Ventajas y desventajas de las fuentes de iluminación LED
1. Características eléctricas del LED
1.1 Las características I-V son los principales parámetros que caracterizan el rendimiento de preparación de la unión pn de los chips LED. Las características I-V de los LED son no lineales y rectificadoras: un lado es conductor, es decir, la aplicación de una polarización positiva muestra una baja resistencia de contacto y viceversa.
Como se muestra en la figura de la izquierda:
(1) Zona muerta positiva: (Parte oa o oa' en la figura) El punto A es el voltaje de encendido de V0 . Cuando V (2) Área de trabajo directa: La corriente IF tiene una relación exponencial con el voltaje aplicado. if = is(eqvf/kt–1)-es la corriente de saturación inversa. Cuando v > 0, el área de trabajo positiva IF de v > VF aumenta con el índice VF IF = e qVF/KT. (3) Zona muerta inversa: cuando v < 0, la unión pn tiene polarización inversa. Cuando V=-VR y la corriente de fuga inversa es IR (V= -5V), GaP es 0V y GaN es 10uA. (4) Área de descomposición inversa v 1.2 Características C-V Dado que los chips LED tienen 9×9mil (250×250um), 10×10mil, 11 ×1 mil (280×280um), 12×. La característica C-V es una función cuadrática (como se muestra en la Figura 2). Utilice un probador de características C-V para medir la señal de CA de 1 MHZ. 1.3 Consumo de energía máximo permitido PF m Cuando la corriente que fluye a través del LED es IF y el voltaje del tubo cae a UF, el consumo de energía es P=UF×IF. Cuando el LED está funcionando, el voltaje de polarización y la corriente de polarización aplicados definitivamente promoverán que los portadores se recombinen y emitan luz, parte de la cual se convertirá en calor y aumentará la temperatura de la unión. Si la temperatura de la unión es Tj y la temperatura ambiente externa es Ta, cuando TJ > TA, el calor interno se transferirá al exterior a través del soporte del tubo y el calor (potencia) se disipará, lo que se puede expresar como p = KT(TJ–Ta). 1.4 Tiempo de respuesta El tiempo de respuesta indica la velocidad a la que la pantalla rastrea los cambios en la información externa. En la actualidad, varios tipos de LCD (pantalla de cristal líquido) tienen aproximadamente 10-3~10-5S, y CRT, PDP y LED alcanzan 10-6~10-7S (grado estándar americano). ①El tiempo de respuesta, desde una perspectiva de uso, es el tiempo de retardo cuando el LED se enciende y apaga, que es tr y tf en la imagen. El valor de t0 en la figura es muy pequeño y puede ignorarse. ②El tiempo de respuesta depende principalmente de la vida útil del portador, la capacitancia de la unión del dispositivo y la impedancia del circuito. El tiempo de iluminación del LED-rise time tr se refiere al tiempo desde que se enciende la alimentación para que el brillo luminoso alcance el 10% del valor normal hasta que el brillo luminoso alcanza el 90% del normal. valor. El tiempo de apagado-caída del LED tf se refiere al momento en que la emisión de luz normal cae al 10%. Los LED de diferentes materiales tienen diferentes tiempos de respuesta; como GaAs, GaAsP y GaAlAs, el tiempo de respuesta es inferior a 10-9 s y la brecha es de 10-7 S. Por lo tanto, se pueden utilizar. en sistemas de alta frecuencia de 10 ~ 100 MHZ. 2 Propiedades ópticas del LED Existen dos series de diodos emisores de luz: luz infrarroja (invisible) y luz visible. El primero puede medir fotométricamente sus propiedades ópticas. 2.1 Intensidad luminosa normal y su distribución angular Iθ 2.1.1 La intensidad luminosa (intensidad de luz normal) es un rendimiento importante que caracteriza la intensidad luminosa de un dispositivo emisor de luz. Una gran cantidad de aplicaciones LED requieren empaques cilíndricos y esféricos. Debido a la función de las lentes convexas, todas tienen una fuerte directividad: la intensidad de la luz en la dirección normal es la más alta y el ángulo con el plano horizontal es de 90°. Cuando diferentes ángulos θ se desvían de la dirección normal, la intensidad de la luz también cambia. La intensidad luminosa depende de la orientación angular de las diferentes formas del paquete. 