
ZKY-LED
LED特性实验仪
实验指导及操作说明书
成 都 世 纪 中 科 仪 器 有 限 公 司
地址:成都市人民南路四段9号中科院成都分院 邮编:610041
电话:(028)85247006 85243932 传真:(028)85247006
网址;WWW.ZKY.Cn E-mail: ZKY@ZKY.Cn
LED特性实验仪
1962年,通用电气公司的尼克•何伦亚克(NickHolonyakJr.)开发出第一只发光二极管LED(Light Emitting Diode),LED早期主要作为指示灯使用。20世纪80年代,LED的亮度有了很大提高,开始广泛应用于各种大屏幕显示。1994年,日本科学家中村秀二在氮化镓GaN基片上研制出第一只蓝光LED,1997年诞生了蓝光芯片加荧光粉的白光LED,使LED的发展和应用进入了全彩应用及普通照明阶段。
LED是一种固态的半导体器件,它可以直接把电转化为光,具有体积小,耗电量低,易于控制,坚固耐用,寿命长,环保等优点,其主要应用领域包括
照明:
在全球能源日趋紧张和环保压力日益加大的情况下,使用LED照明是节能环保的重要途径。在国务院发布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要》中,“高效节能,长寿命的半导体照明产品”被列入国家中长期规划第一重点领域(能源)的第一优先主题(工业节能)。2006年10月,国家863计划“半导体照明工程”正式启动。
普通照明用的白炽灯虽价格便宜,但光效低(12~24流明/瓦),寿命短(平均1500小时)已被欧盟禁止使用。荧光灯的光效(50~120流明/瓦)高,寿命(平均6000小时)较长,但靠汞蒸汽放电发光,而汞对人体有严重的毒害作用,污染环境。白光LED的光效已达到50流明/瓦,实验室水平已超过200流明/瓦,寿命平均50000小时,从综合性能看已是最好的照明光源。虽然目前价格较高阻碍了LED在普通照明领域大规模推广,但依据芯片产业的发展规律,随着技术进步与规模扩大,成本将会迅速降低,不久LED照明将会取代普通照明方式。
大屏幕显示:
LED显示屏显示画面色彩鲜艳,立体感强,静如油画,动如电影,同时具有耗电低,易于控制,寿命长等优点,广泛应用于车站、码头、机场、商场、医院、宾馆、银行、证券市场、建筑市场、拍卖行、工业企业管理和其它公共场所。LED显示屏分为图文显示屏和视频显示屏,均由LED矩阵块组成。图文显示屏可与计算机同步显示汉字、英文文本和图形;视频显示屏采用微型计算机进行控制,图文、图像并茂,以实时、同步、清晰的信息传播方式播放各种信息,还可显示二维、三维动画、录像、电视、VCD节目以及现场实况。
液晶显示的背光源:
液晶显示器目前在中小屏幕显示方面占据大部分市场,液晶矩阵元只对光线起开关控制作用,必需有背光源照明才能显示图像,色彩。由于LED体积小,耗电低,寿命长的优点,手机,数码相机,笔记本电脑,MP3/4等便携设备的液晶屏都采用LED做背光源。由于价格因素,早期大屏幕液晶屏是采用CCFL荧光灯管做背光源,随着LED的价格下降,且采用LED做背光源可使显示屏色彩表现力更丰富,亮度和白平衡易于控制,目前大屏幕液晶屏已竞相采用LED做背光源。
装饰工程:
城市的夜空,各种装饰性,广告性的灯具闪烁发光,曾经的霓虹灯已退出历史舞台,取代它的是组合、控制方便,表现力丰富的LED灯具。景观照明中的一个亮点是LED与太阳能的结合,白天利用造型灯具中的太阳能电池发电,晚上利用太阳能发电的能量点燃灯具,实现了装饰照明与节能环保的和谐统一。
其它:
如交通信号灯,公共场所的各种指示灯,光纤通信的光源,汽车上的各种内部照明灯,仪表指示灯,仪器上的数码显示管,都大量采用LED。
实验目的
通过实验测试各种LED特性,分析实验结果,从而进一步了解LED工作原理及相关应用。
(1)测量LED的伏安特性
(2)测量LED的电光转换特性
(3)测量LED输出光空间分布特性
实验原理
