基础知识之LED（发光二极管)

LED是被称为“发光二极管”的半导体，名称取至 “Light Emitting Diode” 的首字母。 1993年基于氮化镓制造出的高亮度蓝色LED实现商用化，随之制造出白色LED，该白色LED作为第4照明光源备受注目。

LED是由电子（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，正是再结合的能量转变成光而发出。 与先将电能转换为热能，再转换为光能的以往光源相比，因为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。

LED有两种类型灯泡型（引线型）和芯片型（表面贴装型），可根据用途选择适合的类型。

LED根据不同的使用材料，发出不同的发光颜色（发光波长）。 交通信号、汽车停车灯等具有官方标准的特定用途，多数情况被标准化为灯泡光源规格，因此需要选择符合该波长规格的LED。 波长的标准有两种类型λP（峰值波长）和λD（主波长），λD相当于实际人眼看到的颜色。（λ=读拉姆达）

LED获得白色光的方法有多种。这里只介绍代表性的发光方法。

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。

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。

何谓7段LED？

7段LED是专门用于数字显示的数字显示模块。 因为发光二极管（LED）放置在要显示的数字形状部位，所以具有良好的可视性。

也被称为“LED数字显示器”。

7段LED每个部位的名称如下。

• 发光部（a～g）：段（Seg）
• 点发光部：小数点（D.P）
• a～g的7段总称：数字（Dig）

LED显示器有两种电路：共阳极和共阴极。

• 共阳极：公共引脚（common）为阳极
• 共阴极：公共引脚（common）为阴极

表示从特定方向观测到的亮度。单位为cd（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。 比较技术资料时，需要根据指向角和光强进行判断。

指从光源发射出来的全部光量。单位为lm（流明）。

指LED发出的光谱输出值最高的波长，单位为nm（纳米）。 设计LED时采用峰值波长进行设计，但实际用人眼比较波长时使用主波长进行比较。

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）。

L指用二维正交坐标系表示LED发光颜色的刺激值，一般使用x y坐标系。

表示LED光辐射的范围。单位为 “度” 。 将封装倾斜观察光输出时，用于判断从输出的极限值位置能观测多大角度。将输出达到峰值一半时的角度乘以2倍（从正面看时相当于左右端）的值叫做指向角。

指有正向电流流过时，阳极与阴极之间产生的电压。单位为V（伏特）。

指阳极、阴极间施加反向电压时产生的漏电流。 单位为A（安培）。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

【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。