2.1.2 La distribución angular de la intensidad de la luz Iθ describe la distribución de la intensidad de la luz del LED en todas las direcciones del espacio. Depende principalmente del proceso de envasado (incluidos los soportes, los cabezales del molde y si se agregan agentes dispersantes a la resina epoxi). (1) Para obtener una distribución angular de alta directividad (como se muestra en la Figura 65, 438+0) (La posición del troquel LED está lejos del cabezal del troquel ; (2) Utilice un troquel cónico (en forma de bala); ③No agregue dispersante a la resina epoxi encapsulada. Las medidas anteriores pueden hacer que LED 2θ 1. /2 = 6, lo que mejora en gran medida la directividad. Los ángulos de dispersión (ángulo 2θ1/2) de varios paquetes de uso común son 5, 10, 30 y 45 respectivamente. > 2.2 Longitud de onda máxima luminosa y su distribución espectral (La intensidad luminosa o la potencia óptica de salida del LED cambia con la longitud de onda y se dibuja una curva de distribución: la curva de distribución espectral. Cuando la curva Una vez determinado, los parámetros de cromaticidad del dispositivo, como la longitud de onda dominante y la pureza, también dependen de ello. La distribución espectral del LED está relacionada con el tipo, la naturaleza y la estructura de la unión pn (grosor de la capa epitaxial). , impurezas dopantes) del semiconductor compuesto utilizado en la preparación, y está relacionado con La geometría del dispositivo es independiente del método de embalaje. La siguiente figura muestra las curvas de respuesta espectral de varios LED fabricados con diferentes materiales. semiconductores compuestos y dopajes. Curva de distribución espectral 1 Azul InGaN/GaN 2 Verde GaP:N 3 Rojo GaP:Zn-O 4 Infrarrojo GaAs 5 Fotocélula fotosensible de silicio 6 Lámpara de tungsteno estándar ①Diodo emisor de luz azul InGaN/GaN con pico de espectro de emisión λ p = 460 ~ 465 nm ②Espacio verde: N LED con pico de emisión λ; p = 550 nm ③Brecha roja: LED Zn-O con pico de emisión λp = 680 ~ 700 nm; ④ El LED infrarrojo utiliza material GaAs, pico de emisión λλp = 910nm; ⑤ Los fotodiodos de silicio se utilizan generalmente para la recepción fotoeléctrica. Como se puede ver en la figura, no importa de qué material esté hecho el LED, hay un lugar donde está relacionado. La intensidad de la luz (máxima salida de luz) es más fuerte y debe haber una longitud de onda. En consecuencia, esta longitud de onda se denomina longitud de onda máxima, representada por λ p. Sólo la luz monocromática tiene una longitud de onda λp. Ancho de la línea espectral: la intensidad de la luz en ambos lados del pico de la línea del espectro LED es igual a la mitad del valor del pico (los dos puntos de máxima intensidad de luz) corresponden a λ p-λ, y el ancho entre λ p+λ se llama el ancho de línea espectral, también llamado ancho de media potencia o ancho de media altura FWHM refleja el ancho de línea espectral más estrecho, es decir, el parámetro de monocromaticidad del LED, el FWHM del LED es inferior a 40. nm. ⑶ Longitud de onda dominante: algunos diodos emisores de luz emiten más de un color de luz, es decir, más de una longitud de onda máxima. Incluso hay muchos picos, que no son luz monocromática. La longitud de onda se introduce para describir las características de cromaticidad del LED. La longitud de onda dominante es la longitud de onda que puede observar el ojo humano en la luz monocromática principal emitida por el LED. Cuanto mejor sea la monocromaticidad, mejor. Por ejemplo, los materiales GaP pueden emitir múltiples longitudes de onda máximas, pero solo una longitud de onda dominante. Cuando los LED funcionan durante mucho tiempo, la temperatura de la unión aumentará y la longitud de onda dominante cambiará a longitudes de onda más largas. 