LED技术指标和测量方法.ppt

第六章LED的技术指标和测量方法 主要内容 1 LED的I V特性 OA段 正向死区VA为开启LED发光的电压 开启电压对于不同LED其值不同 GaAs为1V 红色GaAsP为1 2V GaP为1 8V GaN为2 5V AB段 工作区在这一区段 一般是随着电压增加电流也跟着增加 发光亮度也跟着增大 但在这个区段内要特别注意 如果不加任何保护 当正向电压增加到一定值后 那么发光二极管的正向电压会减小 而正向电流会加大 如果没有保护电路 会因电流增大而烧坏发光二极管 OC段 反向死区发光二极管加反向电压是不发光的 不工作 但有反向电流 这个反向电流通常很小 一般在几 A之内 在1990 1995年 反向电流定为10 A 1995 2000年为5 A 目前一般是在3 A以下 但基本上是0 A CD段 反向击穿区发光二极管的反向电压由于所用化合物材料种类不同 各种LED的反向击穿电压VC也不同 一般不要超过10V 最大不得超过15V 超过这个电压 就会出现反向击穿 导致LED报废 1 LED的I V特性 2 LED的电学指标 对于LED器件 一般常用的电学指标有以下几项 正向电压VF 通过LED的正向电流为规定值时 在两极间产生的电压降 发光二极管正向工作电压VF一般在1 4 3V 在外界温度升高时 VF将下降 正向电流IF 加载在LED两端的正向电压为规定值时 流过LED的电流 反向漏电流IR 按LED以前的常规规定 指反向电压在5V时的反向漏电流 如上面所说 随着发光二极管性能的提高 反向漏电流会越来越小 但大功率LED芯片尚未明确规定 工作时的耗散功率PD 即正向电流乘以正向电压 3 LED的极限参数 对于LED器件 一般常用的极限参数有以下几项 最大允许耗散功率Pmax 允许加于LED两端正向直流电压与流过它的电流之积的最大值 超过此值 LED发热 损坏 当流过LED的电流为IF 管压降为UF则功率消耗为P UF IF 最大允许工作电流IFM 允许加的最大的正向直流电流 超过此值可损坏二极管 一般只用到最大电流IFM的60 为好 最大允许正向脉冲电流IFP 一般是由占空比与脉冲重复频率来确定 LED工作于脉冲状态时 可通过调节脉宽来实现亮度调节 例如LED显示屏就是利用这个手段来调节亮度的 反向击穿电压VR 所允许加的最大反向电压 反向击穿电压通常不能超过20V 4 LED的其他电学参数 在高频电路中使用LED时 还要考虑以下两个因素 结电容Cj响应时间 上升时间tr 下降时间tf当LED接在高频电路中使用时 要考虑到结电容和上升 下降时间 否则LED无法正常工作 响应时间表征某一显示器跟踪外部信息变化的快慢 现有几种显示LCD 液晶显示 约10 3 10 5S CRT PDP LED都达到10 6 10 7S us级 响应时间 响应时间从使用角度来看 就是LED点亮与熄灭所延迟的时间 即图中tr tf 图中t0值很小 可忽略 响应时间主要取决于载流子寿命 器件的结电容及电路阻抗 LED的点亮时间 上升时间tr是指接通电源使发光亮度达到正常的10 开始 一直到发光亮度达到正常值的90 所经历的时间 LED熄灭时间 下降时间tf是指正常发光减弱至原来的10 所经历的时间 不同材料制得的LED响应时间各不相同 如GaAs GaAsP GaAlAs其响应时间 10 9S GaP为10 7S 因此它们可用在10 100MHZ高频系统 1 发光强度 在光度学物理量的基本定义中都要引用到立体角这一概念 而且立体角在照明计算中也经常用到 l A o B a s A A r b o r 平面角和立体角 发光强度I 光源在指定方向上单位立体角内发出的光通量 是光通量的立体角密度发光强度 简称光强 发光强度是表示光源发光强弱程度的物理量 单位 坎德拉 cd 其具体表达式为 I 它表征发光器件发光强弱的重要性能 若光源向空间发射的光通量为 由于光源总立体角为4 则平均光强为I 4 2发光峰值波长 p及其光谱分布 LED发光强度或光功率输出随着波长变化而不同 绘成一条分布曲线 光谱分布曲线 当此曲线确定之后 器件的有关主波长 纯度等相关色度学参数亦随之而定 LED的光谱分布与制备所用化合物半导体种类 性质及pn结结构 外延层厚度 掺杂杂质 等有关 而与器件的几何形状 封装方式无关 1蓝光InGaN GaN2绿光GaP N3红光GaP Zn O4红外GaAs5Si光敏光电管6标准钨丝灯 