LED发光二极管工作原理及检测方法

LED发光二极管工作原理及检测方法

发光二极管LED（Light-EmittingDiode）是能将电信号转换成光信号的结型电致发光半导体器件。

1、发光二极管LED主要特点

　　（1）在低电压（1.5～2.5V）、小电流(5～30mA)的条件下工作，即可获得足够高的亮度。
　　（2）发光响应速度快（10-7～10-9 s），高频特性好，能显示脉冲信息。
　　（3）单色性好，常见颜色有红、绿、黄、橙等。
　　（4）体积小。发光面形状分圆形、长方形、异形（三角形等）。其中圆形管子的外径有φ1、φ2、φ3、φ4、φ5、φ8、φ10、φ12、φ15、φ20（mm）等规格，直径1mm的属于超微型LED。
　　（5）防震动及抗冲击穿性能好，功耗低，寿命长。由于LED的PN结工作在正向导通状态，本射功耗低，只要加必要的限流措施，即可长期使用，寿命在10万小时以上，甚至可达100万小时。
　　（6）使用灵活，根据需要可制成数码管、字符管、电平显示器、点阵显示器、固体发光板、LED平极型电视屏等。
　　（7）容易与数字集成电路匹配。

2．发光二极管的原理

　　发光二极管内部是具有发光特性的PN结。当PN结导通时，依靠少数载流子的注入以及随后的复合而辐射发光。普通发光二极管的外形、符号及伏安特性如图1 所示。LED正向伏安特性曲线比较陡，在正向导通之前几乎有电流。当电压超过开启电压时，电流就急剧上升。因此，LED属于电流控制型半导体器件，其发光亮度L（单位cd/m2，读作坎德拉每平方米）与正向电流IF近似成正双，有公式
　　L =K IFm
　　式中，K为比例系数，在小电流范围内（IF=1～10mA），m=1.3～1.5。当IF>10mA时，m=1，式（5.10.1）简化成
　　L =K IF
　　即亮度与正向电流成正比。以磷砷化镓黄色LED为例，相对发光强度与正向电流的关系如图2所示。LED的正向电压则与正向电流以及管芯的半导体材料有关。使用时应根据所要求的显示亮度来选取合适的IF值（一般选10mA左右，对于高亮度LED可选1～2mA），既保证亮度适中，也不会损坏LED。若电流过大，会烧毁LED的PN结。此外，LED的使用寿命将缩短。
　　由于发光二极管的功耗低、体积小，色彩鲜艳、响应速度快、寿命长，所以常用作收录机、收音机和电子仪器的电平指示器、调谐指示器、电源指示器等。发光二极管在正向导通时有一定稳压作用，还可作直流稳压器中的稳压二极管，提供基准电压，兼作电源指示灯。目前市场上还有一种带反射腔及固定装置的发光二要管（例如BT104-B2、BT102-F），很容易固定在仪器面板上。
　　LED的输出光谱决定其发光颜色及光辐射纯度，也反映出半导体材料的特性。常见管芯材料有磷化镓（GaP）、砷化镓（GaAsP）、磷砷化镓（GaAlAs）、砷铝化镓（GaN）氮化镓可发蓝光。

3．使用注意事项

　　（1）管子极性不得接反，一般讲引线较长的为正极，引线较短的是负极。
　　（2）使用中各项参数不得超过规定极限值。正向电流IF不允许超过极限工作电流IFM值，并且随着环境温度的升高，必须作降额使用。长期使用温度不宜超过75℃。
　　（3）焊接时间应尽量短，焊点不能在管脚根部。焊接时应使用镊子夹住管脚根部散热，宜用中性助焊剂（松香）或选用松香焊锡丝。
　　（4）严禁用有机溶液浸泡或清洗。
　　（5）LED的驱动电路必须加限流电阻，一般可取一百欧至几百欧，视电源电压而定。
　　（6）在发光亮度基本不变的情况下，采用脉冲电压驱动可以节省耗电。对于LED点阵显示器，采用扫描显示方式能大大降低整机功耗。

