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。无论是你汽车的前灯(或日间行车灯),还是你家里的客厅灯,led的应用不计其数。

与(差不多)遗留灯丝灯泡不同,LED(和荧光灯)需要一个特殊的电路来使其工作。它们只是被称为LED驱动器(或在荧光灯泡的情况下镇流器)。

既然led在我们的生活中是不可避免的,这是一个好主意对有兴趣的人(工程师,驱动设计师等)了解发光二极管的基础知识。本文是作为对LED的简要了解指南而组成的,其中包括LED的简要介绍、电气符号、类型、结构、特性、LED驱动器等许多。

注意:这篇文章有个更简单的版本"领导- - - - - -em.itting.二极管“,这概述了LED以更简单的方式而不进入技术细节。

介绍

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

发光二极管是电子元件中最常见的光源。例如,它们被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是一种光电半导体器件,可以很容易地将电流转换成照明(或光)。LED的面积通常很小,在设计其辐射图时可以使用许多集成光学元件。它的主要优点是制造成本低,寿命比激光二极管长。

发光二极管由半导体的两个主要成分组成。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,它允许电流流过二极管。P边和N边的多数载流子和少数载流子相互结合,使PN结耗尽层中的载流子中和。

电子和空穴的迁移反过来释放出一定数量的光子,这些光子以波长恒定的单色光的形式释放能量,波长通常为nm,类似于LED的颜色。LED发射的光谱通常非常狭窄。

通常,可以将其指定为电磁频谱中的某个特定的波长范围。由于制造中使用的半导体的性质,LED从LED的发射的选择相当有限。常用LED的可用颜色是红色,绿色,蓝色,黄色,琥珀色和白色。

红、蓝、绿三种颜色的光可以很容易地组合成亮度有限的白光。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通过LED结构中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构成二极管PN结的半导体材料决定的。

它是由于半导体材料的能隙带结构的差异,并且通过不同的频率发出了不同数量的光子。然而,光的波长取决于结半导体材料的带隙,并且光的强度取决于通过二极管施加的功率或能量的量。通过使用化合物半导体可以保持输出波长,从而可以观察到所需的颜色,在可见范围内提供输出。

通过电子手段,光可以通过多种方式产生和控制。在发光二极管中,光是通过电致发光的概念产生的,这是一个固态过程。在产生光的特定条件下,固态过程可以产生相干光,类似于在激光二极管中。

类型的发光二极管

发光二极管可以广泛归类为两大类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、光学显示器和照明目的,而不使用任何光传感器。不可见发光二极管应用于包括光开关、分析和光通信等应用,使用的是光传感器。

功效

发光二极管的额定值是根据发光效率来确定的。它定义为光通量与提供给二极管的电子输入功率的比值,可以用流明/瓦表示。光通量代表眼睛对不同波长光的反应。

颜色
波长(nm)
典型的疗效(LM / W)
典型的功效(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

LED建筑

发光二极管的结构和结构与常规半导体信号二极管有很大的不同。当LED的PN结是正向偏置时,光将从LED发出。PN结由透明固体和塑料环氧树脂半球形壳体覆盖,可保护LED免受大气扰动、振动和热冲击。PN结是使用最低带隙材料如砷化镓,砷化镓磷化,磷化镓,氮化铟镓,氮化铝,碳化硅等形成的。

实际上,LED结不发光,使得环氧树脂主体以这样的方式构建的方式,使得由结的光的光子从周围的基板基座反射并通过圆顶的LED顶部聚焦,它本身用作集中较大光量的镜片。

这就是为什么发射的光在LED顶部似乎最亮的原因。

发光二极管的结构

通常,发出红色彩色光的发光二极管基于砷化镓基板和发射绿色/黄色/橙色灯的二极管是虚拟磷化镓基底的虚构。对于红颜色发射,N型层掺杂有碲(TE),P型层掺杂有锌。在N - 侧上的P侧和铝锡上形成接触层。

设计LED旨在通过以下方式确保电荷载体的大部分重组在PN结的表面上发生。

  • 通过增加衬底掺杂浓度,附加的少数率载体电子将电子移动到结构的顶部,重组并在LED的表面上发光。
  • 通过增加载流子的扩散长度,即L =√Dτ,其中D为扩散系数,τ为载流子寿命。当增加超过临界值时,将有机会将释放的光子重新吸收到设备中。

当二极管正偏连接时,载流子获得足够的能量以超越PN结存在的势垒。当正向偏压作用时,P型和N型上的少数载流子都被注入结并与多数载流子重组。这种多数载流子和少数载流子的复合可以是辐射的,也可以是非辐射的。辐射复合产生光,非辐射复合产生热。

