低，甚至不發(fā)光，可將兩塊萬用表均撥至×1Ω若,若仍很暗，甚至不發(fā)光，則說明該發(fā)光二極管性能不良或損壞。應(yīng)注意,不能一開始測(cè)量就將兩塊萬用表置于×１Ω，以免電流過大，損壞發(fā)光二極管。?（2)外接電源測(cè)量.用3V穩(wěn)壓源或兩節(jié)串聯(lián)的干電池及萬用表（指針式或數(shù)字式皆可)可以較準(zhǔn)確測(cè)量發(fā)光二極管的光、電特性。為此可按圖10所示連接電路即可。如果測(cè)得VＦ在1。４～3V之間，且發(fā)光亮度正常，可以說明發(fā)光正常.如果測(cè)得VＦ＝0或VF≈3V,且不發(fā)光，說明發(fā)光管已壞。２。紅外發(fā)光二極管的檢測(cè)由于紅外發(fā)光二極管,它發(fā)射1～3μｍ的紅外光，人眼看不到。通常單只紅外發(fā)光二極管發(fā)射功率只有數(shù)mW，不同型號(hào)的紅外LＥD發(fā)光強(qiáng)度角分布也不相同。紅外LED的正向壓降一般為1。３~2。5Ｖ。正是由于其發(fā)射的紅外光人眼看不見,所以利用上述可見光LEＤ的檢測(cè)法只能判定其PN結(jié)正、反向電學(xué)特性是否正常，而無法判定其發(fā)光情況正常否.為此，最好準(zhǔn)備一只光敏器件（如2CR、2ＤR型硅光電池）作接收器.用萬用表測(cè)光電池兩端電壓的變化情況。來判斷紅外LED加上適當(dāng)正向電流后是否發(fā)射紅外光。其測(cè)量電路如圖１1所示。二、LＥD顯示器結(jié)構(gòu)及分類通過發(fā)光二極管芯片的適當(dāng)連接（包括串聯(lián)和并聯(lián)）和適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)結(jié)構(gòu).可構(gòu)成發(fā)光顯示器的發(fā)光段或發(fā)光點(diǎn)。由這些發(fā)光段或發(fā)光點(diǎn)可以組成數(shù)碼管、符號(hào)管、米字管、矩陣管、電平顯示器管等等。通常把數(shù)碼管、符號(hào)管、米字管共稱筆畫顯示器,而把筆畫顯示器和矩陣管統(tǒng)稱為字符顯示器.（一)LＥD顯示器結(jié)構(gòu)基本的半導(dǎo)體數(shù)碼管是由七個(gè)條狀發(fā)光二極管芯片按圖12排列而成的。可實(shí)現(xiàn)0～9的顯示。其具體結(jié)構(gòu)有“反射罩式"、“條形七段式"及“單片集成式多位數(shù)字式”等.1）反射罩式數(shù)碼管一般用白色塑料做成帶反射腔的七段式外殼,將單個(gè)LED貼在與反射罩的七個(gè)反射腔互相對(duì)位的印刷電路板上，每個(gè)反射腔底部的中心位置就是LＥD芯片。在裝反射罩前，用壓焊方法在芯片和印刷電路上相應(yīng)金屬條之間連好φ30μm的硅鋁絲或金屬引線,在反射罩內(nèi)滴入環(huán)氧樹脂,再把帶有芯片的印刷電路板與反射罩對(duì)位粘合,然后固化。反射罩式數(shù)碼管的封裝方式有空封和實(shí)封兩種。實(shí)封方式采用散射劑和染料的環(huán)氧樹脂，較多地用于一位或雙位器件?？辗夥绞绞窃谏戏缴w上濾波片和勻光膜，為提高器件的可*性，必須在芯片和底板上涂以透明絕緣膠,這還可以提高光效率。這種方式一般用于四位以上的數(shù)字顯示（或符號(hào)顯示）。（２)條形七段式數(shù)碼管屬于混合封裝形式。它是把做好管芯的磷化鎵或磷化鎵圓片,劃成內(nèi)含一只或數(shù)只LED發(fā)光條，然后把同樣的七條粘在日字形“可伐”框上，用壓焊工藝連好內(nèi)引線,再用環(huán)氧樹脂包封起來。（3）單片集成式多位數(shù)字顯示器是在發(fā)光材料基片上（大圓片),利用集成電路工藝制作出大量七段數(shù)字顯示圖形，通過劃片把合格芯片選出，對(duì)位貼在印刷電路板上，用壓焊工藝引出引線，再在上面蓋上“魚眼透鏡”外殼.它們適用于小型數(shù)字儀表中。（4)符號(hào)管、米字管的制作方式與數(shù)碼管類似。（５)矩陣管(發(fā)光二極管點(diǎn)陣）也可采用類似于單片集成式多位數(shù)字顯示器工藝方法制作。（二）LEＤ顯示器分類?１)按字高分:筆畫顯示器字高最小有１mｍ(單片集成式多位數(shù)碼管字高一般在２～3ｍm）.其他類型筆畫顯示器最高可達(dá)12.7mｍ(0.5英寸）甚至達(dá)數(shù)百mm。(2)按顏色分有紅、橙、黃、綠等數(shù)種。