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发光二极管基础知识

发光二极管(简称LED)是当今最常用的光源之一。无论是你的汽车前灯(或白天的行车灯)还是你家里的客厅灯,led的应用是数不胜数的。

与(几乎)传统的灯丝灯泡不同,led(和荧光灯)需要一个特殊的电路才能工作。它们被简单地称为LED驱动器(或在荧光灯情况下的镇流器)。

由于led在我们的生活中是不可避免的,这是一个好主意,有兴趣的人(工程师,驱动器设计师等)了解发光二极管的基础知识。本文构成了对LED的简要理解指南,其中包括LED的电气符号、类型、结构、特点、LED驱动等诸多内容。

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

简介

在各种应用中广泛使用的两个最重要的半导体光源是激光二极管和LED。激光二极管的工作原理是基于受激发射,而LED是基于自发发射。

发光二极管是最常见的杰出光源可用电子元件.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是一种光电器件,它能轻易地将电流转化为照明(或光)。LED的面积通常非常小,在设计其辐射图时可能使用许多集成的光学元件。它的主要优点是制造成本低,使用寿命比激光二极管长。

发光二极管由半导体的两个主要元素组成。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端连接到电源,N端连接到地面时,这种连接被称为正向偏置,它允许电流流过二极管。P侧和N侧的大部分和少数载流子相互结合,中和PN结损耗层的载流子。

电子和空穴的迁移依次释放出一定数量的光子,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狭窄。

一般来说,它可以指定为电磁波谱中某一特定波长范围。由于制造中使用的半导体的性质,从LED发射颜色的选择是相当有限的。常用的LED颜色有红、绿、蓝、黄、琥珀和白色。

来自红、蓝、绿三种颜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在1.8伏左右。发光二极管的实际工作电压范围可以由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隙带结构不同,所以发射出的光子数量不同,频率也不同。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,因此可以观察到所需的颜色,在可见范围内提供输出。

电子手段可以以多种方式产生和控制光。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,类似于激光二极管。

类型的发光二极管

发光二极管可以大致分为两大类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,光学显示器和照明目的,而不使用任何照片传感器。不可见的led可用于光开关、分析和光通信等应用,使用光传感器。

功效

发光二极管的等级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输入电功率的比值,可以用流明每瓦表示。光通量代表眼睛对不同波长光的反应。

颜色
波长(nm)
典型的功效(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

领导的建设

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结向前偏压时,LED会发出光。PN结被透明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结是使用最低带隙材料形成的,如砷化镓,砷化镓磷化,磷化镓,氮化镓铟,氮化镓铝,碳化硅等。

实际上,LED结并不会发出大量的光,所以环氧树脂主体的结构是这样的:结发出的光子从周围的基底反射出去,通过LED的圆顶顶部聚焦,而LED本身就像一个透镜,集中了大量的光。

这就是为什么发光二极管顶部发出的光看起来最亮的原因。

发光二极管的结构“,

通常,发光二极管发出红色的光是建立在砷化镓衬底上,而发光二极管发出绿色/黄色/橙色的光是虚构在磷化镓衬底上。对于红色发光,N型层掺杂碲(Te), P型层掺杂锌。接触层分别在P面使用铝和N面使用铝锡。

led的设计是为了确保大部分载流子的重组通过以下方式发生在PN结的表面。

  • 通过增加衬底掺杂浓度,增加的少数载流子电子移动到结构顶部,重组并在LED表面发光。
  • 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。当增加到超过临界值时,释放的光子将有机会被重新吸收到设备中。

当二极管以正向偏压连接时,载流子获得足够的能量来超越存在于PN结的势垒。每当施加正向偏压时,P型和N型上的少数载流子都被注入过结并与多数载流子复合。这种多数载流子和少数载流子的复合可能是辐射的或非辐射的。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的复合半导体材料本质上是有机的。有机半导体材料由于共轭电子在分子的某些部分或整个分子中具有导电性;因此,它是一种有机半导体。该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,辐射模式好,亮度高,对比度和强度最大的优点。

发光二极管颜色

与普通半导体相比,用于开关电路、整流器和电力电子电路的信号二极管由硅或锗半导体材料制成,发光二极管由复合半导体材料制成,如砷化镓、砷化镓磷化镓、碳化硅和氮化镓铟以不同的比例混合在一起,产生独特的颜色波长。

不同的半导体化合物在可见光光谱的特定区域发出光,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。光的发射角度取决于被发射的颜色,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
磷化铟镓
铝镓铟磷化
铝磷化镓
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
紫色的
多种类型
2.4–3.7
双蓝色/红色发光二极管
蓝色配红色荧光粉
白色配紫色塑料
紫外线
< 400
3.1–4.4
钻石
氮化硼
氮化铝
氮化镓铝
铝,镓,氮化铟
粉红色的
多种类型
3.3
蓝色与磷
黄色含红色、橙色或粉色磷光
白中带粉
白色
广谱
3.5
蓝色/紫外线二极管与黄色荧光粉

发光二极管发出的光的颜色不是由封装发光二极管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,它不是由电力驱动。近年来,也有蓝色和白色的led,但由于在半导体化合物中以精确的比例混合两种或两种以上互补色的生产成本,这比正常的标准彩色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值,半导体PN结的温度由于相当大的功率损耗而升高。这种类型的温度上升在结导致辐射复合的效率下降。结果,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

任何光源的量子效率定义为发出光的辐射复合率与总复合率之比,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的光输出模式的速度。led的开关速度比通常的激光二极管慢。

