第6章LED及检测技术

第6章LED及检测技术6.1概述6.2原理与特性6.2.1LED工作原理6.2.2LED特性6.3LED的测试6.3.1电性能测试6.3.2光色性能测试6.3.3热阻及结温测试6.4LED驱动电路6.4.1一般驱动电路6.4.2LED驱动电路实例6.1概述LED为发光二极管英文（LightEmittingDiode）简称，它是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。LED的心脏是一个半导体的晶片，整个晶片被环氧树脂封装起来。LED内部结构有和普通二极管相似的P区和N区，P区和N区交界形成PN结。LED与普通半导体二极管一样是一种允许电流单向导通的器件。LED又称半导体光源或冷光源，与常规白炽光源及气体放电光源具有完全不同的发光原理，其发光机理是利用某些特殊半导体材料电致发光原理直接将电能转化为可见光和辐射能，具有发光效率高、热量低、寿命长等特点，具有常规光源无法比拟的优势。

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6.2原理与特性半导体发光二极管（LED）和半导体激光器（LD）都属于发光器件，都采用PN结或异质结的注入式场致发光的方法发光。它们的结构如图6-2所示，其中图6-2（a）为LED，图6-2（b）为半导体激光器。它们的发光光谱相当窄，LED发光谱线宽，典型值是100～500A，LD的只有0.01～0.lnm宽。它们之间主要区别是：发光二极管靠注入载流子自发复合的自发辐射，发射的是非相干光，而半导体激光器靠受激辐射，发射的是相干光，光的单色性、方向性和亮度等都比发光二极管好得多。6.2.1LED工作原理半导体发光包括激发过程和复合过程．这两个过程前后衔接，是发光必不可少的两个环节。（1）激发（2）复合

6.2.2LED特性1．光学特性（1）光通量F光通量F是表征LED总的光输出辐射能量。目前单色LED的光通量F最大约1lm，白光LED的F≈1.5～1.8lm，对于1mm×1mm的功率级芯片制成白光LED，其F=18lm。（2）LED发光强度发光强度定义为光源在指定方向上单位立体角内所包含的光通量。（3）LED相对光谱能量分布P（）发光二极管的相对光谱能量分布P（）表示在发光二极管的光辐射波长范围内，各个波长的辐射能量分布情况，通常在实际场合中用相对光谱能量分布来表示。（4）LED的峰值波长p和光谱半波宽△LED相对光谱能量分布曲线的重要参数用峰值波长p和光谱半波宽△这两个参数表示。2.LED发光器件色度学参数（1）主波长D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，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。（2）CIE光谱三刺激值X，Y，ZX，Y，Z为颜色的三刺激值，它们的数值表示了三原色匹配该颜色时相互之间的比例。（3）色度坐标x，y，z三刺激值中的每一刺橄值与其总和之比。（4）纯度P样品颜色接近主波长光谱色的程度就表示该样品颜色的纯度．（5）色温Tc光源的光辐射所呈现的颜色与在某一温度下黑体辐射的颜色相同时，称黑体的温度（Tc）为光源的色温度。3.LED发光器件的电参数（1）正向电压VF（ForwardVoltage）通过发光二极管的正向电流为确定值时，在两极间产生的电压降。（2）反向电压VR（ReverseVoltage）被测发光二极管器释通过的反向电流为确定值时，在两极间所产生的电压降。（3）反向电流IR（ReverseCurrent）加在发光二极管两端的反向电压为确定值时，流过发光二极管的电流。4.LED的伏安特性6.3LED的测试6.3.1电性能测试LED电特性参数包括正向电流、正向电压、反向电流和反向电压。LED必须在合适的电流电压驱动下才能正常工作。通过LED电特性的测试可以获得LED的最大允许正向电压、正向电流及反向电压、反向电流，此外也可以测定LED的最佳工作电功率。（a）电流表内接法（b）电流表外接法（c）四线法电压取样图6-8LED电牲能测试接线图6.3.2光色性能测试1．光通量测量（1）光通量测量的探测器旋转式分布光度计探测器旋转式分布光度计是以照度分布积分法来实现总光通量测量的，其原理表达式如下式=SEdS（6-1）其中，E为包围被测LED产品的虚拟球表面的照度，S为虚拟球面积。