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LED根本理论知识

来源:http://www.hbzklxs.com 责任编辑:尊龙人生就是博 更新日期:2018-09-06 18:16

  LED根本理论知识

  LED根本理论知识
LED 是取自 Light Emitting Diode 三个字的缩写,中文译为“发光二极管”,望文生义发光二极管是一种能够将电能转化为光能的电子器材具有二极管的特性。现在不同的发光二极管能够宣布从红外到蓝间不同波长的光线,现在宣布紫色乃至紫外光的发光二极管也现已诞生。除此之外还有在蓝光 LED 上涂上荧光粉,将蓝光转化成白光的白光 LED。半导体发光器材包含半导体发光二极管(简称LED)、数码管、符号管、米字管及点阵式显现屏(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、半导体发光二极管作业原理、特性及运用
(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,其间心是PN结。因而它具有一般P-N结的I-N特性,即正导游通,反向截止、击穿特性。此外,在必定条件下,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。进入对方区域的少量载流子(少子)一部分与大都载流子(多子)复合而发光,如图1所示。

  

  假定发光是在P区中发作的,那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光,或许先被发光中心捕获后,再与空穴复合发光。网罗20多万猎头为50万家企业招人,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、介带中心邻近)捕获,然后再与空穴复合,每次开释的能量不大,不能构成可见光。发光的复合量相对于非发光复合量的份额越大,光量子功率越高。因为复合是在少子分散区内发光的,所以光仅在*近PN结面数μm以内发生。
理论和实践证明,光的峰值波长λ与发光区域的半导体资料禁带宽度Eg有关,即λ≈1240/Eg(mm)
式中Eg的单位为电子伏特(eV)。若能发生可见光(波长在380nm紫光~780nm红光),半导体资料的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,但其间蓝光二极管本钱、价格很高,运用不遍及。
(二)LED的特性
1.极限参数的含义
(1)答应功耗Pm:答应加于LED两头正向直流电压与流过它的电流之积的最大值。超越此值,LED发热、损坏。
(2)最大正向直流电流IFm:答应加的最大的正向直流电流。超越此值可损坏二极管。
(3)最大反向电压VRm:所答应加的最大反向电压。超越此值,发光二极管可能被击穿损坏。
(4)作业环境topm:发光二极管可正常作业的环境温度规模。低于或高于此温度规模,发光二极管将不能正常作业,功率大大下降。
2.电参数的含义
(1)光谱散布和峰值波长: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一般是指法线(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)。因为一般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:它表明发光管的光谱纯度,是指图3中1/2峰值光强所对应两波长之距离。
(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给出的二只不同类型发光二极管发光强度角散布的状况。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)。明显,法线方向上的相对发光强度为1,脱离法线方向的视点越大,相对发光强度越小。由此图能够得到半值角或视角值。
(5)正向作业电流If:它是指发光二极管正常发光时的正向电流值。在实践运用中应依据需求挑选IF在0.6•IFm以下。
(6)正向作业电压VF:参数表中给出的作业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。发光二极管正向作业电压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联系可用图4表明。

  

  在正向电压正小于某一值(叫阈值)时,电流极小,不发光。当电压超越某一值后,正向电流随电压敏捷添加,发光。由V-I曲线能够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.按发光管发光色彩分
按发光管发光色彩分,可分红赤色、橙色、绿色(又细分黄绿、规范绿和纯绿)、蓝光等。别的,有的发光二极管中包含二种或三种色彩的芯片。
依据发光二极管出光处掺或不掺散射剂、有色仍是无色,上述各种色彩的发光二极管还可分红有色通明、无色通明、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、外表装置用微型管等。圆形灯按直径分为φ2mm、φ4.4mm、φ5mm、φ8mm、φ10mm及φ20mm等。国外一般把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)。
由半值角巨细能够估量圆形发光强度角散布状况。从发光强度角散布图来分有三类:
(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,可作部分照明光源用,或与光检出器联用以组成自动检测体系。
(2)规范型。一般作指示灯用,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.按发光强度和作业电流分
按发光强度和作业电流分有一般亮度的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的作业电流在十几mA至几十mA,而低电流LED的作业电流在2mA以下(亮度与一般发光管相同)。
除上述分类办法外,还有按芯片资料分类及按功用分类的办法。
(四)LED的运用
因为发光二极管的色彩、尺度、形状、发光强度及通明状况等不同,所以运用发光二极管时应依据实践需求进行恰当挑选。
因为发光二极管具有最大正向电流IFm、最大反向电压VRm的约束,运用时,应确保不超越此值。为安全起见,实践电流IF应在0.6IFm以下;应让可能呈现的反向电压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)运用高亮度或超高亮度发光二极管制造微型手电的电路如图5所示。图中电阻R限流电阻,其值应确保电源电压最高时应使LED的电流小于最大答应电流IFm。