上图绘出几种由不同化合物半导体及掺杂制得LED光谱响应曲线 其中LED光谱分布曲线 是蓝色InGaN GaN发光二极管 发光谱峰 p 460 465nm 是绿色GaP N的LED 发光谱峰 p 550nm 是红色GaP Zn O的LED 发光谱峰 p 680 700nm 是红外LED使用GaAs材料 发光谱峰 p 910nm 是Si光电二极管 通常作光电接收用 峰值波长 p 上述分析可知 无论什么材料制成的LED 都有一个相对光强度最强处 光输出最大 与之相对应有一个波长 此波长叫峰值波长 用 p表示 只有单色光才有 p波长 它是一种纯粹的物理量 一般应用于波形比较对称的单色光检测 谱线宽度 FWHM Fullwidthathalfmaximum 在LED谱线的峰值两侧 处 存在两个光强等于峰值 最大光强度 一半的点 此两点分别对应 p p 之间宽度叫谱线宽度 也称半功率宽度或半高宽度 简称半宽度或带宽 半宽度反映谱线宽窄 即LED单色性的参数 LED半宽小于40nm 主波长 d 指人眼所能观察到的 由LED发出主要单色光的波长 有的LED发光不单是单一色 即不仅有一个峰值波长 甚至有多个峰值 并非单色光 为此描述LED色度特性而引入主波长 单色性越好 则 p也就是主波长 2发光峰值波长 p及其光谱分布V 峰值波长 p及谱线宽度 对主波长的进一步解释 任何一个颜色都可以看作为用某一个光谱色按一定比例与一个参照光源 如CIE标准光源A B C等 等能光源E 标准照明体D65等 相混合而匹配出来的颜色 这个光谱色就是颜色的主波长 颜色的主波长相当于人眼观测到的颜色的色调 心理量 若已获得被测LED器件的色度坐标 就可以采用等能白光C光源 x0 0 3333 y0 0 3333 作为参照光源来计算决定颜色的主波长 计算时根据色度图上连接参照光源色度点与样品颜色色度点的直线的斜率 查表读出直线与光谱轨迹的交点 确定主波长 d 2发光峰值波长 p及其光谱分布V 主波长示意图 S点光源的主波长 d为左图中O点所对应的单色光波长 C点为等能量白光的参考光源点 色纯度Pe 如图所示Pe CS CO 色纯度范围一般在 0 1之间 中心波长 光谱的发光强度或辐射功率最大处所对应的波长 色温或相关色温Tc 高色温称为冷色调 低色温叫暖色调 显色指数Ra 最大为100 不同材料的LED的发光主波长 3光通量 光通量是指单位时间内辐射能量的大小 它是根据人眼对光的感觉来评价的 光通量的实质是表征光源辐射能量的能力 是光度量概念中最基本的物理量 单位为流明 lm 光通量 是表征LED总光输出的辐射能量 它标志器件的性能优劣 为LED向各个方向发光的能量之和 它与工作电流直接有关 随着电流增加 LED光通量随之增大 LED向外辐射的功率 光通量与芯片材料 封装工艺水平及外加恒流源大小有关 4 亮度发光体在给定方向上单位投影面积上发射的发光强度称为亮度 用符号L表示 单位为坎 米2 cd m2 5 照度物体的照度不仅与它表面上的光通量有关 而且与它本身表面积的大小有关 即在单位面积上接收到的光通量称为照度 用符号E表示 单位为勒克斯 lx 照度是表征被照物接受光通强弱的物理量 常用光度学单位及其相互关系 常用的光度测量定律 a 照度的平方反比定律 Ev I 垂直于光线传播方向的照度与光源在该方向的光强成正比 与光源到表面的距离的平方成反比 注意 只有点光源才符合距离平方反比定律 测试距离不应少于灯具出光口面最大尺寸的10倍 b 照度的余弦定律 c 余弦立方定律 6 半强度角 半强度角 就是光源中心法线方向向四周张开 中心光强I到周围的I 2之间的夹角 即为半强角度 电 光转换效率 光功率效率 发光效率 发光效率与内量子效率和外量子效率有关 在电 光转换效率中 存在以下的能量损失 1 辐射过程的能量损失 1 正向电压VF下 载流子在PN结中复合发射出光子 会造成能量的损失 2 由于PN结中有杂质 晶格缺陷等因素 每个电子渡越PN结与空穴复合时 并不是都能激发产生出一个光子 及内量子效率不可能达到100 3 每个电子渡越PN结耗能一定大于发射那个光子所具有的能量 2 封装时的能量损失3 激发过程的能量损失 比如 对于白光LED 由于用蓝光激发黄色YAG荧光粉 因此在激发的过程中存在能量损失 1 蓝光对黄色YAG荧光粉并非100 激发 这与黄色YAG荧光粉的颗粒大小和均匀度有关系 2 蓝色光子能量大于激发出黄色光子的能量 