led的基本知识.docx
- 文档编号:24915893
- 上传时间:2023-06-02
- 格式:DOCX
- 页数:20
- 大小:180.93KB
led的基本知识.docx
《led的基本知识.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《led的基本知识.docx(20页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
led的基本知识
LED半导体发光二极管工作原理、特性及应用
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(砷化镓)、GaP(磷化镓)、GaAsP(磷砷化镓)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。
此外,在一定条件下,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)一部分与多数载流子(多子)复合而发光,如图1所示。
假设发光是在P区中发生的,那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光,或者先被发光中心捕获后,再与空穴复合发光。
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、介带中间附近)捕获,而后再与空穴复合,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,所以光仅在靠近PN结面数μm以内产生。
理论和实践证明,光的峰值波长λ与发光区域的半导体材料禁带宽度Eg有关,即λ≈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,使用不普遍。
(二)LED的特性
1.极限参数的意义
(1)允许功耗Pm:
允许加于LED两端正向直流电压与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λ0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(mcd)作单位。
(3)光谱半宽度Δλ:
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)。
图3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。
(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。
在实际使用中应根据需要选择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1.4~3V。
在外界温度升高时,VF将下降。
(7)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<10μA以下。
(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。
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φ2mm、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<10mcd);超高亮度的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。
(四)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VR<0。
6VRm。
LED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IFm。
(2)图6(a)、(b)、(c)分别为直流电源、整流电源及交流电源指示电路。
图(a)中的电阻≈(E-VF)/IF;
图(b)中的R≈(1.4Vi-VF)/IF;
图(c)中的R≈Vi/IF式中,Vi——交流电压有效值。
(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,电流随电压变化非常快,具有普通稳压管稳压特性。
发光二极管的稳定电压在1.4~3V间,应根据需要进行选择VF,如图8所示。
(5)电平表。
目前,在音响设备中大量使用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化。
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.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。
如果有两块指针万用表(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。
其测量电路如图11所示.
一.16s,8s和4s主要区别:
1、扫描方式不一样;
2、亮度不一样(16s小于8s小于4s);
3、价格不一样,或者理解为使用的驱动IC数量不一样(同一型号16s低于8s低于4s)
目前市场上的显示屏大致可分为静态扫描和动态扫描两种方式!
静态扫描又分为静态实像素和静态虚拟!
动态扫描也分为动态实像和动态虚拟``分别有2扫,4扫,8扫,16扫``
举列说明:
一个常用的全彩模组:
像素为16*8(2R1G1B)MBI5026驱动,模组总共使用的灯是:
16*8*(2+1+1)=512,MBI5026为16位芯片!
(1)512/16=32,如果是32个MBI5026芯片,这块板子是静态虚拟
(2)如果板子上两个红灯串连,用24个MBI5026芯片,是静态实像素。
(3)12个MBI5026芯片,动态2扫实像素
(4)16个MBI5026芯片,动态2扫虚拟
(5)8个MBI5026芯片,动态4扫虚拟
(6)6个MBI5026芯片,动态4扫实像素
二.LED的基本术语VF、IV、WL、IR解释及光通量换算关系
V 代表电压。
F 代表正向。
I 代表电流。
R 代表反向。
WL代表波长。
故:
VF代表正向电压,一般小功率led红、黄、橙、黄绿的vf是1.8-2.4v,纯绿、蓝、白的vf是3.0-3.6v。
IF是正向电流,一般小功率led的IF都是20mA。
IR是反向电流,
一般是在5v的反向电压下面测量,分小于10uA(微安),小于5uA和0uA几个档次。
WL是光的波长,可见光分别有各自的波长,不同的波长对应不同的颜色,如红光一般是615-650nm(纳米),蓝光一般是450-475nm。
白光由于是蓝色芯片+荧光粉调制而成,所以无波长,以色温来衡量(3000k以下偏黄。
3000k-7000k正白,7000k以上偏蓝)。
LED的Vf值是什么意思?
