发光二极管的基本工作原理

‌LED灯(Light Emitting Diode，发光二极管)是一种能够将电能转化为光能的半导体器件，具有小型、耐用、省电和发光色彩鲜艳等特点‌‌1。LED灯的工作原理是通过电流通过LED芯片时，电子与空穴在半导体材料中复合，释放出能量并以光子的形式发出，从而产生光亮‌2。

LED灯的基本工作原理

LED灯的核心是一块电致发光的半导体材料芯片。当电流通过LED芯片时，电子与空穴在半导体材料中复合，释放出能量并以光子的形式发出，从而产生光亮‌2。LED灯的工作电压通常在2~4V之间，工作电流在5~30mA之间，即使在室温下也能达到足够的亮度‌1。LED灯的发光响应速度非常快，一般在10^-7~10^-9秒之间，非常适合用于脉冲信息显示‌1。

LED灯的应用电路

在实际应用中，LED灯的接线方式需要根据具体需求进行设计。以下是一些基本的应用线路示例：

‌串联接线‌：将多个LED灯串联在一起，可以同时点亮或熄灭。

‌并联接线‌：将多个LED灯并联在一起，可以分别控制每个LED灯的亮暗程度‌1。

为了保护LED灯不被过大的电流烧坏，通常会在电路中加入电阻进行限流‌1。此外，LED灯具有PN结特性，显示驱动简单，点亮时没有冲击电流流过，用小功率管或者集成电路就能直接驱动，便于匹配成全固体化显示系统‌1。

LED灯的调光方式

常见的LED调光方式有三种：

‌模拟调光‌：需要芯片支持，单片机能够输出一个模拟电压。

‌带滤波器的PWM调光‌：也称为准模拟调光，在PWM输入端加一个RC滤波器‌3。

通过这些调光方式，可以根据需要调节LED灯的亮度，满足不同的应用场景需求。

LED电路结构

正向电压

当电流沿LED正向流动时，正极和负极间产生的电压称为正向电压(VF)。单位为V(伏特)。

数据表等资料中刊登了相对于电流的正向电压的特性曲线图<正向电流(IF)-正向电压(VF)特性>。

在实际探讨LED照明电路时，这个特性是最为重要的考虑项目。

正向电流(IF)-正向电压(VF)特性随LED元件的材料、尺寸以及发光颜色的不同而不同。而且随环境温度变化。此外，还具有半导体特有的特征值分布，即所谓的偏差。

当LED恒流驱动时，正向电压(VF)的变化不构成大的问题，但在恒压驱动的情况下，需要考虑电压变化和偏差。

LED照明电路

【串联照明电路】

当LED以恒压驱动方式串联点亮时，通常如下图所示，电路中包含与LED串联的电阻，用于控制电流。

以这个电路为例，首先根据正向电流(IF)-正向电压(VF)特性，读取亮灯时LED的正向电流(IF)和正向电压(VF)值。

将数值代入上式，计算出R(电流控制电阻)值。

【并联照明电路】

将LED以恒压驱动方式并列排列时，建议给每列LED加入控制电阻。

LED的正向电流(IF)-正向电压(VF)特性取决于元件的材料和发光颜色。即使具有相同的材料和发光颜色，也存在半导体特有的个体偏差。

如下图所示，当LED①和LED②的正向电压(VF)值不同时，如果用一个电阻控制电流，则难以控制每个LED的电流(IF1和IF2)。

每个LED连一个电阻，可以设置每个LED的电流(IF1或IF2)，因此更容易自由设定，例如均衡电流值、抑制亮度偏差。另外，通过加大输入电压(Vin)，增加电阻两边的电压，还可以减少偏差。

需要注意的性能

1. 温度引起的特性变化<光强・波长・正向电压 (VF)>

LED特性根据周围温度及LED发热在内的芯片温度(Tj：发光部的结温)发生变化。

以下针对代表性的特性变化进行说明。

光强

LED的Tj上升，则光通量变少。

这是因为阻碍发光的电子和空穴再结合运动增加了。

波长

与光强变化相同，温度变化引起发光波长发生变化。

主要是温度变化引起半导体的禁带宽度发生变化，所以波长发生变化。

波长变化量因材料不同有差异，InGaAlP系LED随温度上升时，λd有0.1nm/°C的变动，向长波长侧变化。

针对波长规格严格的用途，需要探讨在整机的工作保证温度范围内波长的变化。

正向电压 (VF)

除特殊情况，VF的变化与发光波长相同，因半导体的禁带宽度变化而变化。

随着温度上升，VF会以2mV/°C的数值下降。

VF的变化在电路设计上是重要的要素。

LED恒流工作时，VF变化作为电路常数问题不大，但LED在恒压工作或接近恒压时，随温度上升VF下降，电流增加。

电流增加，则Tj变高，VF下降，直到达到平衡状态为止，电流会一直增加。

相反温度变低，则VF变高，电流减少，有可能恒压工作时得不到所需的光强。

2.特性偏差

LED在制造阶段就具有特性值分布，即所谓的偏差。

因此对光强等级、电气特性规定了最小值等。

进行光学设计、电路设计时需要考虑偏差。

例如，VF随温度变化之前，在特定分布中已存在偏差。

当没有设计裕量时，针对VF偏差大的产品，需要探讨温度变化时是否能得到所需的特性。

根据电路特性、整机特性，有时需要将LED特性值的偏差幅度缩小。

此时，需要探讨引进特殊规格，及判断是否能对应此规格。

LED电路是一种能够将电能转化为可见光的半导体，它改变了白炽灯钨丝发光与节能灯三基色粉发光的原理，而采用电场发光。在需要使用比较多的LED产品时，如果将所有的LED串联，将需要LED驱动器输出较高的电压:如果将所有的LED并联，则需要LED驱动器输出较大的电流。将所有的LED串联或并联，不但限制着LED的使用量，而且并联LED负载电流较大，驱动器的成本也会增加，解决办法是采用混联方式。串、并联的LED数量平均分配，这样，分配在一个LED串联支路上的电压相同，同一个串联支路中每个LED上的电流也基本相同，亮度一致，同时通过每个串联支路的电流也相近。

LED(Light- Emitting-Diode中文意思为发光二极管)是一种能够将电能转化为可见光的半导体，它改变了白炽灯钨丝发光与节能灯三基色粉发光的原理，而采用电场发光。据分析，LED的特点非常明显，寿命长、光效高、无辐射与低功耗。LED的光谱几乎全部集中于可见光频段，其发光效率可达80~90%.将 LED与普通白炽灯、螺旋节能灯及T5三基色荧光灯进行对比，结果显示：普通白炽灯的光效为12lm/W，寿命小于2000小时，螺旋节能灯的光效为 60lm/W,寿命小于8000小时，T5荧光灯则为96lm/W,寿命大约为10000小时，而直径为5毫米的白光LED为20~28lm/W，寿命可大于100000小时。有人还预测，未来的LED寿命上限将无穷大。