为什么损坏的LED还能发光(图)

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为什么损坏的LED还能发光(图) [复制链接]

作者：北京航空航天大学 方佩敏 　日期：2007-2-1 　来源：今日电子

偶然的机会，笔者将一个损坏的Φ5白光LED（用指针式三用表1k挡测LED的阳极及阴极的电阻，两表笔正反测量时都几乎为0Ω）的阳极及阴极之间加上3.2V正向电压时，发现LED能够正常发光。

为什么损坏的白光LED还能正常发光？笔者经过思考、实验和计算后，画出受损的白光LED的等效电路，分析得出了损坏的白光LED仍能发光的原因。本文将相关的实验、计算及分析提出来供读者探讨。

简单的白光LED照明灯电路

近年来，Φ5超高亮度白光LED的发光强度提高到8000mcd以上，一些视角小的则可达到15000mcd以上。因此不少单位试制、生产白光LED的小功率照明灯泡（1～3W），采用18～36只LED，用220V交流电压供电，经电容降压、整流后，驱动白光LED组成的串、并联电路如图1-a及图1-b所示。图1-a是一种较简单的驱动LED阵列电路，图1-b在电源输出电路中增加了一个稳压二极管，防止LED串过压造成的过流，避免LED损坏。

图1 1-a简单驱动LED阵列电路

图2  1-b带有稳压二极管的驱动LED阵列电路

这种电容降压式驱动电路在市电电压稳定时可提供近似恒流的电流I_OUT，I_OUT与降压电容C1的容量有关：C1 = 1μF时，I_OUT为60mA左右（由于C1一般有±10%允差，I_OUT约有60mA   ±15%的允差）。

这种LED电源（驱动器）电路的特点是电路简单、元件少、体积小（容易直接装入E27螺丝灯头来取代白炽灯泡）、成本低。但其缺点是缺少完善的过压、过流保护，当市电中有干扰信号输入或开关接触不良（或电源插头与插座配合不良），容易在接通电源时产生脉冲使LED过压、过流而损坏。

LED损坏原因的分析

由于这一类电容降压式驱动电路十分简单，没有稳压、恒流供电，并且没有完善的保护电路（过压保护及过流保护），因此在使用中容易损坏LED。虽然图1-b电路中设置了过压保护的稳压二极管，但在稳压二极管击穿电压取得太大时，往往起不到保护作用。例如，白光LED的正向压降V_F值有一个离散性，其值为3.0～4.0V，典型值为3.3 ～ 3.5V。若每串LED由6个LED组成，则ΣV_F为18～24V。若稳压二极管的击穿电压取2.5V，而实际LED串的ΣV_F为19.2V时，这种稳压二极管往往起不了保护作用。

为了使LED灯能发出更亮的光，设计者往往取较大的工作电流。一般Φ5白光LED的额定工作电流I_F=20mA，其峰值电流可达到100mA（加的是窄脉冲）、极限工作电流是40mA。如果为了增加亮度，将工作电流取得大于30mA时，则较容易损坏LED。

另外，从发光二极管的输出特性中也可以看出（如图2所示）：特性曲线是较陡的。V_F增加一个小的电压△V_F，相应会产生一个较大的正向电流△I_F。   △V_F增加零点几伏，△I_F可得增加十几到几十毫安。这就有可能使LED过流而损坏。

图2   发光二极管的输出特性曲线（V_F/I_F的正向降压/电流）

其次，在串、并LED的结构中，由于其V_F有一定的离散性，若没有测量V_F及分选，则有可能各串LED的ΣV_F有较大的差值，造成各串的内阻不同，使并联的LED不能均流。电流分配不均匀会使电流大的一串中的LED受损。

最后还要指出的是，生产Φ5白光LED的厂商极多，良莠不齐。一些电子市场出售的白光LED不能提供生产厂家的产品参数，性能往往不能保证。虽然发光亮度不错，但寿命较短。

损坏的白光LED的测量

Φ5白光LED的正向压降V_F为   3.0～4.0V，其大部分在3.0和3.5V之间（I_F=20mA的测量值）。良好的白光LED用指针式三用表1k挡测其阳、阴极时，表笔正反测指针都不动（电阻为∞），LED灯不亮；若用3 1/2位数字式在二极管挡测LED时：正表笔（红色）接LED阳极、负表笔（黑色）接LED阴极，指示为1，但LED会亮；当将表笔倒过来测时，指示为1，LED不亮。

用指针式1k挡测损坏的白光LED时，有以下两种情况：LED的阳极及阴极之间电阻都是∞，说明LED的阳极与阴极之间已烧断（这种LED已彻底烧掉，不会再亮）；用表笔正反测出LED的阴、阳极引脚之间有一个电阻Rx。Rx的值从几十欧姆（用指针式1k挡测，指针指示0Ω）到十几千欧姆。这种损坏的LED还会亮。

