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  • 元器件科普:LED发光二极管
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1 、简述

发光二极管(名称取至 "Light Emitting Diode" 的首字母,简称LED)是一种能将电能转化为光能的半导体电子元件,其电气符号如下图(1)所示,图中带发射状的表示LED,通常该正极(阳极)引脚用A表示,而负极(阴极)引脚用K表示。发光二极管这种电子元件早在1962年出现,早期只能发出低光度的红光,之后发展出其他单色光的版本,时至今日能发出的光已遍及可见光、红外线及紫外线,光度也提高到相当的光度。目前,发光二极管已被广泛地应用于室内外LED照明、LED显示屏、交通信号灯、汽车用灯、TFT LCD显示屏的背光源、灯饰、光纤通信等等。

 

2 、发光原理

LED与普通二极管一样是由一个PN结组成,也具有单向导电性,只是LED可以发光!如图(2)所示,其发光原理可描述为: 电子(带负电)多的N (-:negative) 型半导体和空穴(带正电)多的P (+: positive) 型半导体结合而成。该半导体施加正向电压时,电子和空穴就会移动并在结合部再次结合,正是在结合的过程中产生大量的能量,而这些能量以光的形式释放出来,这就是其发光的奥秘。与先将电能转换为热能,再转换为光能的以往光源相比(如: 早期爱迪生发明的白炽灯),因为LED能够直接将电能转换为光能,所以能够不浪费光能,高效率地获得光。

 

3、LED的结构

下面,我们以常见的一个LED白灯为例子,说明一下LED的结构。如图(3)所示,该LED主要由以下几个部分构成:

芯片(作用:光源发光)

支架:包括衬底及散热基座、引脚等(作用:散热、导电)

金线(作用:导电)

透明树脂(作用:保护晶粒、透光)

  

4、LED的种类

根据LED的不同封装、发光面和特性的不同,LED可大致分成下面的几个类型:

4.1 插件型LED

如下图(4),需要指出的是: 插件型LED除了常见的2个腿的单色型LED,还包括3个引脚的双色型LED,此外还有4个引脚的RGB全彩LED。

4.2 贴片型LED

如下图(5)所示,通常贴片型SMD的LED分为0402、0603、0805、1206等等封装,颜色有单色、双色和RGB全彩。

 

4.3 高功率LED

如下图(6)所示,这种LED通常是照明用途的,而且多数是发白色光的LED,功率可达数瓦以上。

 

4.4 LED 数码管

如下图(7)所示,通过将多个LED作成各个字段,组成特点的字母或组合,可以显示0~9或米字型(可显示英文字符)或Bar条段型用于指示进度或比例。

 

4.5 LED点阵屏

如下图(8)所示,将LED组成矩阵式,可显示中英文字母,如厂家的LED显示屏就是由这些点阵屏模组组合出来的。按颜色,可以是单色、双色或RGB全彩。

 

 4.6 “智能”LED

如下图(9)所示,这种类型的LED不仅内含LED灯芯,还内置了控制电路IC,能实现特定的功能,如闪烁Flash 或者总线寻址控制各个点的颜色等等,代表型号如 :WS2812、WS2811等等。 

 

4.7 特殊LED

如下图(10)所示,这种LED之所以特殊,是因为它可发出人类眼睛不可视的灯光,如红外线、紫外线等等。日常生活中,我们所使用的遥控器就是这种LED灯。

 

 

5、LED的主要参数

5.1正向电压VF

指有正向电流流过时,阳极A与阴极K之间产生的电压。单位为V(伏特)。在正向电压正小于某一值(叫阈值)时,电流极小,不发光。当电压超过某一值后,正向电流随电压迅速增加、发光。而超过了正常工作电压,LED可能被击穿。通常,不同发光颜色的LED,其正常的正向电压也不同,如红灯通常是1.8~2.0V 之间,而蓝灯和白灯在2.8~3.3V之间。