CIE84-1989对照度分布积分法及其分布光度计的要求进行了明确的规定：被测光源和灯具无需严格位于虚拟球的中心，且对灯中心到光度探侧器间的测量距离不作严格的要求，最小测量距离只要满足光度探测器绕被侧LED模块旋转的物理尺寸即可，但应注意在测量距离较近时，光度探测器应具有较好的余弦校正。如图6-9所示为测量总光通量的探测器旋转式分布光度计原理示意图和典型结构示意图，其中（a）为原理图，（b）为结构图。测量LED模块总光通量的探测器旋转式分布光度计应能使被测LED模块按标准测量姿态燃点，并尽量使其光度中心处于分布光度计的旋转中心，被测LED模块在光度取样中保持静止状态：探测器旋转式分布光度计的光度探侧器应正面面对被侧LED模块，直接接收来自被侧LED棋块的光束。（a）原理图（b）结构图图6-9测量光通量的探测器旋转式分布光度计原理和结构（2）总光通量的基准测量方法在测光暗室中，使用光通量测量的探测器旋转式分布光度计测量LED模块的光通量将被测LED模块夹持在探测器旋转式分布光度计上，使LED模块处于规定的姗点状态，LED模块的发光中心处于分布光度计的旋转中心。在足够多的发光平面上以足够小的角度间隔测量以分布光度计的光度探测器到被测LED模块发光中心之间的测量距离为半径的虚拟球面上的各点的照度。平面间角度间隔一般为5，平面内的角度间隔一般为1，当被测LED模块尺寸较大或光束角较窄时，应采用更小的平面间隔和角度步长，以保证照度分布的取样完整性。用数值积分的办法计算出LED模块的总光通量，总光通量按公式计算：（6-2）式中，tot为总光通量，r为虚拟球面的半径，Stot为虚拟球上的表面面积，（，）为空间角，如图6-10所示。图6-10光通量测量示意图（3）其他光通量测试方法简介前面讲到的照度分布积分法是多数国家计量实验室建立光通量国家基准的方法，它也是国际公认的最高精度的总光通量测量方法，除此之外还有两种较为常见的光通量测试方法：光强积分法测量光通量和积分球法测量光通量。①光强积分测量法。光强积分法测量光通量使用如图6-11所示光强分布光度计测试光通量，光强分布光度计一般通过照度和照度平方反比关系来实现空间光强分布的测盘，此时分布光度计测量距离应至少为LED模块最大发光口面的5倍。对于光强分布曲线与余弦分布明显不同的LED模块，上述测盘距离会带来超过1％的误差，因此这种LED模块的光强测量距离至少需要为最大发光口面的10倍；光强积分法的测试还可以使用双镜式分布光度计、圆周运动反光镜式分布光度计和中心旋转反光镜式分布光度计。同以上这些分布光度计相比探测器旋转式分布光度计结构简单、自身稳定性高且造价不高，但由于热平衡容易被破坏，可能会影响到光源发光的稳定性，但当被测光源的温度影响不大时，该系统即可精确测量。（a）原理〔b）结构示意图图6-11探测器旋转分布光度计原理和结构示意图②积分球测量法。积分球法测量光通量尽量使用同类型的LED模块作为光通量标准灯校准积分光度计了积分光谱辐射计。当光通量标准灯与被测LED模块发光光谱、尺寸、外形和发光光束形状等有较大的差异时，可能会产生较大测量误差。将被测LED模块放在球中心，并让其处于稳定的工作状态。如图6-12（a）所示。在LED模块尺寸较大且无后射光通量的情况下，可在积分球的侧面开取样口，如图6-12（b）所示，或顶部开取样口，收集LED模块的发光，如图6-12（c）所示。（a）LED模块在球中心（b）积分球侧面开取样口（c）积分球顶部开取样口图6-12积分球测量示意图图6-13典型分布光辐射计示意图2.LED模块色度特性的测量方法受其发光机制的影响，白光LED具有较为明显的空间光色不均匀性，对于以阵列方式组合在一起的LED模块，若设计不当会造成严重的空间颜色不均匀，即在不同的视角上表现出不同的颜色特征，影响照明效果，因此空间颜色均匀性测量对于LED模块十分重要。在无环境杂光影响的条件下。用分布光谱辐射计测量LED模块色度特性。根据测得的空间光谱功率分布计算出空间每一方向的色度特性，LED模块的总平均色度特性用数值积分加权平均的方法计算。分布光谱辐射计由分布光度计和快速光谱辐射计组成，使用快速光谱辐射计替代分布光度计中的光度探测器，能够满足LED模块颜色分布特性测量的要求，图6-13为典型的分布光谱辐射计示意图。