它的大小对LED有什么影响?
vf是正向电压的意思,但是不一定正向电压越大,正向电流越大。
你看只要是小功率led的承认书上面都会有一个vf值,有一个If值,不管vf值是多大,(红、黄、黄绿、橙一般为1.8v-2.4v,白、蓝、翠绿一般为3.0v-3.6v)。
If都是20mA。
这两者是相辅相成的。
比如2颗白光,一颗是3.0v,20mA,一颗是3.4v,20mA,意思就是说第一颗灯,你给它3.0v的电压,流过它的电流就是正常额定电流20mA,但是第二颗灯,你要给它3.4v的电压,流过它的电流才是20mA。
在这里Vf和If没有成正比;但是一颗黄灯和一颗白灯比,比如黄灯的电压是2.0v,白灯的电压是3.3v,这颗黄灯在2.0v的电压下和这颗白灯在3.3v的电压下流过它们的电流是一样的,都是20mA,在这里Vf和If并不成正比。
所以只有是专指同一颗灯的情况下Vf和If才是绝对成正比的。
你在使用的时候不管Vf是多大,只要控制流过所有灯的电流为20mA就ok了
LED基本术语
光通量(lm):
光源每秒钟发出可见光量之总和。
例如一个100瓦(w)的灯泡可产生1500lm,一支40瓦(w)的日光灯可产生3500lm的光通量。
◇发光强度(cd):
光源在单位立体角内发出的光通量,也就是光源所发出的光通量在空间选定方向上分布的密度。
光强的单位是坎特拉(cd),也称烛光。
如:
1单位立体角度内发出1流明的光称为1坎特拉(1cd)。
◇亮度:
发光二极管是一种发光器件,亮度系指单位面积之照度,单位为:
烛光/平方米,发光二极管标准之驱动电流为20mA。
色温(k):
以绝对温度(k=℃+273.15)K来表示,即将一黑体加热,温度升到一定程度时,颜色逐渐由深红-浅红-橙红-黄-黄白-白-蓝白-蓝变化。
当某光源与黑体的颜色相同时,我们将黑体当时的绝对温度称为该光源的色温。
如:
当黑体加热呈现深红时温度约为550℃,即色温为823K。
光效(lm/w):
光源发出的光通量除以光源所消耗的功率。
它是衡量光源节能的重要指标。
显色性(ra):
光源对物体本身颜色呈现的程度称为显色性。
也就是颜色的逼真程度。
国际照明委员会CIE把太阳的显色指数定为100。
各类光源的显色指数各不相同。
如:
白炽灯ra≥90,荧光灯ra=60∽90。
可视角度:
角度分X轴(左、右)Y轴(上、下)当中心轴为1之亮度,左右或上下轴亮度达1/2时之夹角为可视角度;例70°可视角度系指从中心点向上下或左右各35°。
波长:
二极发光管所发出光的波长,一般红色波长在620-660nm,纯绿520-530nm,蓝色470-480nm,黄色580-890nm,黄绿550-570nm,请参考色度图,不同波长发出光之颜色不同;两种颜色之混光亦不同。
四元系:
指以ALInGaP四个化学元素所制作成的发光二极管,可以发出黄绿/黄色/橙色/红色(波长550-630nm)之间的光,具有亮度高、衰减度低的特性,为目前户外发光二极管之主流产品。
纯绿/黄绿:
传统绿色LED是以黄绿为主,波长从550-570nm,价格低,亮度也低,衰减快,1994年日本亚制造公司制造出了纯绿(波长520-530nm)价格高,亮度高,衰减慢,广泛在户外显示屏上使用,此两种产品有着极大的差异,设计时必须区分清楚。
单色/双基色/全彩屏:
三原色为红色/绿色/蓝色;若一颗象素管中含有此三种发光二极管则称为全彩显示屏;若只有红+绿称为双基色屏,若只有一种颜色如红色或黄色则称为单色显示屏,单色显示屏以播放纯文字内容为主,双基色则以文字+图案+动画为主,全彩屏则以播发视频信号为主。
使用寿命:
系指发光二极管亮度达到初始值一半的时间,又成为半衰期,不同的芯片使用在不同的环境中会有不同的使用寿命。
亮度衰减曲线:
