LED原理性能参数及测试方法

课程设计说明书 第 II页 目目 录录 1 LED 发光原理分析 1 1 1 LED 性能参数介绍 1 1 2LED 的极限参数 2 2 LED 的性能参数即测试方法 3 2 1 电特性测试方法 3 2 2 光特性测试 4 2 3 光谱参数 6 2 4LED 开关特性测试 7 2 5 颜色特性 7 2 6 热学特性 7 2 7 可靠性 8 课程设计说明书 第1页 1 LED 发光原理分析 LED 的心脏是一个半导体的晶片 晶片的一端附着在一个支架上 是负极 另 一端连接电源的正极 整个晶片被环氧树脂封装起来 半导体晶片由两部分组成 一 部分是 P 型半导体 在它里面空穴占主导地位 另一端是 N 型半导体 在这边主要是 电子 但这两种半导体连接起来的时候 它们之间就形成一个 P N 结 当电流通过 导线作用于这个晶片的时候 电子就会被推向 P 区 在 P 区里电子跟空穴复合 然后 就会以光子的形式发出能量 这就是 LED 发光的原理 而光的波长决定光的颜色 是 由形成 P N 结材料决定的 1 1 LED 性能参数介绍 1 光通量 lm 由于人眼对不同波长的电磁波具有不同的灵敏度 我们不能直接用光源的辐 射功率或辐射通量来衡量光能量 必须采用以人眼对光的感觉量为基准的单位 光通 量来衡量 光通量用符号 表示 单位为流明 lm 2 发光强度 cd 光通量是说明某一光源向四周空间发射出的总光能量 不同光源发出的光通 量在空间的分布是不同的 发光强度的单位为坎德拉 符号为 cd 它表示光源在某单 位球面度立体角 该物体表面对点光源形成的角 内发射出的光通量 1 cd 1 lm 1 sr sr 立体角的球面度单位 3 亮度 cd m2 亮度是表示眼睛从某一方向所看到物体发射光的强度 单位为坎德拉 平方米 cd m2 符号为 L 表明发光体在特定方向单位立体角单位面积内的光通量 它等于 1 平方米表面上发出 1 坎德拉的发光强度 4 色温 Color Temperature 当光源所发出的光的颜色与黑体在某一温度下辐射的颜色相同时 黑体的温 度就称为该光源的色温 用绝对温度 K 开尔文 开氏度 摄氏度 273 15 表示 LED 的亮度是跟 LED 的发光角度有必然关系的 LED 的角度越小它的亮度越 课程设计说明书 第2页 高 没有什么超亮不超亮的 那是骗小孩的 如果是质量好的 LED 不管是哪家 LED 厂家生 产的大家的亮度都差不多的 只是生产工艺不一样 使用寿命略有不同 因为大家用的都是 那几家国外的 LED 芯片 如果是 5MM 的 LED180 度角的白光的发光强度只有几百 MCD 如果是 15 度角的光强就要去到一万多两万 MCD 的了 光强相差好几十倍了 如果 是用于照明用的 在户外最好是用大功率的 LED 了 亮度就更高了 单个功率有 1W 3W 5W 还有的是用多个大功率组合成一个大功率的 LED 功率去到几百 W 都有 色温和亮度没关系 而亮度和流明值有关 5 显色性 Color rendering property 原则上 人造光线应与自然光线相同 使人的肉眼能正确辨别事物的颜色 当然 这要根据照明的位置和目的而定 光源对于物体颜色呈现的程度称为显色性 通常叫做 显色指数 Ra 显色性 是指事物的真实颜色 其自身的色泽 与某一标准光源下所显示的颜色关系 Ra 值的确 定 是将 DIN6169 标准中定义的 8 种测试颜色在标准光源和被测试光源下做比较 色 差越小则表明被测光源颜色的显色性越好 Ra 值为 100 的光源表示 事物在其灯光下显示出来的颜色与在标准光源下一致 1 2LED 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 IFH VFH 一般按环境温度为 25 时的额定功率 当环境 温度升高 则 LED 的最大允许耗散功率将会下降 最大允许工作电流 IFM 由最大允许耗散功率来确定 参考一般的技术手册中给出 的工作电流范围 最好在使用时不要用到最大工作电流 要根据散热条件来确定 一 般只用到最大 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 一般要求反向电流为指定值的情况 课程设计说明书 第3页 下可测试反向电压 VR 反向电流一般为 5 100 A 之间 反向击穿电压通常不能超过 20V 在设计电路时 一定要确定加到 LED 的反向电压不要超过 20V 2 LED 的性能参数即测试方法 本文结合国内外关于 LED 测试方法的最新标准 基于 LED 各个应用领域的实际需 求 从电特性 光特性 开关特性 颜色特性 热学特性 可靠性等方面进行了介绍 对于电特性测试 标准分别规定了 LED 正向电压 反向电压 反向电流的测试框图 对 于光通量测试 标准规定采用 2 立体角测试结构 对于光强测试 标准引用了 CIE 