LED_综合特性实验仪实验指导书.doc

1、ZKY-LEDLED 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: ZKYZKY.Cn第 2 页 共 8 页 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）85247006LED 特性实验仪1962 年 ， 通 用 电 气 公 司 的 尼 克 何 伦 亚 克 （

2、 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

3、 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

4、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

5、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

6、 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

7、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

8、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

9、 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 ：第 3 页 共 8 页 成都世纪

10、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

11、)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

12、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

13、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N 势 垒 电 空 间 场 方 向 电 荷 区 P 图 1 半 导 体 P-N结 示 意 图 第 4 页 共 8 页 成都世纪中科仪器有限公司 地址：

14、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）85247006LED光 发 射 器 LED组 件 盒 照 度 检 测 激 励 电 源 测 试 控 制 器 实 验 仪 图 2 LED特 性 实 验 装 置 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。L

15、ED 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 036 伏档,控制器向 LED 输出反向电压。选择 04 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

16、，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：第 5 页 共 8 页 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）85247006LED驱 动 电 源 电 压 表 LED 光 探 头 照 度 表 电 流 表 图 3 LED特 性 测 量 原 理 图 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

17、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

18、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

19、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I V 图 4 LED的 伏 安 特 性 曲 线 E I 图 5 LED电 光 转 换 特 性 第 6 页 共 8 页 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

20、式选择稳压，电源输出档位选择 036V 。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 100A 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 04V 。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

21、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：电压(V) -20 -10 0 0.6 1.2电流(mA) 0.1 0.2 0.5 1 2 4 8 16红色高亮照度(L

22、X)电压(V) -20 -10 0 0.8 1.6电流(mA) 0.1 0.2 0.5 1 2 4 8 16绿色高亮照度(LX)电压(V) -20 -10 0 0.8 1.6电流(mA) 0.1 0.2 0.5 1 2 4 8 16蓝色高亮照度(LX)电压(V) -20 -10 0 0.8 1.6电流(mA) 0.1 0.2 0.5 1 2 4 8 16白色高亮照度(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： 电压(V) -18 -9 0 0.6 1

23、.2电流(mA) 1 2 4 8 16 32 64 128 200红色功率照度(LX)电压(V) -18 -9 0 0.8 1.6电流(mA) 1 2 4 8 16 32 64 128 200绿色功率照度(LX)电压(V) -18 -9 0 0.8 1.6电流(mA) 1 2 4 8 16 32 64 128 200蓝色功率照度(LX)电压(V) -18 -9 0 0.8 1.6白色功率电流(mA) 1 2 4 8 16 32 64 128 200第 7 页 共 8 页 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

24、 85243932 传真：（028）85247006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。3、测 量 LED 输 出 光 空 间 分 布 特 性发光二极管的芯片结构及封装方式不同，输 出 光 的 空 间 分 布 也不一样，图 6 给出其中两种的分布特性。图 6 的发射强度是以最大值为基准，此时方向角定义为零度，发射强度定义为 100。当方向角改变时，发射强度相应改变。发射强度降为峰值的一半时，对应的角度称为方向半值角。发光二极管出光窗口附有透镜，可使其指向性更好，如图 6（a）的曲线所示，方向半值角大约为 7左右，可用于光电

25、检测，射灯等要求出射光束能量集中的应用环境。图 6 (b)所示曲线为未加透镜的发光二极管，方向半值角大约为 50，可用于普通照明及大屏幕显示等要求视角宽广的应用环境。LED 输出光空间分布特性测试测量高亮 LED，驱动电流保持在 16mA。松开 LED 光发射器底部的锁紧螺钉，缓慢旋转发射器，观察照度的变化，以照度最大处对应的角度为 0 角度。若此时角度示值不为 0，记录该 0 差，以后的角度读数减去 0 差，才是实际转动角度。对高亮 LED，每隔 2 度测量一次照度的变化，实验数据记入表 3。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。对功率 LED，测量方

26、法与高亮 LED 相同，驱动电流保持在 128mA，每隔 10 度测量一次照度的变化，实验数据记入表 4。表 3 高亮 LED 输 出 光 空 间 分 布 特 性 测 量LED 型号 测量结果角度(度) -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14红色高亮照度(LX)角度(度) -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14绿色高亮照度(LX)角度(度) -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14蓝色高亮照度(LX)角度(度) -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2

27、0 2 4 6 8 10 12 14白色高亮照度(LX)（a）A 型管（加装透镜） （b）B 型管图 6 两种发光二极管的角度特性曲线图第 8 页 共 8 页 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画出高亮 LED 输出光空间分布特性曲线。表 4 功率 LED 输 出 光 空 间 分 布 特 性 测 量LED 型号 测量结果角度(度) -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70红色功率照度(LX)角度(度) -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70绿色功率照度(LX)角度(度) -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70蓝色功率照度(LX)角度(度) -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70白色功率照度(LX)画出功率 LED 输出光空间分布特性曲线。【注意事项】只有在电源输出为 0 时（电源调节逆时针旋转到底） ，才可切换电源和实验仪的档位，更换 LED 组件，开启、关闭电源，否则导致电源或仪器损坏 。