LED發光二極管工作原理及檢測方法

LED發光二極管工作原理及檢測方法

發光二極管LED（Light-EmittingDiode）是能將電信號轉換成光信號的結型電致發光半導體器件。

1、發光二極管LED主要特點

　?。?）在低電壓（1.5～2.5V）、小電流(5～30mA)的條件下工作，即可獲得足夠高的亮度。
　?。?）發光響應速度快（10-7～10-9 s），高頻特性好，能顯示脈沖信息。
　?。?）單色性好，常見顏色有紅、綠、黃、橙等。
　?。?）體積小。發光面形狀分圓形、長方形、異形（三角形等）。其中圓形管子的外徑有φ1、φ2、φ3、φ4、φ5、φ8、φ10、φ12、φ15、φ20（mm）等規格，直徑1mm的屬于超微型LED。
　?。?）防震動及抗沖擊穿性能好，功耗低，壽命長。由于LED的PN結工作在正向導通狀態，本射功耗低，只要加必要的限流措施，即可長期使用，壽命在10萬小時以上，甚至可達100萬小時。
　?。?）使用靈活，根據需要可制成數碼管、字符管、電平顯示器、點陣顯示器、固體發光板、LED平極型電視屏等。
　?。?）容易與數字集成電路匹配。

2．發光二極管的原理

　　發光二極管內部是具有發光特性的PN結。當PN結導通時，依靠少數載流子的注入以及隨后的復合而輻射發光。普通發光二極管的外形、符號及伏安特性如圖1 所示。LED正向伏安特性曲線比較陡，在正向導通之前幾乎有電流。當電壓超過開啟電壓時，電流就急劇上升。因此，LED屬于電流控制型半導體器件，其發光亮度L（單位cd/m2，讀作坎德拉每平方米）與正向電流IF近似成正雙，有公式
　　L =K IFm
　　式中，K為比例系數，在小電流范圍內（IF=1～10mA），m=1.3～1.5。當IF>10mA時，m=1，式（5.10.1）簡化成
　　L =K IF
　　即亮度與正向電流成正比。以磷砷化鎵黃色LED為例，相對發光強度與正向電流的關系如圖2所示。LED的正向電壓則與正向電流以及管芯的半導體材料有關。使用時應根據所要求的顯示亮度來選取合適的IF值（一般選10mA左右，對于高亮度LED可選1～2mA），既保證亮度適中，也不會損壞LED。若電流過大，會燒毀LED的PN結。此外，LED的使用壽命將縮短。
　　由于發光二極管的功耗低、體積小，色彩鮮艷、響應速度快、壽命長，所以常用作收錄機、收音機和電子儀器的電平指示器、調諧指示器、電源指示器等。發光二極管在正向導通時有一定穩壓作用，還可作直流穩壓器中的穩壓二極管，提供基準電壓，兼作電源指示燈。目前市場上還有一種帶反射腔及固定裝置的發光二要管（例如BT104-B2、BT102-F），很容易固定在儀器面板上。
　　LED的輸出光譜決定其發光顏色及光輻射純度，也反映出半導體材料的特性。常見管芯材料有磷化鎵（GaP）、砷化鎵（GaAsP）、磷砷化鎵（GaAlAs）、砷鋁化鎵（GaN）氮化鎵可發藍光。

3．使用注意事項

　?。?）管子極性不得接反，一般講引線較長的為正極，引線較短的是負極。
　?。?）使用中各項參數不得超過規定極限值。正向電流IF不允許超過極限工作電流IFM值，并且隨著環境溫度的升高，必須作降額使用。長期使用溫度不宜超過75℃。
　?。?）焊接時間應盡量短，焊點不能在管腳根部。焊接時應使用鑷子夾住管腳根部散熱，宜用中性助焊劑（松香）或選用松香焊錫絲。
　?。?）嚴禁用有機溶液浸泡或清洗。
　?。?）LED的驅動電路必須加限流電阻，一般可取一百歐至幾百歐，視電源電壓而定。
　?。?）在發光亮度基本不變的情況下，采用脈沖電壓驅動可以節省耗電。對于LED點陣顯示器，采用掃描顯示方式能大大降低整機功耗。

