(整理)LED綜合特性實(shí)驗(yàn)儀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書.

1、ZKY-LEDLED特性實(shí)驗(yàn)儀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)及操作說明書成都世紀(jì)中科儀器地址：成都市人民南路四段9號中科院成都分院：610041：02885247006：0288524700685243932網(wǎng)址；WWW.ZKY.CnE-mail:ZKYZKY.CnLED特性實(shí)驗(yàn)儀1962年,通用電氣公司的尼克？何倫亞克NickHolonyakJr.開發(fā)出第一只發(fā)光二極管LEDLightEmittingDiode,LED早期主要作為指示燈使用.20世紀(jì)80年代,LED的亮度有了很大提升,開始廣泛應(yīng)用于各種大屏幕顯示.1994年,日本科學(xué)家中村秀二在氮化錢GaN基片上研制出第一只藍(lán)光LED,1997年誕生了藍(lán)光芯片加

2、熒光粉的白光LED,使LED的開展和應(yīng)用進(jìn)入了全彩應(yīng)用及普通照明階段.LED是一種固態(tài)的半導(dǎo)體器件,它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光,具有體積小,耗電量低,易于限制,鞏固耐用,壽命長,環(huán)保等優(yōu)點(diǎn),其主要應(yīng)用領(lǐng)域包括照明：在全球能源日趨緊張和環(huán)保壓力日益加大的情況下,使用LED照明是節(jié)能環(huán)保的重要途徑.在國務(wù)院發(fā)布的?國家中長期科學(xué)和技術(shù)開展規(guī)劃綱要?中,“高效節(jié)能,長壽命的半導(dǎo)體照明產(chǎn)品被列入國家中長期規(guī)劃第一重點(diǎn)領(lǐng)域能源的第一優(yōu)先主題工業(yè)節(jié)能.2006年10月,國家863方案“半導(dǎo)體照明工程正式啟動.普通照明用的白熾燈雖價格廉價,但光效低1224流明/瓦,壽命短平均1500小時已被歐盟禁止使用.熒光燈

3、的光效50120流明/瓦高,壽命平均6000小時較長,但靠汞蒸汽放電發(fā)光,而汞對人體有嚴(yán)重的毒害作用,污染環(huán)境.白光LED的光效已到達(dá)50流明/瓦,實(shí)驗(yàn)室水平已超過200流明/瓦,壽命平均50000小時,從綜合性能看已是最好的照明光源.雖然目前價格較高阻礙了LED在普通照明領(lǐng)域大規(guī)模推廣,但依據(jù)芯片產(chǎn)業(yè)的開展規(guī)律,隨著技術(shù)進(jìn)步與規(guī)模擴(kuò)大,本錢將會迅速降低,不久LED照明將會取代普通照明方式.大屏幕顯示：LED顯示屏顯示畫面色彩鮮艷,立體感強(qiáng),靜如油畫,動如電影,同時具有耗電低,易于限制,壽命長等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于車站、碼頭、機(jī)場、商場、醫(yī)院、賓館、銀行、證券市場、建筑市場、拍賣行、工業(yè)企業(yè)治理和

4、其它公共場所.LED顯示屏分為圖文顯示屏和視頻顯示屏,均由LED矩陣塊組成.圖文顯示屏可與計算機(jī)同步顯示漢字、英文文本和圖形；視頻顯示屏采用微型計算機(jī)進(jìn)行限制,圖文、圖像并茂,以實(shí)時、同步、清楚的信息傳播方式播放各種信息,還可顯示二維、三維動畫、錄像、電視、VCD節(jié)目以及現(xiàn)場實(shí)況.液晶顯示的背光源：液晶顯示器目前在中小屏幕顯示方面占據(jù)大局部市場,液晶矩陣元只對光線起開關(guān)限制作用,必需有背光源照明才能顯示圖像,色彩.由于LED體積小,耗電低,壽命長的優(yōu)點(diǎn),數(shù)碼相機(jī),筆記本電腦,MP3/4等便攜設(shè)備的液晶屏都采用LED做背光源.由于價格因素,早期大屏幕液晶屏是采用CCFL熒光燈管做背光源,隨著LE

