发光二极管基础知识

发光二极管或简单的LED是当今最常用的光源之一。无论是你汽车的前照灯(或日间行车灯)还是你家里的客厅灯,led的应用数不胜数。

与传统的灯丝灯泡(几乎)不同,led(和荧光灯泡)需要一个特殊的电路来工作。它们被简单地称为LED驱动器(或荧光灯的镇流器)。

由于led在我们的生活中是不可避免的,所以对于感兴趣的人(工程师、驱动程序设计师等)来说,了解一下发光二极管的基础知识是一个好主意。本文由《LED简介》组成,其中包括LED简介、电气符号、类型、结构、特点、LED驱动等诸多内容。

注:这篇文章有一个更简单的版本"领导- - - - - -新兴市场二极管,它以一种更简单的方式概述了LED,而不涉及技术细节。

介绍

激光二极管和LED是广泛应用于各种应用的两个最重要的半导体发光源。激光二极管的工作原理是基于受激发光,而LED是基于自发发光。

发光二极管是电子元件中最常见的杰出光源。例如,它们广泛用于在某些显示设备的屏幕上显示时间和许多其他类型的数据。LED是一种光半导体器件,可以轻松地将电流转换为照明(或光)。LED的面积通常非常小,许多集成光学元件可用于设计其辐射图案。它的主要优点是制造成本低,寿命比激光二极管更长。

发光二极管由两个半导体主元件组成。它们是带正电的p型空穴和带负电的n型电子。

LED-Symbols

当二极管的正P侧连接到电源,N侧连接到地,那么这个连接被称为正偏置,这允许电流流过二极管。P侧和N侧的多数和少数载流子相互结合并中和PN结耗尽层的载流子。

电子和空穴的迁移反过来释放出一定量的光子,这些光子以单色光的形式释放能量,其波长通常为nm,类似于LED的颜色。LED发射的光谱通常非常窄。

一般来说,它可以被指定为电磁波谱中特定的波长范围。由于制造中使用的半导体的性质,LED的颜色发射选择是相当有限的。LED常用的颜色有红色、绿色、蓝色、黄色、琥珀色和白色。

红色、蓝色和绿色的光可以很容易地组合在一起,产生亮度有限的白光。红色、绿色、琥珀色和黄色的工作电压约为1.8伏。发光二极管的实际工作电压范围可以由LED结构所涉及的半导体材料的击穿电压来确定。LED发出的光的颜色是由形成二极管PN结的半导体材料决定的。

这是由于半导体材料的能带结构不同,所以不同频率发射的光子数量不同。然而,光的波长取决于半导体材料在结处的带隙,光的强度取决于通过二极管的功率或能量的多少。输出波长可以通过使用复合半导体来维持,因此所需的颜色可以被观察到,从而在可见范围内提供输出。

光可以通过多种方式通过电子手段产生和控制。在发光二极管中,光是通过电致发光的概念产生的,电致发光是一种固态过程。在产生光的特定条件下,固态程序可以产生相干光,类似于激光二极管。

类型的发光二极管

发光二极管大致可分为两大类led。他们是

  • 可见发光二极管
  • 看不见的发光二极管

可见led主要用于开关、光学显示器和照明用途,无需使用任何感光元件。隐形led应用于光学开关、分析和光通信等领域,并使用了光传感器。

功效

发光二极管的额定值是根据其发光效能来确定的。它被定义为光通量与提供给二极管的电输入功率的比值,可以用流明/瓦特来表示。光通量表示眼睛对不同波长的光的反应。

颜色
波长(nm)
典型的功效(lm / W)
典型功效(W/W)
红色的
620 - 645
72
0.39
绿色
520 - 550
93
0.15
蓝色的
460 - 490
37
0.35
青色
490 - 520
75
0.26
红色,橙色
610 - 620
98
0.29

