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照明基础学问理论LEDLED照明基础学问理论半导体发光器件包括半导体发光二极管(简称LED),数码管,符号管,米字管及点阵式显示屏(简称矩阵管)等事实上,数码管,符号管,米字管及矩阵管中的每个发光单元都是一个发光二极管一,半导体发光二极管工作原理,特性及应用
(一)LED发光原理发光二极管是由III-IV族化合物,如GaAs(神化钱),GaP(磷化线),GaAsP(磷碑化线)等半导体制成的,其核心是PN结因此它具有一般P-N结的I-N特性,即正向导通,反向截止,击穿特性止匕外,在确定条件下,它还具有发光特性在正向电压下,电子由N区注入P区,空穴由P区注入N区进入对方区域的少数载流子(少子)一部分及多数载流子(多子)复合而发光,如图1所示假设发光是在P区中发生的,则注入的电子及价带空穴干脆复合而发光,或者先被发光中心捕获后,再及空穴复合发光除了这种发光复合外,还有些电子被非发光中心(这个中心介于导带,介带中间旁边)捕获,而后再及空通过发光二极管芯片的适当连接(包括串联和并联)和适当的光学结构可构成发光显示器的发光段或发光点由这些发光段或发光点可以组成数码管,符号管,米字管,矩阵管,电平显示器管等等通常把数码管,符号管,米字管共称笔画显示器,而把笔画显示器和矩阵管统称为字符显示器
(一)LED显示器结构基本的半导体数码管是由七个条状发光二极管芯片按图12排列而成的可实现09的显示其详细结构有“反射罩式”,〜“条形七段式”及“单片集成式多位数字式”等1)反射罩式数码管一般用白色塑料做成带反射腔的七段式外壳,将单个LED贴在及反射罩的七个反射腔相互对位的印刷电路板上,每个反射腔底部的中心位置就是LED芯片在装反射罩前,用压焊方法在芯片和印刷电路上相应金属条之间连好630um的硅铝丝或金属引线,在反射罩内滴入环氧树脂,再把带有芯片的印刷电路板及反射罩对位粘合,然后固化反射罩式数码管的封装方式有空封和实封两种实封方式接受散射剂和染料的环氧树脂,较多地用于一位或双位器件空封方式是在上方盖上滤波片和匀光膜,为提高器件的可*性,必需在芯片和底板上涂以透亮绝缘胶,这还可以提高光效率这种方式一般用于四位以上的数字显示(或符号显示)
(2)条形七段式数码管属于混合封装形式它是把做好管芯的磷化钱或磷化绿圆片,划成内含一只或数只LED发光条,然后把同样的七条粘在日字形“可伐”框上,用压焊工艺连好内引线,再用环氧树脂包封起来
(3)单片集成式多位数字显示器是在发光材料基片上(大圆片),利用集成电路工艺制作出大量七段数字显示图形,通过划片把合格芯片选出,对位贴在印刷电路板上,用压焊工艺引出引线,再在上面盖上“鱼眼透镜”外壳它们适用于小型数字仪表中
(4)符号管,米字管的制作方式及数码管类似
(5)矩阵管(发光二极管点阵)也可接受类似于单片集成式多位数字显示器工艺方法制作
(二)LED显示器分类1)按字高分笔画显示器字高最小有1mm(单片集成式多位数码管字高一般在23mm)其他类型笔画显示器最高可达
12.7mm(
0.〜5英寸)甚至达数百mm0
(2)按颜色分有红,橙,黄,绿等数种
(3)按结构分,有反射罩式,单条七段式及单片集成式
(4)从各发光段电极连接方式分有共阳极和共阴极两种所谓共阳方式是指笔画显示器各段发光管的阳极(即P区)是公共的,而阴极相互隔离所谓共阴方式是笔画显示器各段发光管的阴极(即N区)是公共的,而阳极是相互隔离的如图13所示
(三)LED显示器的参数由于LED显示器是以LED为基础的,所以它的光,电特性及极限参数意义大部分及发光二极管的相同但由于LED显示器内含多个发光二极管,所以需有如下特别参数
1.发光强度比由于数码管各段在同样的驱动电压时,各段正向电流不相同,所以各段发光强度不同全部段的发光强度值中最大值及最小值之比为发光强度比比值可以在
1.
