一、发光二极管（LED）概述

发光二极管（Light Emitting Diode，简称 LED）是目前应用最广泛的半导体器件之一，广泛存在于电视机、彩色显示屏、指示灯、数码管、背光源以及各类状态显示电路中。

从本质上看，LED 仍然是一个 PN 结二极管：

• 在正向偏置时导通，并在 PN 结处发光；

• 在反向偏置时截止，阻止电流流过（正常工作时不会用其反向）。

不同于普通整流二极管的是：
LED 被专门设计为在正向导通时，将一部分电能以光子形式释放出来，从而实现“电能 → 光能”的转换。

二、LED 的结构与发光机理

2.1 发光的物理过程

LED 采用较重掺杂的薄层半导体材料制成，形成一个 PN 结。当 LED 正向偏置时：

1. 电子由导带（conduction band）注入结区；

2. 空穴由价带（valence band）注入结区；

3. 电子与空穴在 PN 结附近复合；

4. 复合时释放能量，其中一部分以**光子（photons）**形式发出。

这些光子具有单一（或较窄带宽）的波长，因此 LED 发出的光大致是单色光（monochromatic），即单一颜色或非常窄的颜色范围。

这层发光区域非常薄，因此能有相当数量的光子从结区逃逸出来，对外形成可见或不可见的光辐射。

2.2 封装结构与光提取

LED 的 PN 结一般被包封在一个透明硬质环氧树脂外壳中。常见结构为半球形圆顶封装，其作用有三点：

1. 机械保护：防振动、防冲击；

2. 光反射与引导：封装内部形状设计，使从结区发出的光尽量反射到上方；

3. 顶部圆顶作透镜：半球形顶部具有会聚作用，使光看上去在顶端最亮。

实际上，LED 结区本身发光并不强，外加塑封和几何结构主要是在“提高光提取效率”。
除了常见的圆顶形外，还有矩形、柱状、条形、箭头形等封装，用于指示、条形显示等。

