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1、智能 LED 亮度控制综合实例13.1 LED 光源的特性LED 是利用化合物材料制成 pn 结的光电器件。它具备 pn 结结型器件的电学特性：I-V 特性、C-V 特性和光学特性：光谱响应特性、发光光强指向特性、时间特性以及热学特性。本节主要描述 LED 的电学特性与光学特性。13.1.1 LED 电学特性1、伏安特性：I-V 特性表征 LED 芯片 pn 结制备性能主要参数。 LED 的 I-V 特性具有非线性、整流性质：单向导电性，即外加正偏压表现低接触电阻，反之为高接触电阻。如上图： （1） 正向死区：（图 oa 或 oa段）a 点对于 V0 为开启电压，当VVa ，外加电场尚克服不少
2、因载流子扩散而形成势垒电场，此时 R 很大；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。 （2）正向工作区：电流 IF 与外加电压呈指数关系 IF = IS (e qVF/KT 1) -IS为反向饱和电流。V0 时，V VF 的正向工作区 IF 随 VF 指数上升， IF = IS e qVF/KT（3）反向死区 ：V0 时 pn 结加反偏压 V= - VR 时，反向漏电流IR（V= -5V）时，GaP 为 0V，GaN 为 10uA。 （4）反向击穿区 V- VR ，VR 称为反向击穿电压；VR 电压对应
3、 IR 为反向漏电流。当反向偏压一直增加使 V- VR 时，则出现 IR 突然增加而出现击穿现象。由于所用化合物材料种类不同，各种 LED 的反向击穿电压 VR 也不同。2、伏容特性：C-V 特性鉴于 LED 的芯片有 99mil (250250um)，1010mil，1111mil (280280um)，1212mil (300300um)，故 pn 结面积大小不一，使其结电容（零偏压）Cn+pf 左右。 C-V 特性呈二次函数关系（如下图，由 1MHZ 交流信号用 C-V 特性测试仪测得） 。3、最大允许功耗 PFm当流过 LED 的电流为 IF、管压降为 UF 则功率消耗为 P=UFIF
4、. LED 工作时，外加偏压、偏流一定促使载流子复合发出光，还有一部分变为热，使结温升高。若结温为 Tj、外部环境温度为 Ta，则当 TjTa 时，内部热量借助管座向外传热，散逸热量（功率） ，可表示为 P = KT（ Tj Ta） 。4、响应时间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 10-310-5S，CRT、PDP 、LED 都达到 10-610-7S（us 级） 。从上图我们可知：1：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，即上图中 tr 、tf 。图中 t0 值很小，可忽略。 2：响应时间主要取决于载流子寿命、器件的结电容
5、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 10-7 S。因此它们可用在 10100MHZ 高频系统。5、正向工作电流 If指发光二极管正常发光时的正向电流值。在实际使用中应根据需要选择 IF在 0.6IFm 以下。6、正向工作电压 VF参数表中给出的工作电压是在给定的正向电流下得到的。一般是在 IF=20
6、mA 时测得的。发光二极管正向工作电压 VF 在 1.43V 。在外界温度升高时，VF 将下降。发光二极管有红外（非可见）与可见光两个系列，前者可用辐射度，后者可用光度学来量度其光学特性。1、发光法向光强及其角分布 I发光强度（法向光强）是表征发光器件发光强弱的重要性能。LED 大量应用要求是圆柱、圆球封装，由于凸透镜的作用，故都具有很强指向性：位于法向方向光强最大，其与水平面交角为 90。当偏离正法向不同 角度，光强也随之变化。发光强度随着不同封装形状而强度依赖角方向。发光强度的角分布 I是描述 LED 发光在空间各个方向上光强分布。它主要取决于封装的工艺（包括支架、模粒头、环氧树脂中添加散
7、射剂与否） 。2、LED 光源光谱分布曲线LED 光源所发出的光并非单一波长，而是包含一定波长范围的复色光，LED 光源发光强度或光功率输出随着波长变化而不同，它们之间的关系曲线称为光谱分布曲线， 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。如下图为某一 LED 光源的光谱分布曲线。由图可见，该 LED 所发之光是波长从 520 nm 到 620nm 左右的复色光（黄绿色，偏绿） 。3、峰值波长：在 LED 光源所发出的光中，某一波长的光功率比附近波长的光功率大，即所发出的光在某一波长处具有光功率极大值，这一
8、波长就称为 LED 光源的峰值波长。峰值波长可以是单个，也可以有多个。如上图所示，此 LED 光源的峰值波长只有一个，其峰值波长为 560nm。4、谱线半宽：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，此两点分别对应的波长 p- ，p+ 之间的宽度叫谱线宽度，也称半功率宽度或半高宽度，半高宽度反映谱线的宽窄，即 LED 单色性的程度，LED 半宽小于 40 nm。 电流与亮度的关系理想状况是正比关系，但实际上由于热量的产生，亮度会上升同时，但上升率会越来越低，直至该 LED 被烧坏。发光是由于电子在高能态跃迁到低能态将能量由光子的方式释放的过程。电压提供能量，当
9、电压大于阈值电压才会发光，否则不会发光。当电压大于阈值电压时，电流是代表单位时间提供到高能态的电子数量的表征，故电流越大，能发出的光子越多，但由于转换效率（量子效应）并不是100%，会产生热量，该热量如无法及时释放会对芯片本身造成破坏，所以电流加大，量子效应会减低，LED 烧坏可能性增加。LED 是一个二极管，它可以实现快速开关。它的开关速度可以高达微秒以上。是任何发光器件所无法比拟的。因此，只要把电源改成脉冲恒流源，用改变脉冲宽度的方法，就可以改变其亮度。这种方法称为脉宽调制（PWM）调光法。表示这种脉宽调制的波形。假如脉冲的周期为 tpwm，脉冲宽度为 ton，那么其工作比 D（或称为孔度
10、比）就是 ton/tpwm。改变恒流源脉冲的工作比就可以改变 LED 的亮度。脉宽调制调光的优点：1、不会产生任何色谱偏移。因为 LED 始终工作在满幅度电流和 0 之间。2、可以有极高的调光精确度。因为脉冲波形完全可以控制到很高的精度，所以很容易实现万分之一的精度。3、可以和数字控制技术相结合来进行控制。因为任何数字都可以很容易变换成为一个 PWM 信号。4、即使在很大范围内调光，也不会发生闪烁现象。因为不会改变恒流源的工作条件（升压比或降压比） ，更不可能发生过热等问题。脉宽调光要注意的问题：1、脉冲频率的选择因为 LED 是处于快速开关状态，假如工作频率很低，人眼就会感到闪烁。为了充分利
11、用人眼的视觉残留现象，它的工作频率应当高于 100Hz，最好为 200Hz。2、消除调光引起的啸声：虽然 200Hz 以上人眼无法察觉，可是一直到20kHz 却都是人耳听觉的范围。这时候就有可能会听到丝丝的声音。解决这个问题有两种方法，一是把开关频率提高到 20kHz 以上，跳出人耳听觉的范围。但是频率过高也会引起一些问题，因为各种寄生参数的影响，会使脉冲波形（前后沿）产生畸变。这就降低了调光的精确度。另一种方法是找出发声的器件而加以处理。实际上，主要的发声器件是输出端的陶瓷电容，因为陶瓷电容通常都是由高介电常数的陶瓷所做成，这类陶瓷都具有压电特性。在 200Hz 的脉冲作用下就会产生机械振动而发声。解决的方法是采用钽电容来代替。不过，高耐压的钽电容很难得到，而且价钱很贵，会增加一些成本。