2.3 Flujo luminoso El flujo luminoso F representa la energía radiante de la potencia luminosa total del LED, que marca el rendimiento del dispositivo. f es la suma de la energía del LED que emite luz en todas las direcciones, que está directamente relacionada con la corriente de funcionamiento. A medida que aumenta la corriente, aumenta el flujo luminoso del LED. La unidad de flujo luminoso de los LED de luz visible es el lúmenes (lm). La potencia del flujo luminoso irradiado por el LED está relacionada con el material del chip, el nivel del proceso de embalaje y el tamaño de la fuente de corriente constante externa. En la actualidad, el flujo luminoso máximo del LED monocromático es de aproximadamente 1 lm, y el LED de luz blanca F≈1,5 ~ 1,8 lm (chip pequeño). Para un chip de potencia de 1 mm × 1 mm, cree un LED blanco con F=18 lm. 2.4 Eficiencia luminosa y sensibilidad visual ① La eficiencia del LED incluye la eficiencia interna (la eficiencia de convertir energía eléctrica en energía luminosa cerca de la unión pn) y la eficiencia externa (la eficiencia de irradiar a el exterior). El primero sólo se utiliza para analizar y evaluar las características del chip. La característica más importante de la energía fotovoltaica LED es la relación entre la energía luminosa irradiada (cantidad de luminiscencia) y la energía eléctrica de entrada, es decir, la eficiencia luminosa. ②La sensibilidad visual es el uso de algunos parámetros en iluminación y fotometría. La sensibilidad visual humana tiene un valor máximo de 680 lm/w a λ = 555 nm. Si la sensibilidad visual es Kλ, la relación entre la energía luminosa p y el flujo de luz visible f es p = ∫pλdλ F = ∫KλPλdλ ③ Eficiencia luminosa - eficiencia cuántica η = número de fotones emitidos/unión pn Número de portadores = (e/hcI)∫λPλdλ. Si la energía de entrada es W=UI, entonces la tasa de utilización de energía luminosa η p = P/W. Si la energía del fotón hc=ev, entonces eta eta p, entonces el flujo luminoso total F=(F/P)P=KηPW donde k = f/p. ④Eficiencia lumínica: Flujo luminoso del LED f/consumo de energía externa w = kη p. Se trata de evaluar las características de los LED con embalaje externo. La eficiencia lumínica del LED se refiere a la mayor energía de la luz visible que irradia bajo la misma corriente aplicada, por lo que también se le llama eficiencia luminosa de la luz visible. La eficiencia lumínica (eficiencia de emisión de luz visible) de varios LED comunes es la siguiente: La eficiencia de emisión de luz visible (lm/w) y la eficiencia cuántica externa del color luminoso del LED Material λp (nm). El promedio de los valores más altos Luz roja 700660650 muesca: Zn-ogalasgaasp 2. 40. 270. 38 120. 50. 5 1 ~ 30. 30. 2. Separación de luz amarilla 590: N-N 0,45 0,1 Separación de luz verde 555: n4.20.7 0,015 ~ 0,15. Luz azul 465 GaN 10 La banda del espectro blanco es GaN+YAG chip 1.6 y chip 18. Un LED de alta calidad requiere una gran cantidad de energía lumínica y la mayor cantidad de luz posible, es decir, una alta eficiencia externa. De hecho, la emisión exterior de LED es sólo una parte de la emisión interna. La eficiencia luminosa total debe ser η=ηiηcηe, donde etai es la eficiencia de inyección de portadores minoritarios de las regiones de unión P y N. y etac es la región de barrera de portadores minoritarios y eficiencia de recombinación de múltiples portadores, eta es la eficiencia de extracción de luz externa. Debido a que el índice de refracción de los materiales LED es muy alto, ηi≈3,6. Cuando la luz emitida por el chip incide verticalmente en la interfaz entre el material cristalino y el aire (sin embalaje de epoxi), el aire la refleja y la reflectancia es (n 1-1)2/(n 1+1 )2 = 0,32, lo que representa la luz reflejada del 32%. Para mejorar aún más la eficiencia de la luz externa ηe, se pueden tomar las siguientes medidas: ① Cubrir la superficie del chip con una capa de material transparente con alto índice de refracción (la resina epoxi n=1,55 no es ideal) (2) Coloque el cristal del chip en la superficie y procese un hemisferio. ③ Utilice un semiconductor compuesto con Eg grande como sustrato para reducir la absorción de luz en el cristal. Alguien alguna vez usó vidrio de bajo punto de fusión con n = 2,4 ~ 2,6 y alta termoplasticidad [composición -S (Se) -Br (I)] como tapa de sellado, que puede mejorar la eficiencia del LED de GaAs, GaAsP y GaAlAs infrarrojos en 4 a 6 veces. 