发光二极管是由P型和N型半导体组成的二极管。P型半导体中有相当数量的空穴,几乎没有自由电子。N型半导体中有相当数量的自由电子,几乎没有空穴。当两种半导体结合在一起形成P-N结时,N区的电子(带负电)向P区扩散, P区的空穴(带正电)向N区扩散,在P-N结附近形成空间电荷区与势垒电场。势垒电场会使载流子向扩散的反方向作漂移运动,最终扩散与漂移达到平衡,使流过P-N结的净电流为零。在空间电荷区内,P区的空穴被来自N区的电子复合,N 区的电子被来自P区的空穴复合,使该区内几乎没有能导电的载流子,又称为结区或耗尽区。
当加上与势垒电场方向相反的正向偏压时,结区变窄,在外电场作用下,P区的空穴和N区的电子就向对方扩散运动,从而在PN结附近产生电子与空穴的复合,并以热能或光能的形式释放能量。采用适当的材料,使复合能量以发射光子的形式释放,就构成发光二极管。发光二极管发射光谱的中心波长,由组成P-N结的半导体材料的禁带能量所决定,采用不同的材料及材料组分,可以获得发射不同颜色的发光二极管。
LED的光谱线宽度一般有几十纳米,可见光的光谱范围是400-700纳米,白光LED一般采用三种方法形成。第一种是在蓝光LED管芯上涂敷荧光粉,蓝光与荧光粉产生的宽带光谱
合成白光。第二种是采用几种发不同色光的管芯封装在一个组件外壳内,通过色光的混合构成白光LED。第3种是紫外LED加3基色荧光粉,3基色荧光粉的光谱合成白光。
实验仪器
LED实验装置如图2所示。实验装置由LED光发射器,照度检测探头,激励电源,测试控制器,实验仪及LED组件盒组成。
LED组件可以方便的安装LED光发射器上,共提供红色,绿色,蓝色,白色4种高亮LED和红色,绿色,蓝色,白色4种功率LED,功率LED的输出光更强,空间分布角大。
LED光发射器可以旋转并由刻度盘指示旋转角度,方便测量LED输出光空间分布特性。
照度检测由光电池将LED输出的光信号转换成电信号后,由照度表显示。
激励电源有稳压与稳流两种输出模式,目前的实验内容采用稳压模式,稳流模式为以后扩展实验预留。在稳压模式下,选择0~36伏档,控制器向LED输出反向电压。选择0~4伏档,控制器向LED输出正向电压。输出调节旋纽可以调节输出的电压值。
测试控制器提供电压换向,过压报警,输入输出信号的转接等功能。
实验仪上有电压,电流,照度3个表头,是读取实验数据的窗口,每个表头都带有量程切换按键。
各部分的连线仪器上都有标示,按标示连接即可。
使用时应注意,只有在电源输出为0时(电源调节旋纽逆时针旋转到底),才可进行:切换
电源和实验仪的档位、更换LED组件、开启、关闭电源。否则易导致电源或仪器损坏。
实验内容与步骤
测量原理如图3所示:
电压,电流,照度3只表都装在LED综合特性实验仪上。调节激励电源的输出调节旋纽,可以改变LED驱动电源的输出电压或电流。LED两端电压由电压表读出,流经LED的电流由电流表读出,LED输出光强经光探头接收后由照度表读出。
1、测量LED的伏安特性
伏安特性反映了在LED两端加电压时,电流与电压的关系,如图4所示。
在LED 两端加正向电压,当电压较小,不足以克服势垒电场时,通过LED的电流很小。当正向电压超过死区电压(图4中的正向拐点)后,电流随电压迅速增长。
正向工作电流指LED正常发光时的正向电流值,根据不同管子的结构和输出功率的大小,其值在几十毫安到1安之间。
正常工作电压指LED正常发光时加在二极管两端的电压。
允许功耗指加于LED的正向电压与电流乘积的最大值,超过此值,LED会因过热而损坏。
LED的伏安特性与一般2极管相似。在LED 两端加反向电压,只有微安极的反向电流。反向电压超过击穿电压(一般为几十伏)后,管子被击穿损坏。为安全起见,激励电源提供的最大反向电压低于击穿电压。
2、测量LED的电光转换特性
图5反映发光二极管的驱动电流与与输出照度的关系。发光二极管输出照度值与驱动电流近似呈线性关系。这是因为驱动电流与注入PN结的电荷数成正比,在复合发光的量子效率一定的情况下,输出照度与注入电荷数成正比。
测量伏安特性与电光转换特性:
电源输出调节旋纽反时针旋转到底,此时输出电压电流为0。
注意:只有在电源输出为0时,才可进行:切换电源和实验仪的档位、更换LED组件、关闭电源。否则导致电源或仪器损坏。
将待测的LED安装在LED发射器上,调节发射器位置,使其正对接收探头。
将照度检测探头至LED的距离调节到20厘米。调节探头的高度和角度,使其正对LED。