几乎所有现代 LED 都有两根引脚，并通过以下方式区分极性：

• 较长的引脚通常为阳极（+）；

• 较短的引脚为阴极（-）；

• 封装侧面常有一个扁平面或缺口标记阴极方向。

2.3 “冷光”与寿命优势

与白炽灯不同，LED 发光时产生的热量远小于光能，因而被称为**“冷光源”**。
这带来几个优势：

• 能量大部分以可见光形式辐射 → 效率高；

• 无灯丝烧断问题 → 寿命长；

• 固态结构 → 抗冲击、体积小。

三、LED 颜色与半导体材料

3.1 颜色由材料决定，而非外壳颜色

不同于普通二极管大量使用硅或锗，LED 使用的是各种“化合物半导体”。
常见材料包括：

• 砷化镓（GaAs）

• 磷化镓（GaP）

• 砷化磷化镓（GaAsP）

• 碳化硅（SiC）

• 氮化铟镓（GaInN）

• 以及掺杂铝、氮、锌、硒等其他组分

关键点：

LED 的光颜色由其 PN 结材料的“带隙能量”决定，也就是决定了光子的波长 λ。

塑料外壳的颜色 并不决定 LED 的发光颜色，它只是：

• 增强视觉效果（例如红灯加红壳）；

• 在未通电时，帮助识别颜色。

3.2 典型材料、波长、颜色与 VF

典型 LED 参数（20mA 正向电流，近似值）如下：

由表可见：

• 波长越短（光能量越高，如蓝光、白光），所需正向电压 VF 越高；

• 低能量如红外、红光则 VF 较低（约 1.2–2.0 V）。

3.3 常见 LED 材料类型

通过混合不同半导体、金属和气体，可制备出不同波长和亮度的 LED，常见类型包括：

• GaAs：红外

• GaAsP：红至红外、橙

• AlGaAsP：高亮度红、橙红、橙、黄

• GaP：红、黄、绿

• AlGaP：绿

• GaN：绿、翠绿

• GaInN：近紫外、蓝绿、蓝

• SiC：用作蓝光基底

• ZnSe：蓝

• AlGaN：紫外

典型低成本通用 LED 多为基于砷化磷化镓（GaAsP）的红光器件。

四、电气特性与 I-V 曲线

像普通 PN 结二极管一样，LED 的电流与电压关系呈指数型。工程上更关注的是：

• 前向导通电压 VF（典型范围约 1.2V–3.6V）

• 推荐前向工作电流 IF（一般 10–30 mA）

常用范围：

• IF ≈ 12–20 mA：指示灯、面板灯常用；

• 5 mA 以下亮度较低；

• 30 mA 以上需注意功率和散热。

不同颜色的 VF 明显不同，例如：

• 红色标准 LED：VF 起始约 1.2V；

• 蓝色 LED：VF 可达约 3.6V。

从 I-V 曲线可见：

• 在 VF 以下，电流非常小；

• 一旦超过 VF，电流迅速上升，因此必须限流。

重要安全原则：

LED 不能直接接在电源上，必须串联限流电阻，否则过流会在瞬间烧毁 LED。

五、LED 串联限流电阻的计算

5.1 单个 LED 的串联电阻

最常见的连接方式：
电源 VS → 串联电阻 RS → LED → 地

已知：

• 供电电压：VS

• LED 正向压降：VF（由颜色和数据手册给出）

• 期望前向电流：IF

则串联电阻 RS 计算公式为：

RS = (VS - VF) / IF

例 1：单个琥珀色 LED 限流设计

条件：

• LED 颜色：琥珀色

• LED VF ≈ 2.0 V（20mA 时）

• 电源 VS = 5.0 V（稳压）

• 设计目标：IF ≈ 10 mA

1）计算所需串联电阻 RS：

RS = (VS - VF) / IF
RS = (5.0V - 2.0V) / 0.01A
RS = 3.0V / 0.01A
RS = 300Ω

实际选用电阻时：

• E12 系列中没有 300Ω；

• 选择更大的标准值 330Ω 比较安全；

• 此时 LED 电流略小于 10mA。

快速复算电流（选 330Ω 时）：

IF = (VS - VF) / RS
IF = (5.0V - 2.0V) / 330Ω
IF ≈ 3.0V / 330Ω ≈ 0.0091A = 9.1mA

2）如果误用 100Ω 串联电阻：

IF = (VS - VF) / RS
IF = (5.0V - 2.0V) / 100Ω
IF = 3.0V / 100Ω = 0.03A = 30mA

30mA 接近或超过许多小型 LED 的额定电流，可能导致过热与寿命缩短，甚至烧毁。

六、多颗 LED 串联的电阻计算

6.1 三颗串联示例

三只 LED 串联时，电流相同，电压相加。

假设：

• 每只 LED VF ≈ 1.2V（点亮时）

• 串联 3 只，则总压降：

  VLED_total = 3 * 1.2V = 3.6V

• 供电电压 VS = 5V

• 期望电流 IF = 10mA

则串联限流电阻 RS 为：

RS = (VS - VLED_total) / IF
RS = (5.0V - 3.6V) / 0.01A
RS = 1.4V / 0.01A
RS = 140Ω

实际元件中：

• E12 系列没有 140Ω；

• 选用 150Ω 比较合适，电流略小于 10mA。

多颗 LED 串联适合用于高电压环境（如 12V、24V），可以减少电阻上耗散的功率。

由于串联链中电流相同，最好使用同一型号、同一颜色、特性接近的 LED，以避免亮度不均。

七、LED 驱动电路

7.1 逻辑门直接驱动

TTL 或 CMOS 逻辑门的输出级通常既可“源电流”（输出高电平时向外提供电流），也可“灌电流”（输出低电平时向外吸收电流）。

典型特性（视具体系列而定）：

• 灌电流模式：最大输出电流可达约 50mA；

• 源电流模式：受限，约 20～30mA 左右。

无论使用源或灌形式，必须串联电阻限制 LED 电流。

7.2 晶体管驱动

当：

• 需要驱动多颗 LED；

• 或 LED 阵列电流较大；

• 或不希望逻辑 IC 承担过大电流；

可以用 NPN 或 PNP 晶体管作为开关来驱动 LED。
典型结构：

• NPN 低侧开关：
  电源 → LED + 限流电阻 → NPN 集电极 → 发射极接地，基极由逻辑驱动；

• PNP 高侧开关：
  PNP 发射极接电源，集电极接 LED+电阻，控制信号通过基极控制其导通。

在任意结构中，串联电阻 RS 都是必需的，避免过流损坏 LED 或晶体管。

八、LED 亮度控制与 PWM 调制

8.1 直接改变电流的局限

LED 是电流型器件，理论上：

• 电流越大 → 光通量越高 → 越亮。

但存在问题：

• 电流过大 → 温度上升 → 器件寿命下降甚至损坏；

• LED 通常按照某个标称电流（如 20mA）设计光输出。

将电流降得太低（例如低于 5mA），亮度可能明显不足甚至不再可见。

8.2 PWM（脉宽调制）控制亮度

更优方案是使用脉宽调制 PWM来控制亮度：

• 以固定频率重复将 LED 快速“开–关”；

• 改变“导通时间/周期”的比例（占空比），来控制平均亮度；

• 导通时电流可以保持在标称值（甚至稍高），但平均功耗仍可控制。

人眼具有“视觉暂留”效应：
当 PWM 频率足够高时（通常 ≥ 100Hz），人眼不会看见闪烁，而是感受到一个连续的平均亮度。
有趣的是，在相同平均功率下，高峰值/短导通的 PWM 常会让主观亮度感觉“更亮”。