4．检查发光二极管的好坏

　　发光二极管具有单向导电性，使用R×10k档可测出其正、反向电阻。一般正向电阻应小于30k欧姆，反向电阻应大于1M欧姆。若正、反向电阻均为零，说明内部击穿短路。若正、反向电阻均为无穷大，证明内部开路。
　　常见发光二极管的种类及主要参数见表2。需要说明两点：第一，对于同种材料的管芯，由于所掺杂质的不同，发光颜色亦不同；第二，LED属于电流控制型器件，VF随IF而变化，所标VF值仅供参考。
　　此外，根据外形也可以区分发光二极管的正、负极。早期生产的管子带金属管座，上面罩一光学透镜，管侧有一突起，靠近突起的是正极。目前生产的LED，全部用透明或半透明的环氧树脂封装而成，并且利用环氧树脂构成透镜，起放大和聚焦作用，这类管子引线较长的为正极。

　　注意事项：

　　不推荐使用R×1k档测量LED的正、反向电阻。因为该档电池电压E
　　仅仅测量正、反向电阻，并不能检查其能否正常发光。由于发光二极管的正向电压VF一般1.5～2.5V，而万用表R×1或R×10档的电池电压为 1.5V，所以不能使管子正向导通并且发光。R×10k档的电池电压虽然较高，但因内阻太大，提供的正向电流很小，管子也不会正常发光。
　　采用双表法可以检查发光二极管的发光情况。最好选同一种型号的两块万用表，均拨一R×1或R×10档，按图1(a)所示串联使用，以提供较高的正向电压。等效电路见(b)图。
　　假定两块万用表均采用MF30型，并且均拨到R×1档。因为一块表的电池电压E=1.5V，欧姆中心值R0=25欧姆，所以总电压和总电阻分别是
　　E′= 2E= 2×1.5=3V
　　R0′= 2R0= 2×25=50欧姆
　　如果把它们看成一块新表，等效电路就简成（c）图。新表的满度电流是：
　　IM′= E′/ R0′=2E/ 2R0= E/ R0=IM
　　可见满度电流值并未改变。

　　发光二极管在使用时应加上限流电阻R，将正向电流IF限制在10～30mA为宜，避免功耗太记而损坏管子。一般典型正向电流可选10mA，IF的计算公式为
　　IF= E－VF/ R
　　（c）图中的R0′能起到限流作用，因此不必另接限流电阻。磷砷化镓发光二极管的正向压降较低，为1.7V左右。E′=3V将R0′=50欧姆，可求出用双表法测量时的正向电流为
　　IF= E′－VF/ R0′=3－1.7/50=26 mA <30 mA
　　因此对管子没有危险。电路接通之后，管子能发出晶莹夺目的红光。
　　如果选用的两块万用表R×1档欧姆中心值不等，设分别为R01、R02，而两表R×1档的电池电压均为E（E=1.5V），则此时
　　IM′=2 E / R01 R02
　　IF=2 E －VF / R01 R02

　　实例：测量一只型号不明的发光二极管。
　　第一步，判定正、负极。用MF30型万用表的R×10k档测得正向电阻为26k欧姆，反向电阻接近无穷大。测正向电阻时，黑表笔接的就是正极。

　　第二步，将两块MF30型万用表均拨至R×1档采用双表测量，被测管发出艳丽的红光。若把发光二极管的极性反接，加上反向电压时管子就不能发光。
　　然后将两块万用表拨于R×10档，管子发光暗淡。这是因为总电阻R0′=2×250=500欧姆，提供的正向电流较小所致。此时
　　IF≈3－1.7/500=2.6 mA

　　注意事项：

　　（1）采用双表法必须先调整好两块万用表的欧姆零点。
　　（2）为了不损坏被测发光二极管，测量前应计算IM′值，若IM′≥50mA，需选择R×10档。例如，两块500型万用表R×1档串联后的总电阻 R0=20欧姆，IM′=IM=75mA>50mA。改用R×1档时IM′=7.5 mA，与典型正向电流IF=10mA就比较接近。
　　实际上发光二极管本身尚有1.5～2.5V压降，因此上述结果均留有一定余量。
　　假如不知道被测发光二极管的正向电压，也不清楚IM′值。建议先把两块表都拨到R×10档，若发光很暗，再改拨R×1档。