4．檢查發光二極管的好壞

　　發光二極管具有單向導電性，使用R×10k檔可測出其正、反向電阻。一般正向電阻應小于30k歐姆，反向電阻應大于1M歐姆。若正、反向電阻均為零，說明內部擊穿短路。若正、反向電阻均為無窮大，證明內部開路。
　　常見發光二極管的種類及主要參數見表2。需要說明兩點：第一，對于同種材料的管芯，由于所摻雜質的不同，發光顏色亦不同；第二，LED屬于電流控制型器件，VF隨IF而變化，所標VF值僅供參考。
　　此外，根據外形也可以區分發光二極管的正、負極。早期生產的管子帶金屬管座，上面罩一光學透鏡，管側有一突起，靠近突起的是正極。目前生產的LED，全部用透明或半透明的環氧樹脂封裝而成，并且利用環氧樹脂構成透鏡，起放大和聚焦作用，這類管子引線較長的為正極。

　　注意事項：

　　不推薦使用R×1k檔測量LED的正、反向電阻。因為該檔電池電壓E
　　僅僅測量正、反向電阻，并不能檢查其能否正常發光。由于發光二極管的正向電壓VF一般1.5～2.5V，而萬用表R×1或R×10檔的電池電壓為 1.5V，所以不能使管子正向導通并且發光。R×10k檔的電池電壓雖然較高，但因內阻太大，提供的正向電流很小，管子也不會正常發光。
　　采用雙表法可以檢查發光二極管的發光情況。最好選同一種型號的兩塊萬用表，均撥一R×1或R×10檔，按圖1(a)所示串聯使用，以提供較高的正向電壓。等效電路見(b)圖。
　　假定兩塊萬用表均采用MF30型，并且均撥到R×1檔。因為一塊表的電池電壓E=1.5V，歐姆中心值R0=25歐姆，所以總電壓和總電阻分別是
　　E′= 2E= 2×1.5=3V
　　R0′= 2R0= 2×25=50歐姆
　　如果把它們看成一塊新表，等效電路就簡成（c）圖。新表的滿度電流是：
　　IM′= E′/ R0′=2E/ 2R0= E/ R0=IM
　　可見滿度電流值并未改變。

　　發光二極管在使用時應加上限流電阻R，將正向電流IF限制在10～30mA為宜，避免功耗太記而損壞管子。一般典型正向電流可選10mA，IF的計算公式為
　　IF= E－VF/ R
　?。╟）圖中的R0′能起到限流作用，因此不必另接限流電阻。磷砷化鎵發光二極管的正向壓降較低，為1.7V左右。E′=3V將R0′=50歐姆，可求出用雙表法測量時的正向電流為
　　IF= E′－VF/ R0′=3－1.7/50=26 mA <30 mA
　　因此對管子沒有危險。電路接通之后，管子能發出晶瑩奪目的紅光。
　　如果選用的兩塊萬用表R×1檔歐姆中心值不等，設分別為R01、R02，而兩表R×1檔的電池電壓均為E（E=1.5V），則此時
　　IM′=2 E / R01 R02
　　IF=2 E －VF / R01 R02

　　實例：測量一只型號不明的發光二極管。
　　第一步，判定正、負極。用MF30型萬用表的R×10k檔測得正向電阻為26k歐姆，反向電阻接近無窮大。測正向電阻時，黑表筆接的就是正極。

　　第二步，將兩塊MF30型萬用表均撥至R×1檔采用雙表測量，被測管發出艷麗的紅光。若把發光二極管的極性反接，加上反向電壓時管子就不能發光。
　　然后將兩塊萬用表撥于R×10檔，管子發光暗淡。這是因為總電阻R0′=2×250=500歐姆，提供的正向電流較小所致。此時
　　IF≈3－1.7/500=2.6 mA

　　注意事項：

　?。?）采用雙表法必須先調整好兩塊萬用表的歐姆零點。
　?。?）為了不損壞被測發光二極管，測量前應計算IM′值，若IM′≥50mA，需選擇R×10檔。例如，兩塊500型萬用表R×1檔串聯后的總電阻 R0=20歐姆，IM′=IM=75mA>50mA。改用R×1檔時IM′=7.5 mA，與典型正向電流IF=10mA就比較接近。
　　實際上發光二極管本身尚有1.5～2.5V壓降，因此上述結果均留有一定余量。
　　假如不知道被測發光二極管的正向電壓，也不清楚IM′值。建議先把兩塊表都撥到R×10檔，若發光很暗，再改撥R×1檔。