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。材料可以是晶相或高分子分子。它具有结构薄、成本低、驱动电压低、辐射模式好、辐射亮度高、对比度和强度大等优点。

发光二极管颜色

与正常半导体相比,用于切换电路,整流器和由锗半导体材料制成的转换电路,整流器和功率电子电路的信号二极管,发光二极管是由化合物半导体材料制成的,例如砷化镓,砷化镓磷化铝,硅碳化物和氮化镓含量以不同的比例混合在一起以产生独特的独特波长的颜色。

不同的半导体化合物在可见光光谱的明确区域发光,因此它们产生不同的强度水平。用于制造LED的半导体材料的选择将确定光子发射的波长和发射光的所得颜色。

辐射模式

它被定义为光发射相对于发射表面的角度。最大的功率、强度或能量将在与表面发射垂直的方向上获得。光线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
铝镓铟磷化
磷化镓
橙色
590 - 610.
2.0 - 2.1
砷化镓磷化
铝镓铟磷化
磷化镓
黄色的
570 - 590
2.1–2.2
砷化镓磷化
铝镓铟磷化
磷化镓
绿色
500 - 570
1.9 - 4.0
磷化镓铟
铝镓铟磷化
铝磷化镓
氮化铟镓
蓝色的
450 - 500.
2.5–3.7
硒锌
氮化铟镓
碳化硅
紫罗兰色的
400 - 450
2.8–4.0
氮化镓铟
紫色的
多种类型
2.4 - 3.7
双蓝/红色LED
蓝色和红色荧光粉
白色与紫色塑料
紫外线
< 400
3.1–4.4
钻石
氮化硼
氮化铝
氮化镓铝
铝镓铟氮化
粉色的
多种类型
3.3
蓝色与荧光粉
黄色,红色,橙色或粉红色的菲尔科
白色配粉色颜料
白色
广谱
3.5
蓝色/紫外二极管与黄色荧光粉

LED发出的光的颜色不是由封装LED的塑料体的颜色决定的。封闭是用来增强光发射和表明它的颜色时,它不是由电力供应。近年来,蓝色和白色led也可以使用,但由于在半导体化合物中以精确的比例混合两种或更多互补色的生产成本,它们比普通的标准颜色led更贵。

光源的一般特性

驱动电流VS光输出

对于较高的正向驱动电流,半导体PN结的温度由于相当大的功率耗散而升高。这种结处温度的上升导致了辐射复合效率的降低。因此,电流密度进一步增加;内串联电阻会降低任何光源的发光效率。

量子效率

任何光源的量子效率被定义为辐射重组率的比率,其发光至全重组率,并给出:

η= Rr / Rt

开关速度

光源的开关速度类似于光源被应用的电源打开和关闭的速度,从而产生相应的光输出模式。led的开关速度比一般的激光二极管慢。

光谱波长

峰值光谱波长被定义为产生最大光强度的波长。它由LED制造中使用的半导体材料的能带隙确定。

光谱宽度

光源的光谱宽度定义为光源发出光的波长范围。光源必须在较窄的光谱宽度内发出光。

LED I-V特性

在从任何发光二极管发射光之前,需要具有电流以流过它,因为LED是电流相关的装置,其输出光强度与通过LED的前电流成正比。

发光二极管必须在电源上以正向偏置组合连接,并且应该通过使用串联连接的电阻来保护它,以保护其免受电流的电流限制。LED不应直接连接到电池或电源,因为过量的电流将流过它,并且LED可能会损坏。

每个LED沿PN结都有自己的正向压降,这个参数是由制造LED所用的半导体材料决定的,用于特定数量的正向传导电流,通常为20mA左右。

在低正向电压下,二极管的驱动电流主要由非辐射复合电流控制,这是由于LED芯片长度上的载流子的复合。在较高正向电压下,二极管驱动电流由辐射扩散电流控制。

即使在比通常的电压越大,二极管电流也受到串联电阻的限制。由于可能发生二极管的永久性损坏,二极管永远不应达到短时间内的反向击穿电压。下图显示了不同颜色LED的I-V特性。

LED I-V特性

LED系列电阻计算

发光二极管在与电阻串联串联连接时效果效果良好,结果通过电源电压两端提供LED所需的正向电流。可以使用以下公式计算串联电阻器的电阻值。通常,正常LED的前部电流被认为是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大小、不同颜色和不同光输出强度的led可供选择。砷化镓磷化红色Led是最常用的Led,直径为5毫米,生产成本非常低。发光二极管与多种颜色发射目前正在制造,他们可以在许多封装,其中大多数是两个到三个led在一个单一封装。

