LED综合特性测试实验

LED 综合特性测试实验综合特性测试实验 13 应用物理 1 班 杨礴 11 1 实验目的实验目的 1 测量 LED 正向伏安特性 掌握拐点电压 正向开启电压及工作电流的概念 并对比分析不 同发光颜色的 LED 拐点电压和工作电压的异同 2 测量 LED 的反向伏安特性 了解发光二极管的反向截止特性 3 掌握 LED 发光强度的概念及其测量方式 4 了解 LED 发光强度随电流变化的规律 并对比分析不同发光颜色 LED 发光强度随电流变化 的响应异同 5 了解 LED 光通量与发光效率的概念及其测量方法 6 了解 LED 光通量 发光效率随电流变化的规律 并对比分析不同发光颜色 LED 光通量随电流 变化的响应异同以及发光效率随电流的变化规律 7 掌握 LED 的光空间分布曲线的概念及其测量方法 8 掌握 LED 半强度角和偏差角的概念及其测量方法 9 了解强度定标的意义及其定标方法 10 掌握常见色度参数的概念及其计算方法 11 测量 LED 器件的电压 温度关系特性 计算 K 系数 并理解 K 系数的意义及其作用 12 理解 LED 结温 热阻的概念 掌握一种测大功率贴片型 LED 结温 热阻的测量方法 2 实验原理实验原理 1 电学特性测试 在 LED 两端加正向电压 当电压较小 不足以克服势垒电场时 通过 LED 的电流很小 当正 向电压超过死区电压后 电流岁电压迅速增长 正向工作电流指 LED 正常发光时的正向电流值 根据不同管子的结构和输出功率的大小 在几十毫安到 1 安之间 在 LED 两端加反向电压 只有微安级的反向电流 反向电压超过击穿电压后 管子被击穿损 坏 为安全起见 激励电源提供的最大反向电压应低于击穿电压 2 光电特性测试 光强是描述 LED 光度学特性最为重要的参数 它表征了光源在指定方向上单位立体角内发射 的光通量 在不同的空间角下 LED 将表现出不同的光强大小 LED 光源发射的辐射通量中能引起人眼视觉的那部分 称为光通量 单位是流明 与辐射通 量的概念类似 它是 LED 光源向整个空间在单位时间内发射的能引起人眼视觉的辐射通量 积分球测量光通量 积分球是一个球形空腔 由内壁涂有均匀白色漫反射层的球壳组装而成 被测 LED 置于空腔内 LED 器件发射的光辐射经积分球壁的多次反射 使整个球壁上的照度均匀 分布 可用一置于球壁上的探测器来测量这个与光通量成比例的光的照度 3 LED 输出光空间分布特性测量 发光二极管的芯片和结构及封装方式不同 输出光的空间分布一样 当方向角改变时 发射 强度相应改变 发射强度降为峰值的一半时 对应的角度称为方向半值角 4 色度学测试 在色度研究中 常使用分光光谱测量法 在分光光谱法测量色度系统中 光谱仪是重要的组 成部分没 在该测量系统中使用具有光谱分辨率高的光栅光谱仪等进行色度测量 可调恒流源 与 LED 连接 用电流调节旋钮调节输出电流使 LED 正常工作 光纤光谱仪的光线探头插入积分 球光纤连接口 收集光谱信号 光纤光谱仪与计算机连接 测得的光源光谱功率由计算机进行 数据处理 并计算得到色度坐标 从而计算出色温 显色指数等色度学参数 5 热特性测试 当电流流过 LED 器件时 PN 结的温度将上升 我们把 PN 结的温度定义为 LED 的结温 通常被理解为 LED 芯片的温度 其形成是由于 LED 空穴 电子运动 一部分能量产生有效的 光电效应 发出光子 另一部分是以发热的形式消耗掉 从而导致 PN 结芯片发热 3 实验仪器实验仪器 恒流源 恒压源 程控脉冲电源 温控电源 电源线 USB 连接线 4 实验内容实验内容 1 电学特性测试 将 LED 正负极对应插装到夹具的正负接口上 将软件界面选为光电特性测试界面 选择伏安 特性测试实验 将可调恒压源电压调节旋钮逆时针调节到底 打开恒压源电源开关 在软件界 面内点击数据采集端口 并进行测量 2 光电特性测试 调整光路 使激光光线与光阑筒的中心轴重合 