  

  (2)图6(a)、(b)、(c)别离为直流电源、整流电源及沟通电源指示电路。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——沟通电压有效值。

  

  (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表明输出信号是否正常,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。因为LED正导游通后,电流随电压改变非常快,具有一般稳压管稳压特性。发光二极管的安稳电压在1.4~3V间,应依据需求进行挑选VF,如图8所示。
(5)电平表。现在,在音响设备中很多运用LED电平表。它是运用多只发光管指示输出信号电平的,即发光的LED数目不同,则表明输出电平的改变。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,首要LED1亮,再增大LED2亮……。

  

  (五)发光二极管的检测
1.一般发光二极管的检测
(1)用万用表检测。运用具有×10kΩ挡的指针式万用表能够大致判别发光二极管的好坏。正常时,二极管正向电阻阻值为几十至200kΩ,反向电阻的值为∝。假如正向电阻值为0或为∞,反向电阻值很小或为0,则易损坏。这种检测办法,不能实地看到发光管的发光状况,因为×10kΩ挡不能向LED供给较大正向电流。
假如有两块指针万用表(最好同类型)能够较好地查看发光二极管的发光状况。用一根导线将其间一块万用表的“+”接线柱与另一块表的“-”接线柱衔接。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。正常状况下,接通后就能正常发光。若亮度很低,乃至不发光,可将两块万用表均拨至×1Ω若,若仍很暗,乃至不发光,则阐明该发光二极管功能不良或损坏。应留意,不能一开始丈量就将两块万用表置于×1Ω,避免电流过大,损坏发光二极管。
(2)外接电源丈量。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)能够较精确丈量发光二极管的光、电特性。为此可按图10所示衔接电路即可。假如测得VF在1.4~3V之间,且发光亮度正常,能够阐明发光正常。假如测得VF=0或VF≈3V,且不发光,阐明发光管已坏。

  

  2.红外发光二极管的检测
因为红外发光二极管,它发射1~3μm的红外光,人眼看不到。一般单只红外发光二极管发射功率只稀有mW,不同类型的红外LED发光强度角散布也不相同。红外LED的正向压降一般为1.3~2.5V。正是因为其发射的红外光人眼看不见,所以运用上述可见光LED的检测法只能断定其PN结正、反向电学特性是否正常,而无法断定其发光状况正常否。为此,最好预备一只光敏器材(如2CR、2DR型硅光电池)作接收器。用万用表测光电池两头电压的改变状况。来判别红外LED加上恰当正向电流后是否发射红外光。其丈量电路如图11所示。

  

  
二、LED显现器结构及分类
经过发光二极管芯片的恰当衔接(包含串联和并联)和恰当的光学结构。可构成发光显现器的发光段或发光点。由这些发光段或发光点能够组成数码管、符号管、米字管、矩阵管、电平显现器管等等。一般把数码管、符号管、米字管共称笔画显现器,而把笔画显现器和矩阵管统称为字符显现器。
(一)LED显现器结构
根本的半导体数码管是由七个条状发光二极管芯片按图12摆放而成的。可完成0~9的显现。其详细结构有“反射罩式”、“条形七段式”及“单片集成式多位数字式”等。

  

