(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:
本书不推荐使用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。