双色发光二极管

使用单电路的两个LED浅色颜色

双色发光二极管是一种类似于单色发光二极管的类型,只是在封装中附加了一个LED芯片。双色led可以有两个或三个引线用于连接;这取决于所使用的方法。一般来说,两个LED引线是反向并联连接的。一个LED的阳极与另一个LED的阴极相连,反之亦然。当供电给任何一个阳极时,只有一个LED会发光。我们也可以在高速动态切换的同时打开两个led。

三色发光二极管

通常,三个引线LED具有共同的阴极引线,其中另外两个LED芯片两者都在内部连接。必须打开一个或两个LED,有必要将公共阴极连接到地面。电流限制电阻连接到两个阳极,用于单独控制电流。

发光二极管基础RGB LED

对于单色或双色LED照明,必须单独或同时将电源连接到任何一个阳极。这些三加仑的LED包括连接到相同阴极的单个红色和绿色LED芯片。这种类型的二极管通过在不同的正向电流比例的不同比率下切换两个LED来产生额外的原色色调。

LED驱动电路

组合电路或顺序电路的集成电路可用于驱动发光二极管。可以使用集成电路打开或关闭发光二极管。TTL或CMOS逻辑门的输出级可用于以两种配置方式驱动发光二极管作为开关。它们是配置的源头和沉没模式。

集成电路在汇聚模式配置下的输出电流约为50毫安,在源模式配置下的正向电流约为30毫安。然而,由发光二极管驱动的电流应受串联电阻的限制。

驾驶LED电路

使用晶体管驱动LED

代替使用集成电路,可以通过使用诸如双极PNP和NPN晶体管的离散组件来驱动LED。离散组件可以用于驱动多于一个LED的LED阵列结构。

较少的应用程序仅使用单个LED运行。结晶体管用于驱动多个发光二极管的电流,使得由LED驱动的前进电流约为10-20mA。如果NPN晶体管用于驱动LED,则串联电阻用作电流源。如果在驱动LED中使用PNP晶体管,则串联电阻用作电流槽。

晶体管驱动LED

屏幕,街灯或荧光灯或白炽灯的替代品如背光阵列,大多数应用需要多个LED。通常,驱动多个单独的LED并联导致LED之间的非均匀电流共享;即便如此,所有LED都被评为相同的正向电压降。

如果单个LED无法驱动串联的LED,可以通过在每个串联的单个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,因为如果它们必须在失败的LED周围运行,它们耗电量更少。

在并行组合的情况下包括每个弦的单独驱动器的单独驱动器比使用具有适当输出容量的少数驱动器更昂贵。

使用PWM控制LED光强度

LED发出的光的强度由流过它的电流控制。当通过它的电流变化时,可以控制光的亮度。如果允许通过二极管的电流很大,那么LED灯就会比平时发出更好的光。

如果电流超过其最大值,光强度进一步增加,导致LED散热。设计LED的正向电流限制为10 ~ 40ma。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,一个被称为脉冲宽度调制的过程被用来根据所需的光强度反复打开LED ON和OFF。线性控制装置以热量的形式消耗多余的能量,结果是提供所需的功率,使用PWM驱动器,因为他们根本不提供功率。

首先要将PWM脉冲注入LED电路,首先需要PWM振荡器。有不同数量的PWM发电机。

使用PWM控制LED光强度

LED显示屏

单色,双色,多色和几个其他发光二极管合并为单个封装。它们可以用作背部亮度,条带和条形图。数字显示设备的一个基本要求是可视化数字显示。在七个段显示器中可以看到这种单个LED包装封装的常见示例。

7段显示器,顾名思义,它由单个显示包中的7个led组成。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。7段显示器通常有8种输入连接组合,一个用于每个LED,其余的一个是所有内部LED的公共连接点。

如果所有led的阴极都连接在一起,并应用一个逻辑高信号,那么各个部分都被照亮。以同样的方式,如果所有led的阳极连接在一起,通过应用一个逻辑低信号,然后各个片段被照亮。

共阳极七段显示

LED的优点、缺点和应用

好处

  • 小芯片尺寸和低成本
  • 寿命长
  • 高能量效率
  • 低的温度
  • 设计的灵活性
  • 很多颜色
  • 环保的
  • 高开关速度
  • 高的发光强度
  • 旨在将其光聚焦在特定方向上
  • 受损害影响的影响
  • 更少的辐射热量
  • 更耐热冲击和振动
  • 没有紫外线

缺点

  • 环境温度依赖性辐射输出功率和LED波长。
  • 对过电压和/或过电流的损伤敏感。
  • 理论总效率只有在特殊的冷却或脉冲条件下才能实现。

应用程序

  • 在汽车和自行车灯
  • 在交通指示灯指示灯,标志和信号
  • 在数据显示板中
  • 在医疗应用和玩具
  • 非视觉应用程序
  • 在灯泡和更多
  • 遥控器

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