5、D的價格下降,且采用LED做背光源可使顯示屏色彩表現(xiàn)力更豐富,亮度和白平衡易于限制,目前大屏幕液晶屏已競相采用LED做背光源.裝飾工程：城市的夜空,各種裝飾性,廣告性的燈具閃爍發(fā)光,曾經(jīng)的霓虹燈已退出歷史舞臺,取代它的是組合、限制方便,表現(xiàn)力豐富的LED燈具.景觀照明中白一個亮點(diǎn)是LED與太陽能的結(jié)合,白天利用造型燈具中的太陽能電池發(fā)電,晚上利用太陽能發(fā)電的能量點(diǎn)燃燈具,實(shí)現(xiàn)了裝飾照明與節(jié)能環(huán)保的和諧統(tǒng)一.其它：如交通信號燈,公共場所的各種指示燈,光纖通信的光源,汽車上的各種內(nèi)部照明燈,儀表指示燈,儀器上的數(shù)碼顯示管,都大量采用LED.實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^實(shí)驗(yàn)測試各種LED特性,分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果,從而進(jìn)一

6、步了解LED工作原理及相關(guān)應(yīng)用.測量LED的伏安特性(2)測量LED的電光轉(zhuǎn)換特性(3)測量LED輸出光空間分布特性實(shí)驗(yàn)原理勢壘電場方向圖1半導(dǎo)體P-N結(jié)示意圖發(fā)光二極管是由P型和N型半導(dǎo)體組成的二極管.P型半導(dǎo)體中有相當(dāng)數(shù)量的空穴,幾乎沒有自由電子.N型半導(dǎo)體中有相當(dāng)數(shù)量的自由電子,幾乎沒有空穴.當(dāng)兩種半導(dǎo)體結(jié)合在一起形成P-N結(jié)時,N區(qū)的電子(帶負(fù)電)向P區(qū)擴(kuò)散,P區(qū)的空穴(帶正電)向N區(qū)擴(kuò)散,在P-N結(jié)附近形成空間電荷區(qū)與勢壘電場.勢壘電場會使載流子向擴(kuò)散的反方向作漂移運(yùn)動,最終擴(kuò)散與漂移到達(dá)平衡,使流過P-N結(jié)的凈電流為零.在空間電荷區(qū)內(nèi),P區(qū)的空穴被來自N區(qū)的電子復(fù)合,N區(qū)的電子被來

7、自P區(qū)的空穴復(fù)合,使該區(qū)內(nèi)幾乎沒有能導(dǎo)電的載流子,又稱為結(jié)區(qū)或耗盡區(qū).當(dāng)加上與勢壘電場方向相反的正向偏壓時,結(jié)區(qū)變窄,在外電場作用下,P區(qū)的空穴和N區(qū)的電子就向?qū)Ψ綌U(kuò)散運(yùn)動,從而在PN結(jié)附近產(chǎn)生電子與空穴的復(fù)合,并以熱能或光能的形式釋放能量.采用適當(dāng)?shù)牟牧?使復(fù)合能量以發(fā)射光子的形式釋放,就構(gòu)成發(fā)光二極管.發(fā)光二極管發(fā)射光譜的中央波長,由組成P-N結(jié)的半導(dǎo)體材料的禁帶能量所決定,采用不同的材料及材料組分,可以獲得發(fā)射不同顏色的發(fā)光二極管.LED的光譜線寬度一般有幾十納米,可見光的光譜范圍是400700納米,白光LED一般采用三種方法形成.第一種是在藍(lán)光LED管芯上涂敷熒光粉,藍(lán)光與熒光粉產(chǎn)生的

8、寬帶光譜合成白光.第二種是采用幾種發(fā)不同色光的管芯封裝在一個組件外殼內(nèi),通過色光的混合構(gòu)成白光LED.第3種是紫外LED加3基色熒光粉,3基色熒光粉的光譜合成白光.實(shí)驗(yàn)儀器LED光發(fā)射器LED組件盒照度檢測鼓勵電源測試限制器實(shí)驗(yàn)儀LED實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示.實(shí)驗(yàn)裝置由LED光發(fā)射器,照度檢測探頭,鼓勵電源,測試限制器,實(shí)驗(yàn)儀及LED組件盒組成.LED組件可以方便的安裝LED光發(fā)射器上,共提供紅色,綠色,藍(lán)色,白色4種高亮LED和紅色,綠色,藍(lán)色,白色4種功率LED,功率LED的輸出光更強(qiáng),空間分布角大.LED光發(fā)射器可以旋轉(zhuǎn)并由刻度盤指示旋轉(zhuǎn)角度,方便測量LED輸出光空間分布特性.照度檢測由光電