光谱辐射计的光谱辐射强度或光谱辐射照度用满足测量要求的光谱辐射强度或照度标准灯校准。校准后的光谱辐射计的色品坐标（x，y）测量准确度优于0.003；在稳定的标准光源下的（x，y）分辨率和复现性优于0.0002；光谱辐射计的光源颜色测量和显色性指数分析功能应满足GB/P7922-2003和GB/T5702-2003或CIE15-2004的要求。光增辐射计除具备上述功能外还应具备标准LED模块光谱光度和色度校准功能。同时要求光潜辐射计应具有足够快的测量速度，且应具备同步采样功能，以实现光LIB辊射强度测量与分布谱辐射计的转动角度同步。6.3.3热阻及结温测试在规定的环境温度条件下，给被侧照明用LED上施加一小测量电流IM，测量得到正向电压UFj；用加热电流IH替代IM，待达到热稳定并建立热平衡后，测量加热电流IH下的正向电压UH；然后快速用测量电流IM替代IH，测量得到正向电压UFf。被测照明LED结温可按照下式计算TJ=KUF（6-3）式中，TJ为LED结温；K为与照明用LED电热性能相关的系数，单位是℃/V。6.4LED驱动电路6.4.1一般驱动电路由于受到LED功率水平的限制，通常需同时驱动多个LED以满足亮度需求，因此，需要专门的驭动电路来点亮LED。LED电阻限流电路如图6-14所示，电阻限流驱动电路是最简单的驱动电路，限流电阻按下式计算。R=(Vin-yVF-VD)/xIF（6-6）2．线性调节器线性调节器的核心是利用工作于线性区的功率三极管或MOSFET作为一动态可调电阻来控制负载。线性调节器有并联型和串联型两种。图6-15（a）所示为并联型线性调节器（又称为分流调节器），它与LED并联，当输入电压增大或者LED数量减少时，通过分流调节器的电流将会增大，以使通过LED的电流保持恒定。由于分流调节器需要串联一个电阻，所以效率不高，并且在输入电压变化范围宽的情况下很难做到恒定电流的调节。（a）并联线性调节器图6-15线性调节器示意图图6-15（b）所示为串联型调节器，当输入电压增大时，调节动态电阻增大，以保持LED上的电压恒定，则使通过LED的电流保持恒定。（b）串联线性调节器图6-15线性调节器示意图3．开关调节器上述驱动技术不但受输入电压范围的限制，而且效率低。在用于低功率的普通LED驱动盯，田士甩侃只有儿个mA，因此损耗不明显，当用作电流有几百.A甚至更高的高亮LED的驱动时，电路的损耗就成了比较严重的问题。开关电源是目前能量变换中效率最高的，可以达到90％以上。Buck、Boost和Buck-Boost等功率变换器都可以用于LED的驱动，只是为了满足LED的恒流驱动，采用检测输出电流而不是检测输出电压进行反馈控制。图6-16（a）为采用Buck变换器的LED驱动电路，与传统的Buck变换器不同，开关管S移到电感L的后面，使得开关管S的源极接地，从而方便了S的驱动。LED与电感L串联，续流二极管VD与该串联电路反向并联，该驱动电路不但简单而且不需要输出滤波电容，降低了成本。但是，Buck变换器是降压变换器，不适用于输入电压低或者多个LED串联的场合。（a）Buck变换器图6-16开关式驱动电路（b）Boost变换器图6-16开关式驱动电路（c）Buck-Boost变换器图6-16开关式驱动电路6.4.2LED驱动电路实例1．基于LM317组成的LED恒流胆动器图6-17LM317作恒压输出的典型应用

图6-16LM317恒流驱动LED2.高调光比LED恒流驱动器PT4115PT4115是一款连续电感电流导通模式的降压恒流源，用于驱动一颗或多颗串联LED。PT4115输入电压范围为6～30V，输出电流可调，最大可达1.2A。根据不同的输入电压和外部器件，PT4115可以驱动高达数十瓦的LED。PT4115内置功率开关，采用高端电流采样设置LED平均电流，通过DIM引脚可以接受模拟调光和很宽范围的PWM调光。当DIM的电压低于0.3V时，功率开关关断，PT4115进入极低工作电流的待机状态。3.基于LM3404与PIC12P675结温保护的LED驱动设计以光源部分由4并6串中功率LED芯片组成的筒灯为例，设计恒流值为600mA，结温保护点为80℃左右，根据式（6-13）得出其光源电压保护点为18.68V，即光源两端的电压低于18.68V时，LED结温会超过80℃，此时应采取保护措施。由L