将 LED 灯具插装于夹具上 用导线连接好夹 具和恒流源 将照度计探头的保护盖拧下并置于光阑筒末端 并将照度计连接头插于面板的 A 端口 打开软件 依次记录电压 电流 光强数据 将恒流源调整到初始状态 一次更换红 黄 绿 蓝 白色 LED 进行测试 将照度计选为光通量档 分别将白 红 绿 蓝四种待测 LED 灯插装至夹具 将夹具插装至 光源入口 将校准好的照度计探头装至探头入口 分别在软件中采集各 LED 电流 电压 光通 量数据 分别计算每组的发光效率 3 LED 输出光空间分布特性测量 调整光路 同电学特性测试 并记录下对应角度盘上角度值 在软件中选中光空间分布特性 测试 然后将角度盘与固定架转盘共同向左或向右旋转 90 作为空间起始角 90 的位置 更换光源的圆头 草帽头 平头三中封装形状 LED 进行测试 4 色度学测试 首先用光纤光谱仪测量标准光源的实际光谱能量分布 在软件内会呈现标准 A 光源的实际相 对光谱功率分布曲线 调节积分时间将该曲线显示在界面合适的位置 再次测量标准卤素灯的实际相对光谱功率分布是否与理论的标准黑体辐射曲线重合 若两 条功率分布曲线基本重合 说明校准成功 关闭卤素灯 将 LED 正确的插装在光源夹具上 并 用红黑导线连接到恒流源上 调节恒流源使 LED 正常工作 将光源夹具插装到积分球光源入口 处 即可得到 LED 的色度学参数 5 数据结果数据结果 1 伏安特性曲线实验结果伏安特性曲线实验结果 电流与光强关系图电流与光强关系图 电流与光通量关系图电流与光通量关系图 电流与发光效率关系图电流与发光效率关系图 15mA 时时 VT 系数测试系数测试 20mA 时时 VT 系数测试系数测试 25mA 时时 VT 系数测试系数测试 30mA 时时 VT 系数测试系数测试 小电流小电流 K 系数测试结果图系数测试结果图 结温测试结果图结温测试结果图 草帽头输出光空间分布特性测量草帽头输出光空间分布特性测量 圆头输出光空间分布特性测量圆头输出光空间分布特性测量 平头白色输出光空间分布特性测量平头白色输出光空间分布特性测量 平头蓝光输出光空间分布特性测量平头蓝光输出光空间分布特性测量 钨灯光源功率分布钨灯光源功率分布 测试所得功率图与理论功率分布曲线比较图测试所得功率图与理论功率分布曲线比较图 蓝色蓝色 LED 色度学测试结果图色度学测试结果图 绿色绿色 LED 色度学测试结果图色度学测试结果图 红色红色 LED 色度学测试结果图色度学测试结果图 白色白色 LED 色度学测试结果图色度学测试结果图 六 结果讨论六 结果讨论 1 在热特性测试实验中 需要控制温度的变化 使得温度在测试值附近变化不大 否则会使得 测量数据出现较大的偏差 在温度超出测试值需要降温时 时间不可太长 因为温度下降较快 会 迅速低于测试值 2 在输出光空间分布特性的测量中可以看出 未加透镜的发光二极管 方向半角值大约为 50 可用于普通照明以及大屏幕显示等要求视角广宽的应用环境 3 LED 的开启电压 在二极管正负极间加电压 当电压大于一定的范围时二极管开始导通 这 个电压叫开启电压 4 LED 的工作电压 二极管正常工作时的电压 5 LED 的反向漏流 流过处于反向工作的 pn 结的微小电流称为反向漏电流 七 七 LED 的发展的发展 1 2007 年 LED 市场达到了 46 亿美元 增长率为 9 5 由于手机以外的应用产品的增长加速 预计 LED 行业总体市场会进一步加快 2 供电方式的改变 随着全球非再生能源的急剧消耗 储量越来越少 同时排放的大量 CO2 也 导致全球气候的反常 温室效应 海平面上升等环境问题危及全球人类和动植物的生存环境 目前 太阳能发展迅速 太阳电池转换效率正在逐步提高 LED 是半导体电致发光器件 驱动方式的选择 具有广泛性 也就意味着可以在供电方式上进行不同的供电选择 3 LED 本身散热效率较低 因此可以将驱动单独设计 驱动产生的热量可以及时