9、池將LED輸出的光信號轉(zhuǎn)換成電信號后,由照度表顯示.鼓勵電源有穩(wěn)壓與穩(wěn)流兩種輸出模式,目前的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容采用穩(wěn)壓模式,穩(wěn)流模式為以后擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)預(yù)留.在穩(wěn)壓模式下,選擇036伏檔,限制器向LED輸出反向電壓.選擇04伏檔,限制器向LED輸出正向電壓.輸出調(diào)節(jié)旋紐可以調(diào)節(jié)輸出的電壓值.測試限制器提供電壓換向,過壓報警,輸入輸出信號的轉(zhuǎn)接等功能.實(shí)驗(yàn)儀上有電壓,電流,照度3個表頭,是讀取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的窗口,每個表頭都帶有量程切換按鍵.各局部的連線儀器上都有標(biāo)示,按標(biāo)示連接即可.使用時應(yīng)注意,只有在電源輸由為0時電源調(diào)節(jié)旋紐逆時針旋轉(zhuǎn)到底,才可進(jìn)行：切換電源和實(shí)驗(yàn)儀的檔位、更換LED組件、開啟、關(guān)閉電源.否那么

10、易導(dǎo)致電源或儀器損壞.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟測量原理如圖3所示:圖3LED特性測量原理圖調(diào)節(jié)鼓勵電源的輸出調(diào)節(jié)旋紐,電壓,電流,照度3只表都裝在LED綜合特性實(shí)驗(yàn)儀上.可以改變LED驅(qū)動電源的輸出電壓或電流.LED兩端電壓由電壓表讀出,流經(jīng)LED的電流由電流表讀出,LED輸出光強(qiáng)經(jīng)光探頭接收后由照度表讀出.1、測量LED的伏安特性伏安特性反映了在LED兩端加電壓時,電流與電壓的關(guān)系,如圖4所示.在LED兩端加正向電壓,當(dāng)電壓較小,缺乏以克服勢壘電場時,通過LED的電流很小.當(dāng)正向電壓超過死區(qū)電壓圖4中的正向拐點(diǎn)后,電流隨電壓迅速增長.正向工作電流指LED正常發(fā)光時的正向電流值,根據(jù)不同管子的結(jié)構(gòu)和輸出

11、功率的大小,其值在幾十毫安到1安之間.正常工作電壓指LED正常發(fā)光時加在二極管兩端的電壓.允許功耗指加于LED的正向電壓與電流乘積的最大值,超過此值,LED會因過熱而損壞.LED的伏安特性與一般2極管相似.在LED兩端加反向電壓,只有微安極的反向電流.0.反向電壓超過擊穿電壓(一般為幾十伏)后,管子被擊穿損壞.為平安起見,鼓勵電源提供的最大反向電壓低于擊穿電壓.2、測量LED的電光轉(zhuǎn)換特性圖5反映發(fā)光二極管的驅(qū)動電流與與輸出照度的關(guān)系.發(fā)光二極管輸出照度值與驅(qū)動電流近似呈線性關(guān)系.這是由于驅(qū)動電流與注入PN結(jié)的電荷數(shù)成正比,在復(fù)合發(fā)光的量子效率一定的情況下,輸出照度與注入電荷數(shù)成正比.測量伏安

12、特性與電光轉(zhuǎn)換特性：電源輸出調(diào)節(jié)旋紐反時針旋轉(zhuǎn)到底,此時輸出電壓電流為注意：只有在電源輸由為0時,才可進(jìn)行：切換電源和實(shí)驗(yàn)儀的檔位、更換LED組件、關(guān)閉電源.否那么導(dǎo)致電源或儀器損壞將待測的LED安裝在LED發(fā)射器上,調(diào)節(jié)發(fā)射器位置,使其正對接收探頭.將照度檢測探頭至LED的距離調(diào)節(jié)到20厘米.調(diào)節(jié)探頭的高度和角度,使其正對LED.輸出模式選擇穩(wěn)壓,電源輸出檔位選擇036V.此時限制器上的紅色指示燈熄滅,說明加在LED上的為反向電壓,測量反向特性.實(shí)驗(yàn)儀電壓表選擇40V檔,電流表選擇100g檔,照度表選擇100LX檔.記錄電源輸出為0時照度表的示值,此示值是背景光和探頭0位調(diào)節(jié)誤差導(dǎo)致的背景值