光谱波长

峰值光谱波长定义为产生最大光强的波长。它是由用于LED制造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出光的波长范围。光源必须在较窄的光谱宽度内发出光。

导致电流-电压特性

在从任何发光二极管发出光之前,它需要有电流流过它,因为LED是一个电流依赖设备,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电源的正向偏置组合中,它应该通过使用串联连接的电阻来限制电流,以保护它免受过多的电流流动。LED不应该直接连接到电池或电源,因为过多的电流会流过它,LED可能损坏。

每个LED沿PN结都有自己的正向压降,该参数由制造LED时所使用的半导体材料决定,其正向导通电流通常为20mA左右。

在低正向电压下,二极管的驱动电流由非辐射重组电流主导,这是由于LED芯片长度上载流子的重组。在较高的正向电压下,二极管的驱动电流由辐射扩散电流主导。

即使在比通常电压更大的电压下,二极管电流也会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,因为二极管可能发生永久性损伤。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所需的正向电流由组合上的电源电压提供。串联电阻的电阻值可用下式计算。通常一个正常LED的正向电流被认为是20mA。

LED系列电阻器电路

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。直径5毫米的砷化镓磷化红色Led是最常用的Led,生产成本非常低。多色发光二极管目前正在生产,它们有许多封装,其中大多数是两个到三个led在一个封装中。

双色发光二极管

两种LED光色采用单电路

双色发光二极管是一种类似于单色LED的LED,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;这取决于使用的方法。一般来说,两个LED引线以反向并联的方式连接。一个LED的阳极连接到另一个LED的阴极,反之亦然。当给任何一个阳极供电时,只有一个LED发光。我们也可以通过高速动态切换同时打开两个led。

三色发光二极管

通常三个引线LED有共同的阴极引线,其他两个LED芯片在内部连接。一个或两个led必须打开,这是必要的连接公共阴极到地面。限流电阻连接到两个阳极,分别控制电流。

发光二极管基础RGB LED

对于单色或双色LED照明,必须将电源单独或同时连接到任何一个阳极。这些三色LED由连接到同一阴极的单个红色和绿色LED芯片组成。这种类型的二极管通过打开两个led以不同的正向电流比例产生额外的原色深浅。

LED驱动电路

集成电路(组合电路或顺序电路)可用于驱动发光二极管。发光二极管可以通过集成电路进行开关。TTL或CMOS逻辑门的输出级可用于在两种配置模式下驱动发光二极管作为开关。它们是配置的源模式和汇聚模式。

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

推动了电路

使用晶体管驱动LED

而不是使用集成电路,led可以通过使用离散组件,如双极PNP和NPN晶体管驱动。离散组件可以用于驱动多个LED,就像大型LED阵列结构一样。

很少有应用程序只使用一个LED来工作。用结晶体管驱动多个发光二极管之间的电流,使LED驱动的正向电流约为10 - 20毫安。如果NPN晶体管用于驱动LED,则串联电阻充当电流源。如果PNP晶体管用于驱动led,则串联电阻充当电流汇聚器。

晶体管驱动发光二极管

应用如背光阵列屏幕,路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。通常,并行驱动多个led会导致led之间的电流共享不均匀;即便如此,所有led的正向压降也是相同的。

如果单个LED无法在串联中驱动LED,可以通过在每个串联LED之间提供并行齐纳二极管或可控硅整流器(SCRs)来克服。可控硅是一个明智的选择,因为如果他们必须在失败的LED周围进行,他们会消耗更少的能量。

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容量的驱动程序成本更高。

用PWM控制LED光强

LED发出的光的强度是由流过它的电流控制的。当穿过它的电流变化时,光的亮度可以被控制。如果允许大量电流通过二极管,LED灯的发光效果比通常的要好得多。

如果电流超过它的最大值,光的强度进一步增加,导致LED散热。为设计LED设置的正向电流限制范围约为10至40毫安。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,一个称为脉冲宽度调制的过程被用于根据所需的光强度反复打开和关闭LED。线性控制设备以热的形式消耗多余的能量,结果是提供所需的功率,PWM驱动器被使用,因为它们根本不提供功率。

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

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单一的封装。它们可以用作背面照明,条形图和柱状图。数字显示设备的一个基本要求是直观的数字显示。这种单一封装的几个led的常见例子是在七段显示器中看到的。

七段显示器,顾名思义,它由单个显示包中的七个led组成。它可以用来显示信息。

所述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个组合的输入连接,一个用于每个LED,剩下的一个是所有内部LED的公共连接点。

如果所有led的阴极连接在一起,并通过应用一个逻辑高信号,然后单独的段被照亮。以同样的方式,如果所有led的阳极连接在一起,并通过应用一个逻辑低信号,然后单独的段被照亮。

共阳极七段显示器

LED的优点,缺点和应用

优势

  • 芯片尺寸小,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
  • 用来将光线聚焦到特定方向
  • 受损害影响较小
  • 更少的辐射热量
  • 更耐热冲击和振动
  • 没有紫外线

缺点

  • 环境温度对LED辐射输出功率和波长的依赖性。
  • 对过高电压和/或过高电流的损坏敏感。
  • 理论上的总体效率只有在特殊的冷却或脉冲条件下才能达到。

应用程序

  • 在机动车辆和自行车灯上
  • 交通灯中的指示灯、标志和信号
  • 在数据显示板中
  • 在医疗应用和玩具领域
  • 非视觉应用程序
  • 在灯泡和更多的东西
  • 遥控器

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