输出模式选择稳压,电源输出档位选择0~36V。此时控制器上的红色指示灯熄灭,表明加在LED上的为反向电压,测量反向特性。
实验仪电压表选择40V档,电流表选择100μA档,照度表选择100LX档。
记录电源输出为0时照度表的示值,此示值是背景光和探头0位调节误差导致的背景值。记录照度时应扣除背景值。
将输出调节旋纽右旋至输出-20V,测量反向电流。逐渐减小反向电压,观察反向电流的变化,记录实验数据于表1或表2。
反向电压调节到0后,将电源档位切换为0~4V。此时控制器上的红色指示灯亮,表明加在LED上的为正向电压,测量正向特性。
实验仪电压表选择4V档,若测量高亮LED的正向特性,电流表选择40mA档,实验数据记入表1。
不同颜色,不同材料,不同工艺的LED管死区电压差别较大,而允许的最大电流相近。故越过死区电压后,将电流调节到某些值,记录相应的电压和照度。
测量完一只管子后,将电源调节到输出为0,更换LED组件,重复以上的测量。
实验仪电压表选择4V档,若测量功率LED的正向特性,电流表选择400mA档,实验数据记入表2。
表1 高亮LED伏安特性与电光转换特性的测量
LED型号 | 测量结果 照度背景值: | |||||||||||||
红色高亮 | 电压(V) | -20 | -10 | 0 | 0.6 | 1.2 | ||||||||
电流(mA) | 0.1 | 0.2 | 0.5 | 1 | 2 | 4 | 8 | 16 | ||||||
照度(LX) | ||||||||||||||
绿色高亮 | 电压(V) | -20 | -10 | 0 | 0.8 | 1.6 | ||||||||
电流(mA) | 0.1 | 0.2 | 0.5 | 1 | 2 | 4 | 8 | 16 | ||||||
照度(LX) | ||||||||||||||
蓝色高亮 | 电压(V) | -20 | -10 | 0 | 0.8 | 1.6 | ||||||||
电流(mA) | 0.1 | 0.2 | 0.5 | 1 | 2 | 4 | 8 | 16 | ||||||
照度(LX) | ||||||||||||||
白色高亮 | 电压(V) | -20 | -10 | 0 | 0.8 | 1.6 | ||||||||
电流(mA) | 0.1 | 0.2 | 0.5 | 1 | 2 | 4 | 8 | 16 | ||||||
照度(LX) | ||||||||||||||
根据实验数据,画出4只高亮LED管的伏安特性及电光转换特性曲线,并与图4,图5比较。
表2 功率LED伏安特性与电光转换特性的测量
LED型号 | 测量结果 照度背景值: | |||||||||||||||
红色功率 | 电压(V) | -18 | -9 | 0 | 0.6 | 1.2 | ||||||||||
电流(mA) | 1 | 2 | 4 | 8 | 16 | 32 | 64 | 128 | 200 | |||||||
照度(LX) | ||||||||||||||||
绿色功率 | 电压(V) | -18 | -9 | 0 | 0.8 | 1.6 | ||||||||||
电流(mA) | 1 | 2 | 4 | 8 | 16 | 32 | 64 | 128 | 200 | |||||||
照度(LX) | ||||||||||||||||
蓝色功率 | 电压(V) | -18 | -9 | 0 | 0.8 | 1.6 | ||||||||||
电流(mA) | 1 | 2 | 4 | 8 | 16 | 32 | 64 | 128 | 200 | |||||||
照度(LX) | ||||||||||||||||
白色功率 | 电压(V) | -18 | -9 | 0 | 0.8 | 1.6 | ||||||||||
电流(mA) | 1 | 2 | 4 | 8 | 16 | 32 | 64 | 128 | 200 | |||||||
照度(LX) | ||||||||||||||||
根据实验数据,画出4只功率LED管的伏安特性及电光转换特性曲线,并与图4,图5比较。
更多推荐
输出,电压,照明
发布评论