13、.記錄照度時應(yīng)扣除背景值.將輸出調(diào)節(jié)旋紐右旋至輸出一20V,測量反向電流.逐漸減小反向電壓,觀察反向電流的變化,記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)于表1或表2.反向電壓調(diào)節(jié)到0后,將電源檔位切換為04V.此時限制器上的紅色指示燈亮,說明加在LED上的為正向電壓,測量正向特性.實(shí)驗(yàn)儀電壓表選擇4V檔,假設(shè)測量高亮LED的正向特性,電流表選擇40mA檔,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記入表1.不同顏色,不同材料,不同工藝的LED管死區(qū)電壓差異較大,而允許的最大電流相近.故越過死區(qū)電壓后,將電流調(diào)節(jié)到某些值,記錄相應(yīng)的電壓和照度.測量完一只管子后,將電源調(diào)節(jié)到輸出為0,更換LED組件,重復(fù)以上的測量.實(shí)驗(yàn)儀電壓表選擇4V檔,假設(shè)測量功率LED

14、的正向特性,電流表選擇400mA檔,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記入表2.表1高亮LED伏安特性與電光轉(zhuǎn)換特性的測量LED型號測量結(jié)果照度背景值：紅色高亮電壓(V)-20-1000.61.2電流(mA)124816照度(LX)/綠色高亮電壓(V)-20-1000.81.61電流(mA)124816照度(LX)1藍(lán)色高亮電壓(V)-20-1000.81.6電流(mA)124816照度(LX)白色高亮電壓(V)-20-1000.81.6電流(mA)124816照度(LX)根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),畫出4只高亮LED管的伏安特性及電光轉(zhuǎn)換特性曲線,并與圖4,圖

15、5比擬.表2功率LED伏安特性與電光轉(zhuǎn)換特性的測量LED型號測量結(jié)果照度背景值：紅色功率電壓(V)-18-900.61.2電流(mA)1248163264128200照度(LX)綠色功率電壓(V)-18-900.81.6電流(mA)1248163264128200照度(LX)藍(lán)色功率電壓(V)-18-900.81.6電流(mA)1248163264128200照度(LX)白色功率電壓(V)-18-900.81.6電流(mA)1248163264128200照度(LX)根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),畫出4只功率LED管的伏安特性及電光轉(zhuǎn)換特性曲線,并與圖4,圖5比擬.3、測量LED輸出光空間分布特性發(fā)光二極管的

16、芯片結(jié)構(gòu)及封裝方式不同,輸出光的空間分布也不一樣,圖6給出其中兩種的分布特性.圖6的發(fā)射強(qiáng)度是以最大值為基準(zhǔn),此時方向角定義為零度,發(fā)射強(qiáng)度定義為100%.當(dāng)方向角改變時,發(fā)射強(qiáng)度相應(yīng)改變.發(fā)射強(qiáng)度降為峰值的一半時,對應(yīng)的角度稱為方向半值角.發(fā)光二極管出光窗口附有透鏡,可使其指向性更好,如圖6(a)的曲線所示,方向半值角大約為土7左右,可用于光電檢測,射燈等要求出射光束能量集中的應(yīng)用環(huán)境.圖6(b)所示曲線為未加透鏡的發(fā)光二極管,方向半值角大約為土50.,可用于普通照明及大屏幕顯示等要求視角寬廣的應(yīng)用環(huán)境.(a)A型管(加裝透鏡)(b)B型管圖6兩種發(fā)光二極管的角度特性曲線圖LED輸出光空間分

17、布特性測試測量高亮LED,驅(qū)動電流保持在16mA.松開LED光發(fā)射器底部的鎖緊螺釘,緩慢旋轉(zhuǎn)發(fā)射器,觀察照度的變化,以照度最大處對應(yīng)的角度為0角度.假設(shè)此時角度示值不為0,記錄該0差,以后的角度讀數(shù)減去0差,才是實(shí)際轉(zhuǎn)動角度.對高亮LED,每隔2度測量一次照度的變化,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記入表3.測量完一只管子后,將電源調(diào)節(jié)到輸出為0,更換LED組件,重復(fù)以上的測量.對功率LED,測量方法與高亮LED相同,驅(qū)動電流保持在128mA,每隔10度測量一次照度的變化,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記入表4.表3高亮LED輸出光空間分布特性測量LED型號測量結(jié)果紅色高亮角度(度)-14-12-10-8-6-4-202468101214照度(LX)綠色高亮角度(度)-14-12-10-8-6-4-202468101214照度(LX)藍(lán)色高亮角度(度)-14-12-10-8-6-4-202468101214照度(LX)白色高亮角度(度)-14-12-10-8-6-4-202468101214照度(LX)畫