52.3间,最大不能超过
2.5o〜
2.脉冲正向电流若笔画显示器每段典型正向直流工作电流为IF,则在脉冲下,正向电流可以远大于IF脉冲占空比越小,脉冲正向电流可以越大四LED显示器的应用指南
1.七段数码显示器1假如数码宇航局为共阳极形式,则它的驱动级应为集电极开路0C结构,如图14a所示假如数码管为共阴极形式,它的驱动级应为射极输出或源极输出电路,如图14b所示例如国产TTL集成电路CT1049,CT4049为集电极开路形式七段字形译码驱动电路;而CMOS集成电路CC4511为源极输出七段锁存,译码驱动电路2限制数码管驱动级的限制电路也称驱动电路有静态式和动态式两类
①静态驱动静态驱动也称直流驱动静态驱动是指每个数码管各用一个笔画译码器如BCD码二-十进制译码器译码驱动图15是一位数码管的静态驱动之例图集成电路TC5002BP内含有射极输出驱动级,所以接受共阴极数码管A,B,C,D端为BCD码二-十进制的8421码输入端,BL为数码管熄灭及显示状态限制端,R为外接电阻图16为N位数字静态驱动显示电路
②动态驱动动态驱动是将全部数码管运用一个特地的译码驱动器,使各位数码管逐个轮番受控显示,这就是动态驱动由于扫描速度极快显示效果及静态驱动相同图17是一种四位数字动态驱动(脉搏冲驱动)方法的线路图中只用了一个译码驱动电路TC5002BPTC4508BP内含两个锁存器,每个锁存器可锁存四位二进BCD码,对应于四位十进制数的四组BCD码分别输入到四个锁存器,四个锁存器,四组BCD码由四个锁存器分时轮番输出进入译码器,译码后进入数码管驱动级集成电路TD62505P(输入端H17及输出〜端Q1Q7——对应)〜Q1Q7分别加到四个数码管的a g七个阳极上数字驱动电〜〜路TD62023P是由达林顿构成的阵列电路,Q1Q4中哪一端接地,〜由输入端H14的四师长“使能”信号DS1DS4限制由于四个锁〜〜存器的轮换输出也是受“使能”信号DS1DS4限制所以四个数码〜管轮番通电显示由于轮番显示频率较高,故显示的数字不呈闪耀现象
2.米字管,符号管显示器米字管和符号管的结构原理相机,所以其驱动方式也基本相同,只是译码电路的译码过程及七段译码器不同米字管可以显示包括英文字母在内的多种符号符号管主要是用来显示+,-或士号等
3.LED点阵式显示器LED点阵式显示器及由单个发光二极管连成的显示器相比,具有焊点少,连线少,全部亮点在同平面,亮度匀整,外形美观等优点点阵管依据其内部LED尺寸的大小,数量的多少及发光强度,颜色等可分为多种规格图18所示是具有代表性的P2057A和P2157A两种65高亮度橙红色5X7点阵组件接受双列直插14脚封装,两种显示器的差别是LED极性不同,如图18所示该显示器用扫描驱动方式,选择较大峰值电流和窄脉冲作驱动源,每个LED的平均电流不应超过20mAoLED点阵管可以代替数码管,符号管和米字管不仅可以显示数字,也可显示全部西文字母和符号假如将多块组合,可以构成大屏幕显示屏,用于汉字,图形,图表等等的显示被广泛用于机场,车站,码头,银行及很多公共场所的指示,说明,广告等场合.穴复合,每次释放的能量不大,不能形成可见光发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大,光量子效率越高由于复合是在少子扩散区内发光的,所以光仅在*近PN结面数Um以内产生理论和实践证明,光的峰值波长入及发光区域的半导体材料有关,即入/1240/Eg mm式中Eg的单位为电子伏特eV若能产生可见光波长在380nm紫光780nm红光,半导体材料的Eg应在
3.26-
1.63eV之间比〜红光波长长的光为红外光现在已有红外,红,黄,绿及蓝光发光二极管,但其中蓝光二极管成本,价格很高,运用不普遍二LED的特性
1.极限参数的意义1允许功耗Pm:允许加于LED两端正向直流电压及流过它的电流之积的最大值超过此值,LED发热,损坏2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3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
(4)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
(1)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,其波长大体按图2所示由图可见,该发光管所发之光中某一波长入0的光强最大,该波长为峰值波长
(2)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(med)作单位
(3)光谱半宽度A入它表示发光管的光谱纯度.是指图3中1/2峰值光强所对应两波长之间隔.
