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基础知识之LED(发光二极管)

作者: 时间:2024-03-27 来源:电子森林 收藏

是被称为“”的半导体,名称取至 “Light Emitting Diode” 的首字母。 1993年基于氮化镓制造出的高亮度蓝色实现商用化,随之制造出白色LED,该白色LED作为第4照明光源备受注目。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/202403/456863.htm

LED是由电子(带负电)多的N (-:negative) 型半导体和空穴(带正电)多的P (+: positive) 型半导体结合而成。 该半导体施加正向电压时,电子和空穴就会移动并在结合部再次结合,正是再结合的能量转变成光而发出。 与先将电能转换为热能,再转换为光能的以往光源相比,因为能够直接将电能转换为光能,所以能够不浪费光能,高效率地获得光。

LED有两种类型灯泡型(引线型)和芯片型(表面贴装型),可根据用途选择适合的类型。

灯泡型和芯片型

LED根据不同的使用材料,发出不同的发光颜色(发光波长)。 交通信号、汽车停车灯等具有官方标准的特定用途,多数情况被标准化为灯泡光源规格,因此需要选择符合该波长规格的LED。 波长的标准有两种类型λP(峰值波长)和λD(主波长),λD相当于实际人眼看到的颜色。(λ=读拉姆达)

LED获得白色光的方法有多种。这里只介绍代表性的发光方法。

蓝色LED与其辅助色即黄色荧光体组合,获得白色光。 该方式与其他方式相比,结构简单、效率高,因此目前已成为主流。


光的三基色LED组合,获得白色光。 该方式比起照明用途,更多的用于全彩LED显示设备。

何谓7段LED?

7段LED是专门用于数字显示的数字显示模块。 因为(LED)放置在要显示的数字形状部位,所以具有良好的可视性。

也被称为“LED数字显示器”。


7段LED每个部位的名称

7段LED每个部位的名称如下。

  • 发光部(a~g):段(Seg)
  • 点发光部:小数点(D.P)
  • a~g的7段总称:数字(Dig)

【7段LED每个部位的名称】

7段LED 电路结构

LED显示器有两种电路:共阳极和共阴极。

  • 共阳极:公共引脚(common)为阳极
  • 共阴极:公共引脚(common)为阴极

【共阳极和共阴极】

发光强度 IV [cd]

表示从特定方向观测到的亮度。单位为cd(坎德拉)。 比较光强时需要特别注意指向角。光强是指单位立体角内发出的光通量。 透镜作为LED封装的组成部分可以向特定方向集中光输出(用透镜集光),即使光输出小也能集光,因此光强变大。 比较技术资料时,需要根据指向角和光强进行判断。


光通量 Φv [lm]

指从光源发射出来的全部光量。单位为lm(流明)。


峰值波长 λP[nm]

指LED发出的光谱输出值最高的波长,单位为nm(纳米)。 设计LED时采用峰值波长进行设计,但实际用人眼比较波长时使用主波长进行比较。


主波长 λD[nm]

LED一般用波长表示颜色。主波长相当于眼睛看到的颜色所对应的波长,与发光波长的峰值波长有差异。 单位为nm(纳米)。


色度坐标 x, y:

L指用二维正交坐标系表示LED发光颜色的刺激值,一般使用x y坐标系。


指向角 2θ1/2[度]

表示LED光辐射的范围。单位为 “度” 。 将封装倾斜观察光输出时,用于判断从输出的极限值位置能观测多大角度。将输出达到峰值一半时的角度乘以2倍(从正面看时相当于左右端)的值叫做指向角。

正向电压 VF [V]

指有正向电流流过时,阳极与阴极之间产生的电压。单位为V(伏特)。


反向电流 IR [A]

指阳极、阴极间施加反向电压时产生的漏电流。 单位为A(安培)。

LED特性根据周围温度及LED发热在内的芯片温度(Tj:发光部的结温)发生变化。 以下针对代表性的特性变化进行说明。


光强

LED的Tj上升,则光通量变少。 这是因为阻碍发光的电子和空穴再结合运动增加了。


波长

与光强变化相同,温度变化引起发光波长发生变化。 主要是温度变化引起半导体的禁带宽度发生变化,所以波长发生变化。 波长变化量因材料不同有差异,InGaAlP系LED随温度上升时,λd有0.1nm/°C的变动,向长波长侧变化。 针对波长规格严格的用途,需要探讨在整机的工作保证温度范围内波长的变化。


正向电压 (VF)

除特殊情况,VF的变化与发光波长相同,因半导体的禁带宽度变化而变化。 随着温度上升,VF会以2mV/°C的数值下降。 VF的变化在电路设计上是重要的要素。 LED恒流工作时,VF变化作为电路常数问题不大,但LED在恒压工作或接近恒压时,随温度上升VF下降,电流增加。 电流增加,则Tj变高,VF下降,直到达到平衡状态为止,电流会一直增加。 相反温度变低,则VF变高,电流减少,有可能恒压工作时得不到所需的光强。

LED在制造阶段就具有特性值分布,即所谓的偏差。 因此对光强等级、电气特性规定了最小值等。 进行光学设计、电路设计时需要考虑偏差。 例如,VF随温度变化之前,在特定分布中已存在偏差。 当没有设计裕量时,针对VF偏差大的产品,需要探讨温度变化时是否能得到所需的特性。 根据电路特性、整机特性,有时需要将LED特性值的偏差幅度缩小。 此时,需要探讨引进特殊规格,及判断是否能对应此规格。

当电流沿LED正向流动时,正极和负极间产生的电压称为正向电压(VF)。单位为V(伏特)。 数据表等资料中刊登了相对于电流的正向电压的特性曲线图<正向电流(IF)-正向电压(VF)特性>。 在实际探讨LED照明电路时,这个特性是最为重要的考虑项目。

正向电流(IF)-正向电压(VF)特性随LED元件的材料、尺寸以及发光颜色的不同而不同。而且随环境温度变化。此外,还具有半导体特有的特征值分布,即所谓的偏差。 当LED恒流驱动时,正向电压(VF)的变化不构成大的问题,但在恒压驱动的情况下,需要考虑电压变化和偏差。


LED照明电路

【串联照明电路】

当LED以恒压驱动方式串联点亮时,通常如下图所示,电路中包含与LED串联的电阻,用于控制电流。

以这个电路为例,首先根据正向电流(IF)-正向电压(VF)特性,读取亮灯时LED的正向电流(IF)和正向电压(VF)值。 将数值代入上式,计算出R(电流控制电阻)值。

【并联照明电路】

将LED以恒压驱动方式并列排列时,建议给每列LED加入控制电阻。

LED的正向电流(IF)-正向电压(VF)特性取决于元件的材料和发光颜色。即使具有相同的材料和发光颜色,也存在半导体特有的个体偏差。

如下图所示,当LED①和LED②的正向电压(VF)值不同时,如果用一个电阻控制电流,则难以控制每个LED的电流(IF1和IF2)。 每个LED连一个电阻,可以设置每个LED的电流(IF1或IF2),因此更容易自由设定,例如均衡电流值、抑制亮度偏差。另外,通过加大输入电压(Vin),增加电阻两边的电压,还可以减少偏差。

【正向电流(IF)-正向电压(VF)特性 例2】

【并联LED照明电路 例2】



关键词: LED 发光二极管

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