LED基础知识培训

LED基础知识培训2008年10月15日李修连第一部分：基本知识篇◆LED的基本知识◆照明的基本知识LED的基本知识(一)、LED是什么？LightEmittingDiode,即发光二极管，是一种半导体固体发光器件，它是利用固体半导体芯片作为发光材料，当两端加上正向电压，半导体中的载流子发生复合引起光子发射而产生光。LED可以直接发出红、黄、蓝、绿、青、橙、紫、白灯颜色的光。(二)、LED的结构及发光原理50年前人们已经了解半导体材料可产生光线的基本知识，第一个商用二极管产生于1960年。LED是英文lightemittingdiode(发光二极管)的缩写，它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，所以LED的抗震性好.发光二极管的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶片，在p型半导体和n型半导体之间有一个过渡层，称为p-n结。在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。当它处于正向工作状态时(即两端加上正向电压)，电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。(三)、LED光源的特点•电压：LED使用低压电源，供电电压在6~24V之间，根据产品不同而异，所以它是一个比使用高压电源更安全的电源，特别适用于公共场所。•效能：消耗能量较同光效的白炽灯减少80%•适用性：很小，每个单元LED小片是3-5mm的正方形，所以可以制备成各种形状的器件，并且适合于易变的环境•稳定性：10万小时，光衰为初始的50%•响应时间：其白炽灯的响应时间为毫秒级，LED灯的响应时间为纳秒级•对环境污染：无有害金属汞•颜色：改变电流可以变色，发光二极管方便地通过化学修饰方法，调整材料的能带结构和带隙，实现红黄绿兰橙多色发光。如小电流时为红色的LED，随着电流的增加，可以依次变为橙色，黄色，最后为绿色•价格：LED的价格比较昂贵，较之于白炽灯，几只LED的价格就可以与一只白炽灯的价格相当，而通常每组信号灯需由上300～500只二极管构成。(四)、LED光源的其它方面•一般LED的发光寿命很长，生产厂家一般都标明为100,000小时以上，实际还应注意LED的亮度衰减周期，如大部分用于汽车尾灯的UR红管点亮十几至几十小时后，亮度就只有原来的一半了。亮度衰减周期与LED生产的材料工艺有很大关系，一般在经济条件许可的情况下应选用亮度衰减较缓慢的四元素LED。•白色是红绿蓝三色按亮度比例混合而成，当光线中绿色的亮度为69%，红色的亮度为21％，蓝色的亮度为10％时，混色后人眼感觉到的是纯白色。但LED红绿蓝三色的色品坐标因工艺过程等原因无法达到全色谱的效果，而控制原色包括有偏差的原色的亮度得到白色光，称为配色。•LED不但色彩饱和，而且设计灵活，此外，与传统白光源相比，LED节能80~90%，并且光束不产生热量。•在白光应用中，LED的发光效率是白炽灯及卤素灯的2倍以上，并且最好的白色LED比标准60~100W白炽灯(17Lm/W)的效率要高出许多。目前，在实验室中演示的白色LED的发光效率已接近荧光灯(80Lm/W)。•LED的主要缺点是成本高、光输出低，这是LED技术攻关要解决的主要问题，最近几年已取得较大进展。对商业白色LED来说，利用大面积芯片及特殊封装技术可以使每个器件的光输出提高100倍，并使每流明光输出的成本下降80%。(五)LED的特性1．极限参数•允许功耗Pm：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。•最大正向直流电流IFm：允许加的最大的正向直流电流。超过此值可损坏二极管。•最大反向电压VRm：所允许加的最大反向电压。超过此值，发光二极管可能被击穿损坏。•工作环境topm：发光二极管可正常工作的环境温度范围。