127 的推荐条件 此外 对光谱测试 热学特性测试 静电放电敏感度测试 寿命测试 等都作了明确的规定 国家标准的制定总结了现有 LED 的测试方法 将其中的科学适用的方法升级为标准测 试方法 很好地消除了各界在 LED 测试领域存在的分歧 也使测试结果更加真实地反 映我国 LED 产业的整体水平 但是鉴于 LED 技术还在处于不断地发展之中 国家标准 的制定并不是一劳永逸的 应当时刻将最新最合适的测试技术引入标准之中 2 1 电特性测试方法 LED 是一个由半导体无机材料构成的单极性 PN 结二极管 其电压与电流之间的关 系称为伏安特性 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 如图 1 所示 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 电流 此外也可以测定 LED 的最佳工作电功率 课程设计说明书 第4页 图 1LED 伏安特性曲线 LED 电特性的测试一般在相应的恒流恒压源供电下 利用电压电流表进行测试 2 2 光特性测试 类似于其它光源 LED 光特性的测试主要包括光通量 发光效率 辐射通量 辐射 效率 光强 光强分布特性和光谱参数等 光通量和光效 光通量的测试有两种方法 即积分球法和变角光度计法 变角光度计法是测试光 通量最精确的方法 但是由于其耗时较长 所以一般采用积分球法测试光通量 现有 的积分球法测 LED 光通量中有两种测试结构 一种是将被测 LED 放置在球心 另外一 种是将其放在球壁 图 2 积分球法测 LED 光通量 课程设计说明书 第5页 由于采用积分球法测试光通量时 光源对光的自吸收会对测试结果造成影响 因 此 往往需要引入辅助灯 见图 3 图 3 辅助灯法消除自吸收 在测得光通量之后 配合电参数测试仪可以测得 LED 的发光效率 而辐射通量和辐射 效率的测试方法类似于光通量和发光效率的测试 光强和光强分布特性 图 4LED 光强测试中的问题 图 4 中 点光源光强在空间各方向均匀分布 在不同距离处用不同接收孔径的探 测器接收得到的测试结果不会改变 但是 LED 由于其光强分布不一致 使得测试结果 随测试距离和探测器孔径而变化 因此 CIE 127 提出了两种推荐测试条件 使得各个 LED 在同一条件下进行光强测试与评价如图 5 所示 目前 CIE 127 推荐测试条件已经 被各 LED 制造商和检测机构引用 课程设计说明书 第6页 图 5CIE 127 推荐 LED 光强测试条件 2 3 光谱参数 LED 的光谱特性参数主要包括峰值发射波长 光谱辐射带宽和光谱功率分布等 单 色 LED 的光谱为单一波峰 特性以峰值波长和带宽表示而白光 LED 的光谱由多种单色 光谱合成 所有 LED 的光谱特性都可由光谱功率分布表示 白光 LED 光谱功率分布如 图 6 所示 而由 LED 的光谱功率分布还可计算得到色度参数 光谱功率分布的测试需要通过分光进行 将各色光从混合的光中区分出来进行测 定 一般可以采用棱镜和光栅实现分光 图 6 白光 LED 光谱功率分布 课程设计说明书 第7页 2 4LED 开关特性测试 LED 开关特性是指 LED 在通电和断电瞬间的光 电 色变化特性 通过 LED 开关特 性的测试可以获得 LED 在通断电瞬间的工作状态 物质属性等的变化规律 由此不仅 可了解通断电对 LED 的损耗 也可用以指导 LED 驱动模块的设计等 2 5 颜色特性 LED 的颜色特性主要包括色品坐标 主波长 色纯度 色温及显色性等 LED 的颜 色特性对白光 LED 尤为重要 现有的颜色特性测试方法有分光光度法和积分法 分光光度法是通过单色仪分光 测得 LED 光谱功率分布 然后利用色度加权函数积分获得对应色度参数 积分法是利用 特定滤色片配合光电探测器直接测得色度参数 见图 7 分光光度法的准确性要大大高 于积分法 图 7LED 颜色特性测试方法 2 6 热学特性 LED 的热学特性主要指热阻和结温 热阻是指沿热流通道上的温度差与通道上耗散 的功率之比 结温是指 LED 的 PN 结温度 LED 的热阻和结温是影响 LED 光电性能的重要 因素 现有的对 LED 结温的测试一般有两种方法 一种是采用红外测温显微镜或微型 课程设计说明书 第8页 热偶测得 LED 芯片表面的温度并视其为 LED 的结温 但是准确度不够 另外一种是利用 确定电流下的正向偏压与结温之间反比变化的关系来判定 LED 的结温 2 7 可靠性 LED 的可靠性包括静电敏感度特性 寿命 环境特性等 静电敏感度特性是指 LED 能承受的静电放电电压 某些 LED 由于电阻率较高 且正负电极距离很短 当两端的 静电电荷累积到一定值时 这一静电电压会击穿 PN 结 严重时可将 PN 结击穿导致 LED 失效 因此必须对 LED 的静电敏感度特性进行测试 获得 LE