发光二极管基础知识

发光二极管或简单的LED是现在最常用的光源之一。无论是您的汽车的车灯(或日间运行灯)还是您家的客厅灯,LED的应用是无数的。

与传统的灯丝灯泡(几乎)不同,led(和荧光灯)需要特殊的电路才能工作。它们被简单地称为LED驱动器(或者荧光灯的镇流器)。

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"引领- - - - - -em.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侧连接到电源和N侧到地时,则据说连接处于向前偏置,这允许电流流过二极管。P侧和N侧的大多数和少数抗电荷载体彼此相结合,并在PN结处中和耗尽层中的电荷载体。

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。

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中选择发射颜色是相当有限的。LED常用的颜色有红、绿、蓝、黄、琥珀和白色。

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

可见光LED主要用于开关,光学显示器和照明目的,而无需使用任何照片传感器。在包括光学开关,分析和光学通信等的应用中使用隐形LED,使用照片传感器。

功效

在发光功效方面确定发光二极管的额定值。它定义为光通量与提供给二极管的电输入功率的比率,并且它可以在每瓦的流明中表达。光通量表示眼睛对不同波长的光的响应。

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

LED建筑

发光二极管的结构和构造与常规半导体信号二极管的结构和结构很大。当其PN结偏向时,光线将从LED发出。PN结用透明的固体和塑料环氧树脂半球形壳体覆盖,可保护LED免受大气干扰,振动和热冲击。PN结用砷化镓,砷化镓磷化镓,磷化镓,镓铟,氮化铝,碳化铝等的最低带隙材料形成。

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,额外的少数载流子电子移动到结构的顶部,重新结合并在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表面的角度。将在垂直方向上与表面发射在垂直方向上获得最大功率,强度或能量。发光角度取决于所发射的颜色,通常在约80°至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
砷化镓磷化物
铝镓铟磷化
磷化镓
橙色
590 - 610
2.0 - 2.1
砷化镓磷化物
铝镓铟磷化
磷化镓
黄色的
570 - 590
2.1–2.2
砷化镓磷化物
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
蓝色与红磷光体
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
粉红色的
多种类型
3.3
蓝色与磷
黄色与红色,橙色或粉红色磷
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。

光源的一般特征

驱动电流Vs光输出

对于前向驱动电流的高值,由于相当大的功率耗散,半导体的PN结的温度增加。结射在结射重组的效率降低导致这种类型的温度升高导致辐射重组的效率降低。结果,电流的密度进一步增加;内部串联电阻趋于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出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

光谱峰值波长定义为产生最大光强度的波长。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是一个电流依赖的器件,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压组合的电源,它应该通过使用电阻串联连接的电流限制,以保护它从过剩的电流流。LED不应该直接连接到电池或电源,因为过量的电流会流过它,LED可能会损坏。

每个LED沿PN结具有其自身的正向电压降,并且该参数由用于制造LED的用于指定量的正向传导电流的半导体材料来确定,通常用于大约20mA的正向电流。

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。

导致电流-电压特性

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

采用单电路的两种LED光色

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。

推动了电路

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。

很少有应用程序只使用一个LED来实现功能。结型晶体管用于驱动电流通过多个发光二极管,这样LED驱动的正向电流约为10 - 20 mA。如果使用NPN晶体管驱动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。

晶体管驱动发光二极管

应用如背光屏幕阵列,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。一般来说,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额定为相同的正向电压降。

如果单个LED在驱动SED时,通过在串联的每个单个LED上提供平行的齐纳二极管或硅控制整流器(SCR),可以克服串联的LED。SCR是智能选择,因为如果它们必须在失败的LED周围执行较少的电源,则它们会耗尽较少的功率。

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。

利用PWM控制LED光强

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。

使用PWM控制LED光强度

LED显示屏

单色、双色、多色及其它几种发光二极管组合成一个封装。它们可以用作背光源,条形图和柱状图。数字显示设备的一个基本要求是可视化数字显示。这种由几个led组成的单一封装的常见例子可以在7段显示器中看到。

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

优势

  • 小芯片尺寸和低成本
  • 寿命长
  • 高能源效率
  • 低的温度
  • 设计的灵活性
  • 许多颜色
  • 环保的
  • 高开关速度
  • 高的发光强度
  • 设计用来将光线聚焦到特定方向
  • 较少受损害影响
  • 更少的辐射热量
  • 更能抵抗热冲击和振动
  • 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。
  • 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

  • 在机动车和自行车灯
  • 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
  • 在灯泡和其他很多东西里
  • 遥控器

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