低于或高于此温度范围，发光二极管将不能正常工作，效率大大降低。2．电参数的意义•光谱分布和峰值波长：某一个发光二极管所发之光并非单一波长。由图可见，该发光管所发之光中某一波长λ0的光强最大，该波长为峰值波长。•发光强度IV：发光二极管的发光强度通常是指法线(对圆柱形发光管是指其轴线)方向上的发光强度。若在该方向上辐射强度为(1/683)W/sr时，则发光1坎德拉(符号为cd)。由于一般LED的发光二强度小，所以发光强度常用坎德拉(mcd)作单位。•光谱半宽度Δλ:它表示发光管的光谱纯度.是指光谱图中1/2峰值光强所对应两波长之间隔.•半值角θ1/2和视角：θ1/2是指发光强度值为轴向强度值一半的方向与发光轴向(法向)的夹角。•半值角的2倍为视角(或称半功率角)。光谱图给出的二只不同型号发光二极管发光强度角分布的情况。中垂线(法线)AO的坐标为相对发光强度(即发光强度与最大发光强度的之比)。显然，法线方向上的相对发光强度为1，离开法线方向的角度越大，相对发光强度越小。由此图可以得到半值角或视角值。•正向工作电流If：它是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0.6·IFm以下。•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=20mA时测得的。发光二极管正向工作电压VF在1.4～3V。在外界温度升高时，VF将下降。•V-I特性：发光二极管的电压与电流的关系可用图4表示。在正向电压正小于某一值(叫阈值)时，电流极小，不发光。当电压超过某一值后，正向电流随电压迅速增加，发光。由V-I曲线可以得出发光管的正向电压，反向电流及反向电压等参数。正向的发光管反向漏电流IR(六)LED的分类1．按发光管发光颜色分按发光管发光颜色分，可分成红色、橙色、绿色（又细分黄绿、标准绿和纯绿）、蓝光等。另外，有的发光二极管中包含二种或三种颜色的芯片。根据发光二极管出光处掺或不掺散射剂、有色还是无色，上述各种颜色的发光二极管还可分成有色透明、无色透明、有色散射和无色散射四种类型。散射型发光二极管和达于做指示灯用。2．按发光管出光面特征分按发光管出光面特征分圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管、表面安装用微型管等。圆形灯按直径分为φ3mm、φ4.4mm、φ5mm、φ8mm、φ10mm及φ20mm等。国外通常把φ3mm的发光二极管记作T-1；把φ5mm的记作T-1(3/4)；把φ4.4mm的记作T-1(1/4)。由半值角大小可以估计圆形发光强度角分布情况。从发光强度角分布图来分有三类：(1)高指向性。一般为尖头环氧封装，或是带金属反射腔封装，且不加散射剂。半值角为5°~20°或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用，或与光检出器联用以组成自动检测系统。(2)标准型。通常作指示灯用，其半值角为20°~45°。(3)散射型。这是视角较大的指示灯，半值角为45°~90°或更大，散射剂的量较大。3．按发光二极管的结构分按发光二极管的结构分有全环氧包封、金属底座环氧封装、陶瓷底座环氧封装及玻璃封装等结构。4．按发光强度和工作电流分按发光强度和工作电流分有普通亮度的LED(发光强度100mcd)；把发光强度在10~100mcd间的叫高亮度发光二极管。一般LED的工作电流在十几mA至几十mA，而低电流LED的工作电流在2mA以下(亮度与普通发光管相同)。除上述分类方法外，还有按芯片材料分类及按功能分类的方法。(七)LED的应用由于发光二极管的颜色、尺寸、形状、发光强度及透明情况等不同，所以使用发光二极管时应根据实际需要进行恰当选择。由于发光二极管具有最大正向电流IFm、最大反向电压VRm的限制，使用时，应保证不超过此值。为安全起见，实际电流IF应在0.6IFm以下；应让可能出现的反向电压VRLED被广泛用于种电子仪器和电子设备中，可作为电源指示灯、电平指示或微光源之用。