用数字式三用表测损坏的LED时，上述第1种情况用二极管挡测LED不亮；第2种测电阻时，其阻值基本上与指针式测量相同。

损坏的LED仍能发亮

一个偶然的机会，笔者将阳极与阴极之间电阻仅为62Ω的损坏的Φ5白光LED接入图3所示的电路，电压从0V开始增加，当电压增加到2.8V时，白光LED微亮（与正常LED没有区别）。这现象使人惊奇：损坏的LED“复活”了。为什么正反电阻接近短路的LED，加上3.4V电压后居然与好的LED一样发光。进一步测其工作电流I_F，其I_F=66mA，要比正常白光LED大得多。

图3  测量损坏的白光LED的电路

用同样的方法，又测试了几个不同阻值的损坏的发光二极管（几百到几千欧姆），每个LED在电压3.0～3.2V时都亮（亮度正常，仅电流比正常值大）。

笔者对这一现象进行思考、实验、计算及分析，得到了一个初步的解释，并通过实验及计算得到证实。

损坏的LED等效电路

从上面简单的实验及测量得到的概念是，LED能亮，并且发光正常，说明LED的PN结没有坏；用三用表正反表笔测量出一个电阻值，说明此电阻与发光二极管是并联的。可能过热状态时PN结构上有部分半导体已变成导体。画出来的等效电路如图4所示。与LED并联的电阻值与损坏程度有关：损坏程度小时，阻值可达十几千欧姆，损坏程度大时，阻值仅1～2kΩ；若损坏很严重时，其阻值仅几百甚至几十欧姆。这种情况LED已“烧毁”（与损坏体作一区别），虽然电阻为62Ω时LED还会亮，但寿命不会长，应视为己烧毁。由于这个并联在LED上的电阻值不同，取名为Rx。

图4  损坏的LED等效电路

实验与计算

前面提到Rx=62Ω的损坏白光LED，在V_F=3.4V时，测出电源输出的电流I_OUT=66mA。则可以计算出流经Rx的电流IRx及流经LED的电流I_F。

计算公式如下。

I_Rx=V_F/R_X，式中V_F是LED的正向电压降，Rx是LED内部并联在LED上的电阻值。

I_F=I_OUT－I_Rx，式中I_F是流经LED的PN结电流。

按此公式计算得，I_Rx=55mA，I_F=11mA。由结果可知：虽然LED亮度正常，但在Rx上白白地浪费了55mA。这种LED还是不能用。此实验的测量电路如图5所示。

图5  实验的测量电路

为了获得更多的数据，并提高测量精度，测量电路改成图6所示。采用精度1%的100Ω电阻作限流电阻，并利用测此电阻的电压降来间接测电源的输出电流I_OUT（此测量方法比用串接电流表测电流更准一些）。

图6  修改后的实验测量电路

实验测试了3个Rx数值较大的损坏LED的样件，其测试数据及计算值列在表1中。为了对比，又选择了2个Rx数值较小的损坏LED的样件，其测试数据及计算值列在表2中。在表1中，Rx的电阻值是采用31/2位数字式20k挡测量的，V1（测100Ω上的电压）、V2（测损坏的LED的正向电压）是31/2位数字式三用表直流20V挡测量的。

表1中输出电流I_OUT=V1/R。例如V1=1.8V，R=100Ω，则I_OUT=1.8V/100Ω=18mA

表2中Rx是用数字式31/2位2k挡测的。序号为5的试件，由于Rx值太小，在V1=3.78V时，V2才1.22V，所以LED不亮。此时IRx已经114.5mA。若增加输入电压VIN值，LED灯还会亮，但IRx已太大了，亮不了多久就会过热而烧毁。

分析及推断

根据表1、表2的实验数据及计算值可得到以下结论。

● 受损的LED中当其Rx≥2kΩ时，还可用。推算如下，Rx=2kΩ时，IRx约1.6mA，损耗不太大。若Rx≥5kΩ，则IRx约为0.5mA，影响不大。但这种LED不能再用于LED照明灯，用于小电流的指示灯较合适。

● 在Rx<2kΩ时，可靠性差，可认为已损毁，不能再用。

● 在串、并联阵列的LED结构中（照明灯、指示牌等），每串ΣVF应相等（目前批量生产的LED已分选，其VF的差值不超过0.2V）。若各串ΣVF不等则每串的电流不等，电流大的一串易损坏LED。若一串中有一个或几个LED损坏时，则ΣVF会减小，IOUT会增加，有可能使同一串中的其他LED相继过热而损坏。例如，在图7所示的3串2并的LED电路中，V1用来间接测量电源输出电流，V2测ΣVF值。当一串中有一个LED损坏（用虚线框表示），则V1值增加，V2值降低。V2减小说明ΣVF减小。若第一串LED无损坏，IF值减小，而LED有损坏的一串在电流增加后则有可能在这一串中相继再损坏LED。

图7  3串2并的LED电路

● 在驱动LED阵列中，LED的损坏主要是驱动电路的保护电路不完善所致（无论是LED灯或LED显示装置）。另外，一定要选择名牌厂家生产的LED，质量可靠；工作电流选额定值70%为好。

● 笔者正在实验一种能抗瞬间脉冲的过压保护电路，需要一段时间考验才能证实是否有效。

agan

不错,不错

shuangchafeng

LED的损坏主要是驱动电路的保护电路不完善所致