基礎(chǔ)知識之LED（發(fā)光二極管)

LED是被稱為“發(fā)光二極管”的半導(dǎo)體，名稱取至 “Light Emitting Diode” 的首字母。 1993年基于氮化鎵制造出的高亮度藍(lán)色LED實(shí)現(xiàn)商用化，隨之制造出白色LED，該白色LED作為第4照明光源備受注目。

LED是由電子（帶負(fù)電）多的N (-：negative) 型半導(dǎo)體和空穴（帶正電）多的P (+： positive) 型半導(dǎo)體結(jié)合而成。 該半導(dǎo)體施加正向電壓時(shí)，電子和空穴就會移動并在結(jié)合部再次結(jié)合，正是再結(jié)合的能量轉(zhuǎn)變成光而發(fā)出。 與先將電能轉(zhuǎn)換為熱能，再轉(zhuǎn)換為光能的以往光源相比，因?yàn)槟軌蛑苯訉㈦娔苻D(zhuǎn)換為光能，所以能夠不浪費(fèi)光能，高效率地獲得光。

LED有兩種類型燈泡型（引線型）和芯片型（表面貼裝型），可根據(jù)用途選擇適合的類型。

LED根據(jù)不同的使用材料，發(fā)出不同的發(fā)光顏色（發(fā)光波長）。 交通信號、汽車停車燈等具有官方標(biāo)準(zhǔn)的特定用途，多數(shù)情況被標(biāo)準(zhǔn)化為燈泡光源規(guī)格，因此需要選擇符合該波長規(guī)格的LED。 波長的標(biāo)準(zhǔn)有兩種類型λP（峰值波長）和λD（主波長），λD相當(dāng)于實(shí)際人眼看到的顏色。（λ=讀拉姆達(dá)）

LED獲得白色光的方法有多種。這里只介紹代表性的發(fā)光方法。

藍(lán)色LED與其輔助色即黃色熒光體組合，獲得白色光。 該方式與其他方式相比，結(jié)構(gòu)簡單、效率高，因此目前已成為主流。

光的三基色LED組合，獲得白色光。 該方式比起照明用途，更多的用于全彩LED顯示設(shè)備。

何謂7段LED？

7段LED是專門用于數(shù)字顯示的數(shù)字顯示模塊。 因?yàn)?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/發(fā)光二極管">發(fā)光二極管（LED）放置在要顯示的數(shù)字形狀部位，所以具有良好的可視性。

也被稱為“LED數(shù)字顯示器”。

7段LED每個(gè)部位的名稱如下。

• 發(fā)光部（a～g）：段（Seg）
• 點(diǎn)發(fā)光部：小數(shù)點(diǎn)（D.P）
• a～g的7段總稱：數(shù)字（Dig）

LED顯示器有兩種電路：共陽極和共陰極。

• 共陽極：公共引腳（common）為陽極
• 共陰極：公共引腳（common）為陰極

表示從特定方向觀測到的亮度。單位為cd（坎德拉）。 比較光強(qiáng)時(shí)需要特別注意指向角。光強(qiáng)是指單位立體角內(nèi)發(fā)出的光通量。 透鏡作為LED封裝的組成部分可以向特定方向集中光輸出（用透鏡集光），即使光輸出小也能集光，因此光強(qiáng)變大。 比較技術(shù)資料時(shí)，需要根據(jù)指向角和光強(qiáng)進(jìn)行判斷。

指從光源發(fā)射出來的全部光量。單位為lm（流明）。

指LED發(fā)出的光譜輸出值最高的波長，單位為nm（納米）。 設(shè)計(jì)LED時(shí)采用峰值波長進(jìn)行設(shè)計(jì)，但實(shí)際用人眼比較波長時(shí)使用主波長進(jìn)行比較。

LED一般用波長表示顏色。主波長相當(dāng)于眼睛看到的顏色所對應(yīng)的波長，與發(fā)光波長的峰值波長有差異。 單位為nm（納米）。

L指用二維正交坐標(biāo)系表示LED發(fā)光顏色的刺激值，一般使用x y坐標(biāo)系。

表示LED光輻射的范圍。單位為 “度” 。 將封裝傾斜觀察光輸出時(shí)，用于判斷從輸出的極限值位置能觀測多大角度。將輸出達(dá)到峰值一半時(shí)的角度乘以2倍（從正面看時(shí)相當(dāng)于左右端）的值叫做指向角。