红外发光管常被用于电视机、录像机等的遥控器中。1．普通发光二极管的检测(1)用万用表检测。利用具有×10kΩ挡的指针式万用表可以大致判断发光二极管的好坏。正常时，二极管正向电阻阻值为几十至200kΩ,反向电阻的值为∝。如果正向电阻值为0或为∞，反向电阻值很小或为0，则易损坏。这种检测方法，不能实地看到发光管的发光情况，因为×10kΩ挡不能向LED提供较大正向电流。若有两块指针万用表(最好同型号)可以较好地检查发光二极管的发光情况。用一根导线将其中一块万用表的“+”接线柱与另一块表的“-”接线柱连接。余下的“-”笔接被测发光管的正极(P区)，余下的“+”笔接被测发光管的负极(N区)。两块万用表均置×10Ω挡。正常情况下，接通后就能正常发光。若亮度很低，甚至不发光，可将两块万用表均拨至×1Ω若，若仍很暗，甚至不发光，则说明该发光二极管性能不良或损坏。应注意，不能一开始测量就将两块万用表置于×1Ω，以免电流过大，损坏发光二极管。(2)外接电源测量。用3V稳压源或两节串联的干电池及万用表(指针式或数字式皆可)可以较准确测量发光二极管的光、电特性。为此可按图10所示连接电路即可。如果测得VF在1.4~3V之间，且发光亮度正常，可以说明发光正常。如果测得VF=0或VF≈3V，且不发光，说明发光管已坏。2．红外发光二极管的检测由于红外发光二极管，它发射1～3μm的红外光，人眼看不到。通常单只红外发光二极管发射功率只有数mW，不同型号的红外LED发光强度角分布也不相同。红外LED的正向压降一般为1.3～2.5V。正是由于其发射的红外光人眼看不见，所以利用上述可见光LED的检测法只能判定其PN结正、反向电学特性是否正常，而无法判定其发光情况正常否。为此，最好准备一只光敏器件(如2CR、2DR型硅光电池)作接收器。用万用表测光电池两端电压的变化情况。来判断红外LED加上适当正向电流后是否发射红外光。(八)LED安装使用注意事项1.使用电流a)由于LED具有随着电压稍加而电流迅速增加之特性；b)过高的电流会引起LED灯的烧毁或亮度的衰减；c)在使用时应加一个电阻与LED灯串联，起到限流作用；d)LED应在相同的电流条件下工作，一般建议通LED的电流为15~19mA。2.亮度的测试和产品使用说明a)检测和使用LED时，必须给每个LED提供相同电流即恒流检测，才能保证检测亮度一致，电流最好不要超过20mA，最好使用15-19mA的电流。b)使用分光分色的产品时，请按BIN号的先后顺序归类使用，不能把不同BIN号LED混合使用在同一产品中，以免产生颜色、亮度、电压的差异。如果要混BIN号使用，相邻BIN号可放一起，但尽量避免。3.防静电注意事项a)所有接触LED的设备和仪器必须接地良好，特别焊接的烙铁和锡炉必须接地良好。b)操作人员必须佩带接地的防静电手腕，穿防静电鞋及防静电衣服。c)防静电手腕必须每天进行测试，不合格的必须更换。d)若LED有被静电损害，会显示一些不良特性：漏电电流增加，静态顺向电压降低或上升，在低电流测试下不亮或发光不正常。4.LED焊接条件a)烙铁焊接：烙铁(最高30W)尖端温度不超过300℃；焊接时间不超过3秒；焊接时间不超过3秒；焊接位置至少离胶体3毫米。b)浸焊：浸焊最高温度260℃；浸焊时间不超过5秒；浸焊位置至少离胶体2毫米。5.引脚成形方法a)必需离胶体2毫米才能折弯支架,以免引起胶体破裂或损坏内部结构；b)支架成形必须用夹具或由专业人员来完成；c)支架成形必须在焊接前完成；d)支架成形需保证引脚和间距与线路板上一致。6.LED安装方法a)注意各类器件外线的排列，以防极性装错。器件不可与发热元件靠得太近；b)务必不要在引脚变形的情况下安装LED；c)当决定在孔中安装时，计算好面孔及线路板上孔距的尺寸和公差以免支架受过度的压力；d)安装LED时，建议用导套定位；e)在焊接温度回到正常以前，必须避免使LED受到任何的震动或外力。7.清洗当用化学品清洗胶体时必须特别小心，因为有些化学品对胶体表