  (1)反射罩式数码管一般用白色塑料做成带反射腔的七段式外壳,将单个LED贴在与反射罩的七个反射腔相互对位的印刷电路板上,每个反射腔底部的中心方位就是LED芯片。在装反射罩前,用压焊办法在芯片和印刷电路上相应金属条之间连好φ30μm的硅铝丝或金属引线,在反射罩内滴入环氧树脂,再把带有芯片的印刷电路板与反射罩对位粘合,然后固化。
反射罩式数码管的封装办法有空封和实封两种。实封办法选用散射剂和染料的环氧树脂,较多地用于一位或双位器材。空封办法是在上方盖上滤波片和匀光膜,为进步器材的可*性,必须在芯片和底板上涂以通明绝缘胶,这还能够进步光功率。这种办法一般用于四位以上的数字显现(或符号显现)。
(2)条形七段式数码管归于混合封装办法。它是把做好管芯的磷化镓或磷化镓圆片,划成内含一只或数只LED发光条,然后把相同的七条粘在日字形“可伐”框上,用压焊工艺连好内引线,再用环氧树脂包封起来。
(3)单片集成式多位数字显现器是在发光资料基片上(大圆片),运用集成电路工艺制造出很多七段数字显现图形,经过划片把合格芯片选出,对位贴在印刷电路板上,用压焊工艺引出引线,再在上面盖上“鱼眼透镜”外壳。它们适用于小型数字外表中。
(4)符号管、米字管的制造办法与数码管相似。
(5)矩阵管(发光二极管点阵)也可选用相似于单片集成式多位数字显现器工艺办法制造。
(二)LED显现器分类
(1)按字高分:笔画显现器字高最小有1mm(单片集成式多位数码管字高一般在2~3mm)。其他类型笔画显现器最高可达12.7mm(0.5英寸)乃至达数百mm。
(2)按色彩分有红、橙、黄、绿等数种。
(3)按结构分,有反射罩式、单条七段式及单片集成式。
(4)从各发光段电极衔接办法分有共阳极和共阴极两种。所谓共阳办法是指笔画显现器各段发光管的阳极(即P区)是公共的,而阴极相互阻隔。所谓共阴办法是笔画显现器各段发光管的阴极(即N区)是公共的,而阳极是相互阻隔的。如图13所示。
(三)LED显现器的参数
因为LED显现器是以LED为根底的,所以它的光、电特性及极限参数含义大部分与发光二极管的相同。但因为LED显现器内含多个发光二极管,所以需有如下特别参数:
1.发光强度比
因为数码管各段在相同的驱动电压时,各段正向电流不相同,所以各段发光强度不同。一切段的发光强度值中最大值与最小值之比为发光强度比。比值能够在1.5~2.3间,最大不能超越2.5。
2.脉冲正向电流
若笔画显现器每段典型正向直流作业电流为IF,则在脉冲下,正向电流能够远大于IF。脉冲占空比越小,脉冲正向电流能够越大。
(四)LED显现器的运用攻略
1.七段数码显现器
(1)假如数码宇航局为共阳极办法,那么它的驱动级应为集电极开路(OC)结构,如图14(a)所示。假如数码管为共阴极办法,它的驱动级应为射极输出或源极输出电路,如图14(b)所示。

  

  例如国产TTL集成电路CT1049、CT4049为集电极开路办法七段字形译码驱动电路;而CMOS集成电路CC4511为源极输出七段锁存、译码驱动电路。
(2)操控数码管驱动级的操控电路(也称驱动电路)有静态式和动态式两类。
①静态驱动:静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管各用一个笔画译码器(如BCD码二-十进制译码器)译码驱动。图15是一位数码管的静态驱动之例。图集成电路TC5002BP内含有射极输出驱动级,所以选用共阴极数码管。A、B、C、D端为BCD码(二-十进制的8421码)输入端,BL为数码管平息及显现状况操控端,R为外接电阻。

  

   图16为N位数字静态驱动显现电路。

  

  ②动态驱动:动态驱动是将所稀有码管运用一个专门的译码驱动器,使各位数码管逐一轮番受控显现,这就是动态驱动。因为扫描速度极快。显现效果与静态驱动相同。图17是一种四位数字动态驱动(脉息冲驱动)办法的线路。图中只用了一个译码驱动电路TC5002BP。

  

  TC4508BP内含两个锁存器,每个锁存器可锁存四位二进BCD码,对应于四位十进制数的四组BCD码别离输入到四个锁存器,四个锁存器,四组BCD码由四个锁存器分时轮番输出进入译码器,译码后进入数码管驱动级集成电路TD62505P(输入端I1~I7与输出端Q1~Q7一一对应)。Q1~Q7别离加到四个数码管的a~g七个阳极上。数字驱动电路TD62003P是由达林顿构成的阵列电路,Q1~Q4中哪一端接地,由输入端I1~I4的四师长“使能”信号DS1~DS4操控。因为四个锁存器的轮换输出也是受“使能”信号DS1~DS4操控。所以四个数码管轮番通电显现。因为轮番显现频率较高,故显现的数字不呈闪耀现象。
2.米字管、符号管显现器
米字管和符号管的结构原理相机,所以其驱动办法也根本相同,仅仅译码电路的译码进程与七段译码器不同。
米字管能够显现包含英文字母在内的多种符号。符号管主要是用来显现+、-或±号等。
3.LED点阵式显现器
LED点阵式显现器与由单个发光二极管连成的显现器比较,具有焊点少、连线少,一切亮点在同平面、亮度均匀、外形漂亮等长处。
点阵管依据其内部LED尺度的巨细、数量的多少及发光强度、色彩等可分为多种标准。图18所示是具有代表性的P2057A和P2157A两种φ5高亮度橙赤色5×7点阵组件。选用双列直插14脚封装,两种显现器的差别是LED极性不同,如图18所示。

  

   该显现器用扫描驱动办法,挑选较大峰值电流和窄脉冲作驱动源,每个LED的均匀电流不该超越20mA。
LED点阵管能够替代数码管、符号管和米字管。不只能够显现数字,也可显现一切西文字母和符号。假如将多块组合,能够构成大屏幕显现屏,用于汉字、图形、图表等等的显现。被广泛用于机场、车站、码头、银行及许多公共场所的指示、阐明、广告等场合。
图19是一个LED点阵显现器驱动电路之例。

  

  

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