指有正向電流流過時(shí)，陽極與陰極之間產(chǎn)生的電壓。單位為V（伏特）。

指陽極、陰極間施加反向電壓時(shí)產(chǎn)生的漏電流。 單位為A（安培）。

LED特性根據(jù)周圍溫度及LED發(fā)熱在內(nèi)的芯片溫度（Tj：發(fā)光部的結(jié)溫）發(fā)生變化。 以下針對代表性的特性變化進(jìn)行說明。

LED的Tj上升，則光通量變少。 這是因?yàn)樽璧K發(fā)光的電子和空穴再結(jié)合運(yùn)動增加了。

與光強(qiáng)變化相同，溫度變化引起發(fā)光波長發(fā)生變化。 主要是溫度變化引起半導(dǎo)體的禁帶寬度發(fā)生變化，所以波長發(fā)生變化。 波長變化量因材料不同有差異，InGaAlP系LED隨溫度上升時(shí)，λd有0.1nm/°C的變動，向長波長側(cè)變化。 針對波長規(guī)格嚴(yán)格的用途，需要探討在整機(jī)的工作保證溫度范圍內(nèi)波長的變化。

除特殊情況，VF的變化與發(fā)光波長相同，因半導(dǎo)體的禁帶寬度變化而變化。 隨著溫度上升，VF會以2mV/°C的數(shù)值下降。 VF的變化在電路設(shè)計(jì)上是重要的要素。 LED恒流工作時(shí)，VF變化作為電路常數(shù)問題不大，但LED在恒壓工作或接近恒壓時(shí)，隨溫度上升VF下降，電流增加。 電流增加，則Tj變高，VF下降，直到達(dá)到平衡狀態(tài)為止，電流會一直增加。 相反溫度變低，則VF變高，電流減少，有可能恒壓工作時(shí)得不到所需的光強(qiáng)。

LED在制造階段就具有特性值分布，即所謂的偏差。 因此對光強(qiáng)等級、電氣特性規(guī)定了最小值等。 進(jìn)行光學(xué)設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮偏差。 例如，VF隨溫度變化之前，在特定分布中已存在偏差。 當(dāng)沒有設(shè)計(jì)裕量時(shí)，針對VF偏差大的產(chǎn)品，需要探討溫度變化時(shí)是否能得到所需的特性。 根據(jù)電路特性、整機(jī)特性，有時(shí)需要將LED特性值的偏差幅度縮小。 此時(shí)，需要探討引進(jìn)特殊規(guī)格，及判斷是否能對應(yīng)此規(guī)格。

當(dāng)電流沿LED正向流動時(shí)，正極和負(fù)極間產(chǎn)生的電壓稱為正向電壓（VF）。單位為V（伏特）。 數(shù)據(jù)表等資料中刊登了相對于電流的正向電壓的特性曲線圖<正向電流（IF）-正向電壓（VF）特性>。 在實(shí)際探討LED照明電路時(shí)，這個(gè)特性是最為重要的考慮項(xiàng)目。

正向電流（IF）-正向電壓（VF）特性隨LED元件的材料、尺寸以及發(fā)光顏色的不同而不同。而且隨環(huán)境溫度變化。此外，還具有半導(dǎo)體特有的特征值分布，即所謂的偏差。 當(dāng)LED恒流驅(qū)動時(shí)，正向電壓（VF）的變化不構(gòu)成大的問題，但在恒壓驅(qū)動的情況下，需要考慮電壓變化和偏差。

【串聯(lián)照明電路】

當(dāng)LED以恒壓驅(qū)動方式串聯(lián)點(diǎn)亮?xí)r，通常如下圖所示，電路中包含與LED串聯(lián)的電阻，用于控制電流。

以這個(gè)電路為例，首先根據(jù)正向電流（IF）-正向電壓（VF）特性，讀取亮燈時(shí)LED的正向電流（IF）和正向電壓（VF）值。 將數(shù)值代入上式，計(jì)算出R（電流控制電阻）值。

【并聯(lián)照明電路】

將LED以恒壓驅(qū)動方式并列排列時(shí)，建議給每列LED加入控制電阻。

LED的正向電流（IF）-正向電壓（VF）特性取決于元件的材料和發(fā)光顏色。即使具有相同的材料和發(fā)光顏色，也存在半導(dǎo)體特有的個(gè)體偏差。

如下圖所示，當(dāng)LED①和LED②的正向電壓（VF）值不同時(shí)，如果用一個(gè)電阻控制電流，則難以控制每個(gè)LED的電流（IF1和IF2）。 每個(gè)LED連一個(gè)電阻，可以設(shè)置每個(gè)LED的電流（IF1或IF2），因此更容易自由設(shè)定，例如均衡電流值、抑制亮度偏差。另外，通過加大輸入電壓（Vin），增加電阻兩邊的電壓，還可以減少偏差。