(3）按結(jié)構(gòu)分，有反射罩式、單條七段式及單片集成式.(4）從各發(fā)光段電極連接方式分有共陽極和共陰極兩種。所謂共陽方式是指筆畫顯示器各段發(fā)光管的陽極（即P區(qū))是公共的，而陰極互相隔離。所謂共陰方式是筆畫顯示器各段發(fā)光管的陰極（即Ｎ區(qū)）是公共的，而陽極是互相隔離的。如圖１３所示。（三）ＬED顯示器的參數(shù)由于ＬED顯示器是以LED為基礎(chǔ)的，所以它的光、電特性及極限參數(shù)意義大部分與發(fā)光二極管的相同。但由于LED顯示器內(nèi)含多個(gè)發(fā)光二極管,所以需有如下特殊參數(shù)：1。發(fā)光強(qiáng)度比由于數(shù)碼管各段在同樣的驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，各段正向電流不相同，所以各段發(fā)光強(qiáng)度不同.所有段的發(fā)光強(qiáng)度值中最大值與最小值之比為發(fā)光強(qiáng)度比。比值可以在1。5～2。3間,最大不能超過２。5。2．脈沖正向電流若筆畫顯示器每段典型正向直流工作電流為ＩＦ，則在脈沖下，正向電流可以遠(yuǎn)大于ＩF。脈沖占空比越小,脈沖正向電流可以越大。(四)LＥD顯示器的應(yīng)用指南1。七段數(shù)碼顯示器(１）如果數(shù)碼宇航局為共陽極形式，那么它的驅(qū)動(dòng)級(jí)應(yīng)為集電極開路（OC）結(jié)構(gòu)，如圖1４（a)所示.如果數(shù)碼管為共陰極形式，它的驅(qū)動(dòng)級(jí)應(yīng)為射極輸出或源極輸出電路，如圖14（ｂ）所示。例如國產(chǎn)ＴTＬ集成電路ＣＴ1０4９、CT40４9為集電極開路形式七段字形譯碼驅(qū)動(dòng)電路;而CMＯS集成電路CＣ4511為源極輸出七段鎖存、譯碼驅(qū)動(dòng)電路。(２）控制數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)級(jí)的控制電路（也稱驅(qū)動(dòng)電路）有靜態(tài)式和動(dòng)態(tài)式兩類。①靜態(tài)驅(qū)動(dòng)：靜態(tài)驅(qū)動(dòng)也稱直流驅(qū)動(dòng)。靜態(tài)驅(qū)動(dòng)是指每個(gè)數(shù)碼管各用一個(gè)筆畫譯碼器（如BＣＤ碼二—十進(jìn)制譯碼器)譯碼驅(qū)動(dòng).圖15是一位數(shù)碼管的靜態(tài)驅(qū)動(dòng)之例。圖集成電路TＣ5002BP內(nèi)含有射極輸出驅(qū)動(dòng)級(jí)，所以采用共陰極數(shù)碼管。A、Ｂ、C、D端為BCD碼(二-十進(jìn)制的８421碼)輸入端,BL為數(shù)碼管熄滅及顯示狀態(tài)控制端，Ｒ為外接電阻。圖16為N位數(shù)字靜態(tài)驅(qū)動(dòng)顯示電路。②動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)：動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)是將所有數(shù)碼管使用一個(gè)專門的譯碼驅(qū)動(dòng)器,使各位數(shù)碼管逐個(gè)輪流受控顯示，這就是動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)。由于掃描速度極快。顯示效果與靜態(tài)驅(qū)動(dòng)相同。圖１7是一種四位數(shù)字動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)(脈搏沖驅(qū)動(dòng)）方法的線路.圖中只用了一個(gè)譯碼驅(qū)動(dòng)電路TC5002ＢP。TC４508BP內(nèi)含兩個(gè)鎖存器，每個(gè)鎖存器可鎖存四位二進(jìn)BCＤ碼,對(duì)應(yīng)于四位十進(jìn)制數(shù)的四組BCＤ碼分別輸入到四個(gè)鎖存器,四個(gè)鎖存器，四組BＣD碼由四個(gè)鎖存器分時(shí)輪流輸出進(jìn)入譯碼器，譯碼后進(jìn)入數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)級(jí)集成電路TＤ6２505P（輸入端I１~