领导的建设

发光二极管的结构和结构与普通半导体信号二极管有很大的不同。当LED的PN结正向偏置时,就会发出光。PN结由透明的固体和塑料环氧树脂半球形外壳覆盖,保护LED免受大气干扰、振动和热冲击。PN结是由砷化镓、砷化镓磷化、磷化镓、氮化镓铟、氮化铝镓、碳化硅等最低能带隙材料形成的。

LED结不会排放太多的光量,使环氧树脂的身体是建立在这样一种方式发出的光子结反映远离周围的基质基地,集中通过LED的圆顶顶部,它本身作为一个镜头集中大量的光。

这就是为什么发光二极管的顶部看起来最亮的原因。

发光二极管的结构

通常,发出红色光的发光二极管建在砷化镓衬底上,而发出绿色/黄色/橙色光的二极管建在磷化镓衬底上。对于红色发射,N型层掺杂碲(Te), P型层掺杂锌。分别用铝在P面和铝锡在N面形成接触层。

led的设计是为了确保大多数载流子的复合通过以下方式发生在PN结的表面。

  • 通过增加衬底掺杂浓度,额外的少数载流子电子移动到结构顶部,在LED表面重新结合发光。
  • 通过增加电荷载流子的扩散长度,即L=√ Dτ,其中D是扩散系数,τ是电荷载流子寿命。当增加超过临界值时,释放的光子有可能重新吸收到设备中。

当二极管以正向偏压连接时,电荷载流子获得足够的能量以克服PN结处存在的势垒电势。每当施加正向偏置时,P型和N型上的少数载流子都注入结中,并与多数载流子重新结合。大多数和少数载流子的这种复合可以是辐射的,也可以是非辐射的。辐射复合发光,非辐射复合发热。

有机发光二极管(OLED)

在有机发光二极管中,用于设计LED的化合物半导体材料本质上是有机的。由于共轭电子的存在,有机半导体材料在部分或整个分子中具有导电性;因此它是一种有机半导体。材料可以是结晶相或聚合物分子。它具有结构薄、成本低、驱动电压低、辐射图案好、辐射亮度高、对比度和强度大等优点。

发光二极管颜色

与普通半导体、用于开关电路、整流器和电力电子电路的信号二极管不同,发光二极管由化合物半导体材料制成,如砷化镓、砷化镓磷化、亚博最新官网网址碳化硅和氮化镓铟以不同的比例混合在一起,产生一种独特的颜色波长。

不同的半导体化合物在可见光谱的特定区域发光,因此它们产生不同强度的光。用于制造LED的半导体材料的选择将决定光子发射的波长和发射光的最终颜色。

辐射方向图

它被定义为光发射相对于发射表面的角度。在与表面发射垂直的方向上获得最大的功率、强度或能量。光发射的角度取决于发射的颜色,通常在80°到110°之间变化。

颜色
波长(nm)
电压降(V)
半导体材料
红外
> 760
< 1.9
砷化镓
铝砷化镓
红色的
610 - 760
1.6–2.0
铝砷化镓
砷化镓磷化
磷化铝镓铟
磷化镓
橙色
590 - 610
2.0–2.1
砷化镓磷化
磷化铝镓铟
磷化镓
黄色的
570 - 590
2.1–2.2
砷化镓磷化
磷化铝镓铟
磷化镓
绿色
500 - 570
1.9–4.0
磷化铟镓
磷化铝镓铟
磷化铝镓
氮化镓铟
蓝色的
450 - 500
2.5 – 3.7
硒化锌
氮化镓铟
碳化硅
紫罗兰色的
400 - 450
2.8–4.0
氮化镓铟
紫色
多种类型
2.4–3.7
双蓝色/红色发光二极管
蓝色与红色荧光粉
白色带紫色塑料
紫外线
< 400
3.1–4.4
钻石
氮化硼
氮化铝
氮化镓铝
氮化铝镓铟
粉红色的
多种类型
3.3
蓝色与磷
黄色带红色、橙色或粉红色磷光
带粉红色颜料的白色
白色
广谱
3.5
蓝色/紫外光二极管与黄色荧光粉