九、多色 LED（双色 / 三色 / 全彩）

9.1 单色 LED 与封装形式

• 常见标准封装：5mm、3mm、贴片（SMD）等；

• 最普及且成本最低的大多为 5mm 红色 GaAsP LED；

• 也可封装成条形、点阵、数码管等复合结构。

9.2 双色 LED（Bi-colour LED）

典型结构：两颗 LED 反向并联封装在一体（一正一反）。

• 正向电流方向 1：点亮 LED1（如绿色）；

• 反向电流方向 2：点亮 LED2（如红色）；

• 若接在低频 AC 上，两只 LED 轮流点亮 → 可看到混合色（如黄色）。

举例说明（假设 LED1 为绿、LED2 为红）：

• 电源 + 接端子 A，− 接端子 B：LED1 亮（绿）；

• 电源 + 接端子 B，− 接端子 A：LED2 亮（红）；

• 若接低频 AC：两个交替亮 → 视觉呈“黄”。

这类器件常用于：

• 极性指示

• 正反状态指示

• 简单三状态反馈（正、负、交流等）

示意表（端子 A 为参考）：

（注：实际颜色组合取决于封装内两颗 LED 的颜色搭配）

9.3 三色 LED（Tricolour）

典型三色 LED 通过将红 + 绿两颗 LED 集成在一体，且共有一个阴极或阳极，形成三引脚封装。例如：共阴极结构：

• 引脚 1：红 LED 阳极

• 引脚 2：共阴极

• 引脚 3：绿 LED 阳极

通过调整红、绿两个通道的电流比，可以合成：

• 纯红（只点亮红 LED）

• 纯绿（只点亮绿 LED）

• 橙或黄（红、绿以一定比例同时点亮）

示意表（只是一个示例）：

通过 PWM + 不同占空比组合，可得到更精细的颜色过渡。
全彩 RGB LED（红 + 绿 + 蓝三芯）则可通过三路独立驱动实现近似全彩显示。

十、LED 显示器与七段数码管

将多颗 LED 集中封装，可以构成：

• 条形图（bargraph）

• 点阵（matrix）

• 数码管（7 段 / 14 段 / 16 段）

• 各种自定义图形

10.1 七段显示器（Seven Segment Display）

七段显示器内部包含 7 颗独立 LED 段（有时加一点小数点），每段可以单独点亮或熄灭，通过不同组合显示数字 0–9，以及部分字母（A–F 等）。

常见有两种配置：

1）共阴极（Common Cathode，CCD）

• 所有段的阴极连在一起作为公共端；

• 某一段要亮：向该段的阳极输入高电平（逻辑“1”）；

• 公共阴极接地或低电位。

2）共阳极（Common Anode，CAD）

• 所有段的阳极连在一起作为公共端；

• 某一段要亮：将该段引脚拉低（逻辑“0”），公共阳极接正电源；

• 适合与“低电平有效”的驱动电路配合。

每一段前也通常需要串联限流电阻，以控制段电流和亮度。

十一、光耦合器（Opto-coupler / Opto-isolator）

11.1 基本结构与作用

光耦（optocoupler 或 opto-isolator）是 LED 的一个重要应用，它通过光信号实现电气隔离。

典型光耦内部包含：

• 输入侧：一颗红外发光二极管（通常为 GaAs 红外 LED）；

• 输出侧：光敏器件，如光电二极管、光电晶体管、光电双向可控硅（photo-triac）等；

• 封装外壳为不透光塑料，阻断外界光干扰。

输入与输出之间无直连导线，只有光通路。其绝缘耐压通常可达：

几千伏（例如 5000V 级别）

这允许低压弱电（如单片机、计算机端）安全地控制高压或“脏电”侧（如市电驱动、电机驱动等）。

11.2 工作方式与信号类型

• 当输入侧 LED 被正向驱动时，发出红外光；

• 输出侧光敏器件接收光信号并导通（或改变阻值/电流）；

• 输入、输出之间没有共地，也无导线连接，从而提供电气隔离。

光耦主要用于：

• 数字开关信号的隔离（ON/OFF 控制）；

• 工业控制系统中，单片机与强电侧隔离；

• 通信接口（如串口、CAN 等）的防雷与保护。

模拟信号若需通过光耦，可通过：

• 频率调制（FM）；

• 脉宽调制（PWM）；

将模拟量映射到时间或频率，再在对侧解调。

总结

本篇从基础到应用，对 LED 做了较为完整的技术性梳理，覆盖了你原文中的所有要点：

• LED 的 PN 结发光机理与封装结构；

• “冷光源”的优势和长寿命特性；

• 颜色与半导体材料、波长、正向压降 VF 之间的对应关系；

• 各种典型材料（GaAs、GaP、GaAsP、GaInN 等）和常见颜色；

• 正向 I-V 特性、典型电流范围（10–30mA）；

• 单 LED 和多 LED 串联的限流电阻计算公式与完整算例；

• 逻辑门驱动、晶体管开关驱动；

• PWM 控制亮度的原理和视觉暂留效应；

• 双色、三色、多色 LED 的内部结构与颜色合成；

• 七段数码管的共阴极 / 共阳极驱动方式；

• 光耦的结构、隔离耐压与在数字/模拟信号传输中的应用。