在蓝色光子转化成黄色光子的过程中存在能量损失 3 温度升高 蓝光太强 非辐射现象增加 蓝光转换成黄光的效率下降 1 热阻Rth LED器件的热学性能会直接影响到器件发光效率 强度 光谱特性 工作稳定性和使用寿命 LED热学设计的目的在于预言LED芯片的结温 所谓结温是指LED芯片PN结的温度 Rth 热阻Rth 热流通道上的温度差与通道上耗散功率之比 单位摄氏度每瓦 热阻越低 表明芯片中热量传导的越快 有利于降低芯片中PN结的温度 从而延长LED的寿命 影响热阻的因素 与LED的芯片本身的结构与材料有关 与LED粘结所用的材料的导热性能及粘结时的质量有关 与热沉的散热面积大小有关 防静电指标 一般LED做好后 双极开路防静电指标应在500V之内 失效率 指一批LED器件再点亮后多长时间 有多少个出现 死灯 现象 这是衡量这批LED器件质量的关键指标 寿命 LED器件在正常工作条件下 半光衰时间越长 说明LED的寿命越长 LED的寿命与使用时系统的散热条件 出光效率有直接关系 其他相关指标 老化 LED发光亮度随着长时间工作而出现光强或光亮度衰减现象 器件老化程度与外加恒流源的大小有关 可描述为 Lt LOe t Lt为t时间后的亮度 LO为初始亮度 通常把亮度降到Lt 1 2LO所经历的时间t称为二极管的寿命 测定t要花很长的时间 通常以推算求得寿命 测量方法 给LED通以一定恒流源 点燃103 104小时后 先后测得LO Lt 1000 10000 代入Lt LOe t 求出 再把Lt 1 2LO代入 可求出寿命t 长期以来总认为LED寿命为106小时 这是指单个LED在IF 20mA下 随着功率型LED开发应用 国外学者认为以LED的光衰减百分比数值作为寿命的依据 如LED的光衰减为原来35 寿命 6000h 寿命资料的进一步补充 CIE 国际发光照明委员会 原文为CommissionInternationaledeL Eclairage 法 或InternationalCommissiononIllumination 英 这个委员会创建的目的是要建立一套界定和测量色彩的技术标准 可回溯到1930年 CIE标准一直沿用到数字视频时代 其中包括白光标准 D65 和阴极射线管 CRT 内表面红 绿 蓝三种磷光理论上的理想颜色 IEC 国际电工委员会 IEC InternationalElectrotechnicalCommission 也是非政府性国际组织 是联合国社会经济理事会的甲级咨询机构 正式成立于1906年 是世界上成立最早的专门国际标准化机构 国际LED标准化组织 ISO 国际标准组织 ISO InternationalOrganizationforStandardization 于公元1946年由各国国家标准团体所组成之世界性联盟 为一质量需求之系统标准 其诉求之重点为要求企业内部之运作必须有一定之作业程序 且每个作业程序必须予以书面化 但其并不是在帮您企业制定作业标准 而是强调各项作业流程必须按照公司所自订之程序来执行之 毕竟每个行业或公司都有其不同之文化 其运作模式并非企业外之组织所能帮您制定 故以一简单之白话来表示 把做的写下来 按照写的做或言出必行 即为ISO所追求之最高宗旨 ANSI 美国国家标准协会 ANSI AmericanNationalStandardsInstitute 由公司 政府和其他成员组成的自愿组织 它们协商与标准有关的活动 审议美国国家标准 并努力提高美国在国际标准化组织中的地位 此外 ANSI使有关通信和网络方面的国际标准和美国标准得到发展 ANSI是IEC和ISO的成员之一 国际LED标准化组织 EN 欧洲标准 En EuropeNorm或EuropeStandard 按参加国所承担的共同义务 通过此EN标准将赋予某成员国的有关国家标准以合法地位 或撤销与之相对立的某一国家的有关标准 也就是说成员国的国家标准必须与EN标准保持一致 国际LED标准化组织 1 IEC60747 5半导体分立器件及集成电路 1992 2 IEC60747 5 2半导体分立器件及集成电路零部件5 2 光电子器件 分类特征及要素 1997 09 3 IEC60747 5 3半导体分立器件及集成电路5 3 光电子器件 测试方法 1997 08 4 IEC60747 12 3 半导体分立器件12 3 光电子器件 显示用发光二极管空白详细标准 1998 02 