LED发出的光的颜色不是由包围LED的塑料体的颜色决定的。当它不是由电源驱动时,外壳用于增强发光并指示其颜色。近年来,蓝色和白色LED也可用,但由于在半导体化合物中以精确比例混合两种或两种以上互补色的生产成本,蓝色和白色LED比普通标准彩色LED更昂贵。

光源的一般特性

驱动电流Vs光输出

对于高的正向驱动电流,半导体PN结的温度由于相当大的功率损耗而升高。这种温度的升高导致了辐射复合效率的降低。因此,电流密度进一步增大;内部串联电阻会降低任何光源的发光效率。

量子效率

任意光源的量子效率定义为发光的辐射复合率与总复合率的比值,其表达式为:

η=Rr/Rt

开关速度

光源的开关速度类似于光源通过外加电源打开和关闭以产生相应光输出图案的速度。LED的开关速度比普通的激光二极管慢。

光谱波长

光谱的峰值波长被定义为产生光的最大强度的波长。它是由LED制造中使用的半导体材料的能带隙决定的。

光谱宽度

光源的光谱宽度定义为光源发光的波长范围。光源必须在较窄的光谱宽度内发光。

导致电流-电压特性

在任何发光二极管发出光之前,它需要有电流流过它,因为LED是一个依赖电流的设备,其输出光强度与通过LED的正向电流成正比。

发光二极管必须连接在一个正向偏置组合跨越电源,它应该通过使用串联电阻电流限制,以保护它从过剩的电流流。LED不应直接连接到电池或电源,因为过多的电流会流过它,LED可能会损坏。

每个LED沿着PN结都有自己的正向电压降,这个参数是由制造LED时使用的半导体材料确定的,其正向电流通常为20mA左右。亚博彩票下载

在低正向电压下,二极管的驱动电流主要是由横跨LED芯片长度的电荷载流子的复合而产生的非辐射复合电流。在较高的正向电压下,二极管驱动电流主要由辐射扩散电流控制。

即使在比通常更大的电压下,二极管的电流也受到串联电阻的限制。二极管不应该在短时间内达到反向击穿电压,因为二极管可能会发生永久性损坏。下图显示了不同颜色led的I-V特性。

导致电流-电压特性

LED串联电阻计算

当发光二极管与电阻串联时,其功能良好,因此LED所需的正向电流由整个组合的电源电压提供。串联电阻器的电阻值可用下式计算。通常认为正常LED正向电流为20mA。

LED串联电阻电路

多色发光二极管

市场上有大量不同形状和尺寸、不同颜色和不同光输出强度的led。砷化镓磷化红色Led是目前最常用的Led,其直径为5毫米,生产成本低廉。如今,有多种颜色发射的发光二极管正在生产中,它们可以在许多封装中使用,大多数是在一个封装中有两到三个led。

双色发光二极管

两种LED灯颜色使用单电路

双色发光二极管是一种LED类型,类似于单色LED,只是在封装中额外封装了一个LED芯片。双色LED可以有两条或三条用于连接的引线;这取决于所使用的方法。通常,两条LED引线以反向并联组合方式连接。一个LED的阳极连接到另一个LED的阴极,反之亦然。当向任一阳极供电时,只有一个LED发光。我们还可以同时打开两个LED,并以高速动态切换。

三色发光二极管

通常三引线LED有共同的阴极引线,其中其他两个LED芯片都连接在内部。必须打开一个或两个led,必须将共阴极连接到地。限流电阻分别连接在两个阳极上,分别控制电流。

基本RGB LED发光二极管

对于单色或双色LED照明,必须分别或同时将电源连接到其中一个阳极。这些三色LED由单个红色和绿色LED芯片连接到相同的阴极。这类二极管通过以不同比例的正向电流开关两个led,产生额外的原色阴影。

LED驱动电路

集成电路或组合电路或时序电路都可以用来驱动发光二极管。发光二极管可以使用集成电路来开启或关闭。TTL或CMOS逻辑门的输出级可用于驱动发光二极管作为两种配置模式的开关。它们是配置的源和汇模式。