(4)半值角1/2和视角1/2是指发光强度值为轴向强度值一半的方向及发光轴向(法向)的夹角半值角的2倍为视角(或称半功率角)图3给出的二只不同型号发光二极管发光强度角分布的状况中垂线(法线)A0的坐标为相对发光强度(即发光强度及最大发光强度的之比)明显,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
(5)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运用中应依据须要选择IF在
0.6-IFm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=20mA时测得的发光二极管正向工作电压VF在
1.43V在外界温度上升时,VF将下降〜
(7)V-I特性发光二极管的电压及电流的关系可用图4表示在正向电压正小于某一值(叫阈值)时,电流微小,不发光当电压超过某一值后,正向电流随电压快速增加,发光由V-I曲线可以得动身光管的正向电压,反向电流及反向电压等参数正向的发光管反向漏电流IR
(三)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依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亮,无色透亮,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42mm,
44.4mm,65mm,48mm,610mm及@20mm等国外通常把@3mm的发光二极管记作TT;把的记作TT3/4;把@
4.4mm的记作TT1/4由半值角大小可以估计圆形发光强度角分布状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520或更小,具有很高的指向性,〜可作局部照明光源用,或及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一般亮度的LED(发光强度lOOmcd);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(亮度及一般发光管相同)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
(四)LED的应用由于发光二极管的颜色,尺寸,形态,发光强度及透亮状况等不同,所以运用发光二极管时应依据实际须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,运用时,应保证不超过此值为平安起见,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利用高亮度或超高亮度发光二极管制作微型手电的电路如图5所示图中电阻R限流电阻,其值应保证电源电压最高时应使LED的电流小于最大允许电流IFm2图6a,b,c分别为直流电源,整流电源及沟通电源指示电路图a中的电阻口E-VF/IF;图b中的R-
1.4Vi-VF/IF;图c中的RgVi/IF式中,Vi——沟通电压有效值3单LED电平指示电路在放大器,振荡器或脉冲数字电路的输出端,可用LED表示输出信号是否正常,如图7所示R为限流电阻只有当输出电压大于LED的阈值电压时,LED才可能发光4单LED可充作低压稳压管用由于LED正向导通后,电流随电压变更特别快,具有一般稳压管稳压特性发光二极管的稳定电压在
1.43V间,应依据须要进行选择VF,如图8所ZjS O〜5电平表目前,在音响设备中大量运用LED电平表它是利用多只发光管指示输出信号电平的,即发光的LED数目不同,则表示输出电平的变更图9是由5只发光二极管构成的电平表当输入信号电平很低时,全不发光输入信号电平增大时,首先LED1亮,再增大LED2亮……五)发光二极管的检测
1.一般发光二极管的检测
(1)用万用表检测利用具有XIOk挡的指针式万用表可以大致推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200k,反向电阻的值为o假如正向电阻值为0或为8,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状况,因为XIOkQ挡不能向LED供应较大正向电流假如有两块指针万用表(最好同型号)可以较好地检查发光二极管的发光状况用一根导线将其中一块万用表的“+”接线柱及另一块表的“-”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X10挡正常状况下,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XI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留意,不能一起先测量就将两块万用表置于xi Q,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)可以较精确测量发光二极管的光,电特性为此可按图10所示连接电路即可假如测得VF在
1.43V之间,且〜发光亮度正常,可以说明发光正常假如测得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,它放射13um的红外光,人眼看不到〜通常单只红外发光二极管放射功率只有数硒,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正是由于其放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,而无法判定其发光状况正常否为此,最好打算一只光敏器件(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更状况来推断红外LED加上适当正向电流后是否放射红外光其测量电路如图11所示二,LED显示器结构及分类。