5 CIE127 1997LED测试方法 1997 2007年 CIE大幅修订了原有的LED测量技术文件CIE 127 在修订版中最大的改变为提出部分LED光通量 PartialLEDFlux 概念 虽然如此 CIE 127 2007仍然无法解决许多目前高功率LED所遇到的测量难题 6 CIE ISOLED强度测试标准 普通LED的测试标准 1 IEC60838 2 2 2006杂类灯座第2 2部分 特殊要求 LED模块用连接器2 IEC61347 2 13 2006灯控装置 第2 13部分 LED交直流供电控制设施的特殊要求3 IEC62031 2008普通照明用LED模块 安全规范4 IEC62384 2006LED模块的直流或交流电源电子控制装置 性能要求 IEC对LED模块标准 1 ANSIC78 377 2008 固态照明产品色度规范 SpecificationsfortheChromaticityofSolidStateLightingProducts 2 IESNALM 79 固态照明设备电气和光度测试核定方法 ElectricalandPhotometricMeasurementsofSolid StateLightingProducts 3 IESNALM 80 LED光源流明衰减测量方法 MeasuringLumenMaintenanceofLEDLightSources 4 IESNARP 16AddendumA 照明工程的术语和定义 NomenclatureandDefinitionsforIlluminatingEngineering 2008年发布的新标准 1 2006年7月 DOE与下一代照明行业联盟 NGLIA 合作起草了 白光LED产品能源之星 EnergyStar 标准 帮助消费者辨识市场中真正高质 节能的SSL产品 随后 DOE与北美照明工程学会 IESNA 签署合作备忘录 合作推出检测标准 并将其作为能源之星固态照明标准制定的基础 2 2007年7月 DOE提出了 五年固态照明商业化支持计划 草案 该计划包含目前正在进行的策略 如能源之星固态照明灯具标准 其它相关标准制定工作 商用LED产品评估报告及设计竞赛等 其中能源之星固态照明灯具标准已于2008年9月30日正式生效 而其它相关标准也须以能源之星标准的时程作为其制订的规划目标 3 2008年12月23日 美国能源部 DOE 发布固态照明能源之星版本1 1 在此版本中加入了几个新的应用 推迟了原来A类中几个引起争议的判据 该标准2009年2月1日生效 另外 DOE针对整体式LED灯已发布了能源之星的初稿草案标准 在2009年2月27日之前向大家征求其拟议标准的建议 并已在网站上发布了这些可能性标准 以供评论 最终标准预计将在2009年7月公布 4 2009年3月初 美国环保署 EPA 发布了住宅照明灯具 RLF 4 3版草案标准 并要求大家发表评论 新草案在是上一轮草案的基础上给予的修订 EPA要求就其2008年6月修订的RLF标准4 2版本中没有明确提及的两个细节 相关色温 CCT 和最低光输出要求的限定 发表评论 截止日期3月27日 能源之星固态照明灯具标准进展 注意 EPA的能源之星LED照明灯具标准与DOE的固态照明1 1版本之间存在差异 DOE固态照明标准1 1版中要求对全部灯具的光输出进行测试 比如 光通量的测试 而EPA能源之星标准则侧重对封装好的LED模组 发光二极管 热沉 驱动器 进行测试 虽然要求对每个灯具进行现场热测试 但是具有相同资格的LED模组可以被装到各种各样的灯具中 这两种标准的存在 一直是人们争论的焦点 尤其是DOE及其拥护者所支持的能源之星标准 能源之星固态照明灯具标准进展 CIES009 E 2002 对LED的安全性做出了规定 国际灯具安全要求标准 1 IEC60598 1 2008照明设备 第1部分 一般要求和试验2 IEC62471 2006灯具和灯具系统的光生物学安全性 国内灯具安全标准 1 GB7000 1 2007灯具第1部分 一般要求与试验 2 GB T20145 2006灯和灯系统的光生物安全性 包括LED对和灯具 国家电光源质量监督检验中心 北京 和浙江大学三色仪器有限公司共同起草 灯具的光辐射安全标准 LED安全标准 日本LED照明标准 日本照明学会 JIES 日本照明委员会 JCIE 日本照明器具工业会 JIL 以及日本电球工业会 J