集成电路在汇聚模式配置下的输出电流约为50 mA,在源模式配置下的正向电流约为30 mA。亚博彩票下载然而,由发光二极管驱动的电流应该受到串联电阻的限制。

推动了电路

用晶体管驱动LED

不用集成电路,led可以使用分立元件驱动,如双极PNP和NPN晶体管。这些分立元件可以用于驱动多个LED,就像在大型LED阵列结构中一样。

很少有应用程序使用单一的LED在他们的功能。结型晶体管用于驱动电流通过多个发光二极管,LED驱动的正向电流约为10 - 20毫安。亚博彩票下载如果NPN晶体管用于驱动LED,那么串联电阻作为电流源。如果PNP晶体管用于驱动led,那么串联电阻充当电流接收器。

晶体管驱动发光二极管

应用如背光阵列的屏幕,街灯或作为荧光灯或白炽灯的替代品,大多数应用需要一个以上的LED。一般情况下,并联驱动多个单个led会导致led之间的电流共享不均匀;即使如此,所有的led额定正向电压降是相同的。

如果单个LED无法驱动串联的LED,可以通过在串联的单个LED上提供并联齐纳二极管或可控硅整流器(SCRs)来克服。可控硅是明智的选择,因为如果它们必须围绕失效的LED进行操作,它们消耗的能量更少。

在并行组合的情况下,为每个字符串包含一个单独的驱动程序,比使用几个具有适当输出能力的驱动程序更昂贵。

LED光强的PWM控制

LED发出的光的强度由流过它的电流控制。随着电流的变化,可以控制灯光的亮度。如果允许大量电流通过二极管,LED灯的发光效果会比平常好得多。

如果电流超过其最大值,光强进一步增加,导致LED散热。设计LED时设置的正向电流限制范围约为10至40毫安。亚博彩票下载当需要的电流非常少,可能有机会关闭LED。

在这种情况下,为了控制光的亮度和LED所需的电流,使用称为脉冲宽度调制的过程根据所需的光强度反复打开和关闭LED。线性控制装置以热的形式耗散多余的能量,因此为了提供所需的功率,使用PWM驱动器,因为它们根本不提供功率。

首先,要向LED电路中注入PWM脉冲,首先需要一个PWM振荡器。有不同数量的PWM发生器。

利用PWM控制LED光强

LED显示屏

单色、双色、多色和其他几种发光二极管组合成一个封装。它们可以被用作背光图、条形图和条形图。数字显示设备的一个基本要求是可视数字显示。常见的例子是这样的单个封装的几个led是在7段显示。

7段显示器,顾名思义,它由7个led组成在一个显示包。它可以用来显示信息。

显示信息可以是数字、字母、字符以及字母数字字符的数字数据形式。七段显示器通常有八种输入连接组合,每个LED一个,其余一个是所有内部LED的公共连接点。

如果所有LED的阴极连接在一起,并通过应用逻辑高信号,则各个部分点亮。以相同的方式,如果所有LED的阳极连接在一起,并通过应用逻辑低信号,则各个部分点亮。

共阳极七段显示

LED的优缺点及应用

优势

  • 芯片体积小,成本低
  • 长时间生活
  • 高能源效率
  • 低的温度
  • 设计的灵活性
  • 许多颜色
  • 生态友好的
  • 高开关速度
  • 高的发光强度
  • 可以将光线聚焦在特定的方向
  • 受损害的影响较小
  • 辐射热量少
  • 更抗热冲击和振动
  • 没有紫外线的存在

缺点

  • LED的辐射输出功率和波长与环境温度的关系。
  • 过电压和/或过电流对损坏的敏感性。
  • 理论总效率只有在特殊的冷却或脉冲条件下才能实现。

应用

  • 在机动车辆和自行车灯
  • 在交通灯指示灯,标志和信号
  • 数据显示板
  • 在医疗和玩具领域
  • 非视觉应用程序
  • 在灯泡和更多的地方
  • 遥控器

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