各种芯片在一定条件下(温度、电流)亮度与时间的曲线;此曲线可以真正了解到芯片的特性好坏。
芯片/单灯/象素管:
二极发光管为半导体材料,其发光元件称芯片,用芯片封装成可以点亮的最小单元称单灯;许多小灯组装灌胶封装成一个大颗的管子加上外罩成为象素管。
点直径:
指象素管之直径。
点间距:
指两相邻象素管中心间之距离,标准可分辨之灯点间距=灯点直径×1.25。
可视距离:
指在此距离可以清楚看出显示屏体所显示之内容,此距离与显示文字的字高有关,简易速算公式:
---最近可视距离:
50 ×字高高度(米) ---最远可视距离:
200 字高高度(米)
亮度自动调整:
发光二极管随着环境亮度的强弱,而对自身的亮度亦作强弱之调整,一般以降低电流的方法来达到降低亮度的目的。
点密度:
指每平方米有多少个象素管。
操作温度:
显示屏可以正常使用的最低温度及最高温度。
LED光源与传统光源的比较
光源种类 光效(lm/w)色温(k)平均寿命(小时)
白炽灯泡 15 2800 1000
白英卤素灯 25 3000 2000-3000
普通日光灯 70 全系列 8000
三基色日光灯 96 全系列 10000
LED灯 50-250 全系列 50000
LED几个光学术语的解释以及换算关系
1.发光强度(光度)的含义是什么?
答:
发光强度(光度,I)定义为:
点光源在某一方向上的发光强度,即是发光体在单位时间内所射出的光量,也简称为光度,常用单位为烛光(cd,坎德拉),一个国际烛光的定义为以鲸鱼油脂制成的蜡烛每小时燃烧120格冷(grain)所发出的光度,一格冷等于0.0648克
2.发光强度(光度)的单位是什么?
答:
发光强度常用单位为烛光(cd,坎德拉),国际标准烛光(lcd)的定义为理想黑体在铂凝固点温度(1769℃)时,垂直于黑体(其表面积为1m2)方向上的60万分之一的光度,所谓理想黑体是指物体的放射率等于1,物体所吸收的能量可以全部放射出去,使温度一直保持均匀固定,国际标准烛光(candela)与旧标准烛光(candle)的互换关系为1candela=0.981candle
3.什么叫做光通量?
光通量的单位是什么?
答:
光通量(φ)的定义是:
点光源或非点光源在单位时间内所发出的能量,其中可产生视觉者(人能感觉出来的辐射通量)即称为光通量。
光通量的单位为流明(简写lm),1流明(lumen或lm)定义为一国际标准烛光的光源在单位立体弧角内所通过的光通量,由于整个球面面积为4πR2,所以一流明光通量等于一烛光所发出光通量的1/4π,或者说球面有4π,因此按照流明的定义可知一个cd的点光源会辐射4π流明,即φ(流明)=4πI(烛光),假定△Ω为很小的立体弧角,在△Ω立体角内光通量△φ,则有△φ=△ΩI
4.一英尺烛光的含义是什么?
答:
一英尺烛光是指距离一烛光的光源(点光源或非点光源)一英尺远而与光线正交的面上的光照度,简写为1ftc(1lm/ft2,流明/英尺2),即每平方英尺内所接收的光通量为1流明时的照度,并且1ftc=10.76lux
5.一米烛光的含义是什么?
答:
一米烛光是指距离一烛光的光源(点光源或非点光源)一米远而与光线正交的面上的光照度,称为勒克斯(lux,也有写成lx),即每平方公尺内所接收的光通量为1流明时的照度(流明/米2)
6.1lux的含义是什么?
答:
每平方公尺内所接收的光通量为1流明时的照度
7.照度的含义是什么?
答:
照度(E)的定义为:
被照物体单位受照面积上所接受的光通量,或者说受光照射的物体在单位时间内每单位面积上所接受的光度,单位以米烛光或英尺烛光(ftc)表示
8.照度与光度、距离之间有什么关系?
答:
照度与光度、距离间的关系是:
E(照度)=I(光度)/r2(距离平方)
9.被照体的照度大小与哪些因素有关?