2.5 Brillo luminoso El brillo es otro parámetro importante del rendimiento luminoso del LED y tiene una fuerte directividad. Su brillo en la dirección normal es BO=IO/A, lo que estipula que el brillo de la superficie del cuerpo luminoso en una determinada dirección es igual al flujo luminoso irradiado por la unidad de área de proyección de la superficie del cuerpo luminoso dentro de la unidad sólida. ángulo, y la unidad es cd/m2 o nit. Si la superficie de la fuente de luz es una superficie de reflexión difusa ideal, el brillo BO es constante independientemente de la dirección. El brillo de la superficie de un cielo azul claro y una lámpara fluorescente es de aproximadamente 7000 nits, y el brillo de la superficie del sol que brilla desde el suelo es de aproximadamente 14 × 108 nits. El brillo del LED está relacionado con la densidad de corriente aplicada. Generalmente, el aumento de JO (densidad de corriente) y BO del LED también aumenta aproximadamente. Además, el brillo también está relacionado con la temperatura ambiente. A medida que aumenta la temperatura ambiente, disminuye la etac (eficiencia de recombinación) y la BO. Cuando la temperatura ambiente permanece sin cambios, el aumento de la corriente es suficiente para hacer que la temperatura de la unión pn aumente y el brillo se saturará después de que aumente la temperatura. 2.6 Vida útil Envejecimiento: La intensidad de la luz o el brillo del LED disminuye con el funcionamiento a largo plazo. El grado de envejecimiento del dispositivo está relacionado con el tamaño de la fuente de corriente constante externa, que puede describirse como Bt = Ob-t/τ, Bt es el brillo después del tiempo t y BO es el brillo inicial. El tiempo t necesario para reducir el brillo a Bt=1/2BO suele denominarse vida útil del diodo. Determinar t lleva mucho tiempo y, por lo general, se calcula la vida. Método de medición: aplique una fuente de corriente constante al LED y después de encenderlo durante 103 ~ 104 horas, mida BO en secuencia, Bt = 1000 ~ 10000, sustituya Bt = Obo-t/τ y encuentre τ sustituto Bt = 1/; 2BO, puedes obtener Lifespan t. Durante mucho tiempo se ha creído que la vida útil del LED es de 106 horas, lo que significa que un solo LED funciona a IF=20mA. Con el desarrollo y aplicación de los LED de potencia, los estudiosos extranjeros creen que el porcentaje de decadencia de la luz de los LED es la base de la vida. Por ejemplo, la atenuación de la luz del LED es el 35% del original y la vida útil es > > 6000h h. 3 Características térmicas Los parámetros ópticos del LED están estrechamente relacionados relacionado con la temperatura de unión de la unión pn. Generalmente, cuando los LED funcionan con corrientes bajas < 10 mA o 10~20 mA durante mucho tiempo, el aumento de temperatura no es evidente. Si la temperatura ambiente es alta, la longitud de onda dominante o λp del LED se desplazará a una longitud de onda más larga y el BO también disminuirá. En particular, el aumento de temperatura de las pantallas de matriz de puntos y de gran tamaño afectará la confiabilidad y estabilidad de los LED, por lo que se debe diseñar especialmente un dispositivo de ventilación por difusión. La relación entre la longitud de onda principal del LED y la temperatura se puede expresar como λp(t′)=λ0(t0)+ΔTG×0.1nm/℃. Según la fórmula, por cada aumento de 10°C en la temperatura de la unión, la longitud de onda se mueve 1 nm a una longitud de onda más larga, y la uniformidad y consistencia de la luminiscencia empeora. Esto requiere la miniaturización y disposición densa de las fuentes de iluminación para aumentar la intensidad y el brillo de la luz por unidad de área. Se debe prestar especial atención al diseño de carcasas de lámparas con buena disipación de calor o equipo general especial para garantizar el funcionamiento a largo plazo de los LED.