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1、2019/5/24,1,太阳能应用 检测与控制技术,概述,第6章 LED及检测技术,LED的测试,6.3,原理与特性,LED驱动电路,6.1 概述,LED为发光二极管英文（Light Emitting Diode）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
2、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。,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100500，LD的只有0.010.1nm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
3、.2 原理与特性,图6-2 半导体发光二极管和半导体激光器结构,6.2 原理与特性,6.2.1 LED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,图6-3 PN结正向偏置时的扩散电流和辐射复合,6.2 原理与特性,6.2.1 LED工作原理 6.2.2 LED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，它标志器件性能的优劣。F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。可见光LED的光通量单位为流明（lm）。 （2）LED发光强度 发光强度定义为
4、光源在指定方向上单位立体角内所包含的光通量。,6.2 原理与特性,（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。无论什么材料制成的LED，都有一个相对光辐射最强处，与之相对应有一个波长，此波长为峰值波长，它由半导体材料的带隙宽度或发光中心的能级位置决定。光谱半波宽定义为相对光谱能量分布曲线上，两个半极大值强度处对应的波长差，它标志着光谱纯度，同时也可以
5、用来衡量半导体材料中对发光有贡献的能量状态离散度，LED的发光光谱的半宽度一般为30100nm，光谱宽度窄意味着单色性好，发光颜色鲜明，清晰可见。,6.2 原理与特性,2LED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、Z X、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激值与其总和之比。,6.2 原理与特性,2LED发
6、光器件色度学参数 （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。,6.2 原理与特性,3LED发光器件的电参数 （1）正向电压VF（Forward Voltage） 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（Reverse Voltage） 被测发光二极管器件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（Reverse Current） 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
7、。,6.2 原理与特性,4LED的伏安特性 LED的I-V特性表征LED芯片PN结制备性能主要参数，LED通常都具有图6-7所示的伏安特性。由图中可见，LED的I-V特性具有非线性和单向导电性质。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。,图6-7 LED的I-V特性,6.3 LED的测试,6.3.1 电性能测试 LED是一个由半导体无机材料构成的单极性PN结二极管，它是半导体PN结二极管中的一种，其电压-电流之间的关系称为伏安特性。由图6-7可知，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
8、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。 LED电特性的测试一般在相应的恒流恒压源供电下，利用电压表和电流表进行测试，接线方法如图6-8所示，根据不同情况选择合适的接线方式。,6.3 LED的测试,图6-8 LED电性能测试接线图,6.3 LED的测试,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 （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。 （2）总光通量的基准测量方法 在测光暗室中，
9、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。,6.3 LED的测试,（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。,6.3 LED的测试,2LED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
10、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。,6.3 LED的测试,6.3.3 热阻及结温测试 在规定的环境温度条件下，给被测照明用LED上施加一小测量电流IM，测量得到正向电压UFi；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
11、压UFf。 被测照明LED结温可按照下式计算 （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。,6.4 LED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，需要专门的驱动电路来点亮LED。,6.4 LED驱动电路,1电阻限流驱动电路 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。 （6-6） 式中，Vin为电路的输入电压； IF为LED的正向电流； VF为LED在正向电流为IF时的压降； VD为防反二极管的压降（可选）； y为每串LED的数目；
12、 x为并联LED的串数。,6.4 LED驱动电路,图6-14 电阻限流LED驱动电路,6.4 LED驱动电路,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。 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。,6.4 LED驱动电路,图6-15 线性调节器示意图,6.4 LED驱动电路,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驱动时，由于电流只有几个mA，因此损耗不明显，当用作电流有几百mA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。,