5.2正向电流 IF

指有正向电流流过时,阳极A与阴极K之间产生的电流。单位为A(安培)。通常,LED的正向电流应控制在20mA以内,过大的电流容易导致LED的P、N之间的结点温度Tj过高而导致LED损坏或减少使用寿命。另外,LED 如同普通二极管一样,在电压增加时,电流会有很大程度的上升,所以一般LED发光二极管都串接有保护电阻

5.3发光强度 IV

表示从特定方向观测到的亮度。单位cd(坎德拉,对应的更小单位是毫坎德拉, 即mcd),一单位立体角内发出一流明的光称为一坎德拉。比较光强时需要特别注意指向角。光强是指单位立体角内发出的光通量。透镜作为LED封装的组成部分可以向特定方向集中光输出(用透镜集光),即使光输出小也能集光,因此光强变大。需要特别指出的是,IV值通常需要指定该LED是在多大的正向电流IF下测量到的。

5.4 光通量 Φv [lm]

是指从光源发射出来的全部光量。单位为lm(流明)。

5.5 主波长 λD[nm] 

LED一般用波长表示颜色。主波长相当于眼睛看到的颜色所对应的波长,与发光波长的峰值波长有差异,单位为nm(纳米)。

以下是各种发光颜色LED的波长参数:

■紫:400~435nm

■蓝:435~480nm

■蓝绿:480~500nm

■绿:500~560nm

■黄绿:560~580nm

■黄:580~595nm

■橙:595~610nm

■红:610~760nm

■白,通常用下面的色坐标来表示。或者简单用暖白、正白、冷白表示。

※备注: 以上波长范围、颜色标记根据文献不同略有差异。

有趣和奇妙的是,传统发光二极管所使用的无机半导体物料和所它们发光的颜色有关,如下图所示:

 

5.5色度坐标 x, y

它指用二维正交坐标系()x和y)表示LED发光颜色的实际值,如下图(11)所示:

 

5.6 色温

色温是指当光源所发出的光的颜色与黑体在某一温度下辐射的颜色相同时,黑体的温度就称为该光源的色温。色温越低,颜色越偏向橙色,色温越高,颜色越偏向蓝色。

 

5.7发光视角

在发光强度分布图形(图12)中,发光强度等于最大强度一半构成的角度称为半值角。芯片的厚度、封装模条的外形尺寸、支架反射杯的深度以及支架在模腔中的插入深度都对半值角的大小有直接影响。制造中,可以根据客户要求,通过选取不同的材料及选用不同的封装尺寸来得到不同大小的半值角。

 

从发光强度角分布图来分有三类:

A高指向性:

一般为尖头环氧封装,或是带金属反射腔封装,且不加散射剂。半值角为5°~20°或更小,具有很高的指向性,可作局部照明光源用,或与光检出器联用以组成自动检测系统。

B标准型:

通常作指示灯用,其半值角为20°~45°。

C散射型:

这是视角较大的指示灯,半值角为45°~90°或更大。

5.8 工作温度

工作环境温度是影响二极管工作的一个重要参数,对光强电流等参数都有很大影响。

5.9 使用寿命

人称LED光源为长寿灯。它为固体冷光源,环氧树脂封装,灯体内也没有松动的部分,不存在灯丝发光易烧、热沉积、光衰等缺点,在恰当的电流和电压下,使用寿命可达6万到10万小时,比传统光源寿命长10倍以上。

6、关于白光LED

LED获得白色光的方法有多种。这里只介绍代表性的两种发光方法。

1) 蓝色LED + 黄色荧光体

蓝色LED与其辅助色即黄色荧光体组合,获得白色光。

该方式与其他方式相比,结构简单、效率高,因此目前已成为主流。

 

2) 红色LED + 绿色LED + 蓝色LED

光的三基色LED组合,获得白色光。

该方式比起照明用途,更多的用于全彩LED显示设备。

 

 

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标签: 二极管
  • 时间:2017-10-09 15:37
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