答:
被照体的照度与光源的发光强度及被照体和光源之间的距离有关,而与被照体的颜色、表面性质及表面积大小无关
三.显示屏单元各个IC的作用
显示屏单元板元件:
驱动芯片主要是74HC595 74HC245/244 74HC138 4953。
74HC245的作用:
信号功率放大
单元板/模组是由多块串接在一起的,而控制信号是比较弱的,在信号传递过程中需要将它的功率进行放大
第1脚DIR,为输入输出端口转换用,DIR=“1”高电平时信号由“A”端输入“B”端输出,DIR=“0”低电平时信号由“B”端输入“A”端输出。
第2~9脚“A”信号输入输出端,A1=B1、、、、、、A8=B8,A1与B1是一组,如果DIR=“1”G=“0”则A1输入B1输出,其它类同。
如果DIR=“0”G=“0”则B1输入A1输出,其它类同。
第11~18脚“B”信号输入输出端,功能与“A”端一样,不再描述。
第19脚G,使能端,若该脚为“1”A/B端的信号将不导通,只有为“0”时A/B端才被启用,该脚也就是起到开关的作用。
第10脚GND,电源地。
第20脚VCC,电源正极。
74HC138的作用:
八位二进制译码器
74HC138的作用是用来选择显示行,一个74HC138可以选择8行中的一行,所以单元板/模块上有2块74HC138,这样就可以在16行中选择1行显示
第8脚GND,电源地。
第15脚VCC,电源正极
第1~3脚A、B、C,二进制输入脚。
第4~6脚片选信号控制,只有在4、5脚为“0”6脚为“1”时,才会被选通,输出受A、B、C信号控制。
其它任何组合方式将不被选通,且Y0~Y7输出全为“1”。
通过控制选通脚来级联,使之扩展到十六位。
例:
G2A=0,G2B=0,G1=1,A=1,B=0,C=0,则Y0为“0”Y1~Y7为“1”,详情见真值表。
74HC595的作用:
LED驱动芯片,8位移位锁存器
用于驱动显示列,每片74HC595可以驱动8列,多片74HC595串接
在一起,串行列数据信号RI(DATA)、锁存信号STB、串行时钟信号CLK都在这个芯片上
第8脚GND,电源地。
第16脚VCC,电源正极
第14脚DATA,串行数据输入口,显示数据由此进入,必须有时钟信号的配合才能移入。
第13脚EN,使能口,当该引脚上为“1”时QA~QH口全部为“1”,为“0”时QA~QH的输出由输入的数据控制。
第12脚STB,锁存口,当输入的数据在传入寄存器后,只有供给一个锁存信号才能将移入的数据送QA~QH口输出。
第11脚CLK,时钟口,每一个时钟信号将移入一位数据到寄存器。
第10脚SCLR,复位口,只要有复位信号,寄存器内移入的数据将清空,显示屏不用该脚,一般接VCC。
第9脚DOUT,串行数据输出端,将数据传到下一个。
第15、1~7脚,并行输出口也就是驱动输出口,驱动LED。
4953的作用:
行驱动管,功率管
每一显示行需要的电流是比较大的,要使用行驱动管,每片4953可以驱动2个显示行
其内部是两个CMOS管,1、3脚VCC,2、4脚控制脚,2脚控制7、8脚的输出,4脚控制5、6脚的输出,只有当2、4脚为“0”时,7、8、5、6才会输出,否则输出为高阻状态。
TB62726的作用:
LED驱动芯片,16位移位锁存器
有些单元板/模组使用TB62726代替74HC595,一片TB62726可以驱动16列,仅此而已
第1脚GND,电源地。
第24脚VCC,电源正极
第2脚DATA,串行数据输入
第3脚CLK,时钟输入
第4脚STB,锁存输入
第23脚输出电流调整端,接电阻调整
第22脚DOUT,串行数据输出
第21脚EN,使能输入
其它功能与74HC595相似,只是TB62726是16位移位锁存器,并带输出电流调整功能,但在并行输出口上
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- led 基本知识