发光二极管解析
一、什么是发光二极管（LED）？
发光二极管（Light Emitting Diode，简称 LED）是一种能将电能直接转化为光能的半导体器件。当电流通过其 PN 结时，电子与空穴复合，以光子的形式释放能量，从而发光。
✅ 核心特点：
- 高效节能（相比白炽灯）
- 寿命长（可达 5 万小时以上）
- 响应快（纳秒级）
- 体积小、抗震性好
- 可发出多种颜色（红、绿、蓝、白、红外、紫外等）
二、基本工作原理
LED 的工作基于 电致发光（Electroluminescence）原理：
- 正向偏置：当 LED 的阳极（Anode）接高电位、阴极（Cathode）接低电位，且电压超过其正向导通压降（VF）时，电流开始流过。
- 载流子注入：电子从 N 区注入 P 区，空穴从 P 区注入 N 区。
- 复合发光：在 PN 结附近，电子与空穴复合，释放能量。
- 若材料为直接带隙半导体（如 GaAs、InGaN），能量主要以光子形式释放 → 发光；
- 若为间接带隙（如 Si），则主要以热能释放 → 不发光。
- 光色由材料决定：
- 红/黄光：AlGaAs、GaAsP
- 蓝/白光：InGaN（蓝光芯片 + 黄色荧光粉 = 白光）
- 红外：GaAs
⚠️ 注意：LED 必须正向偏置才能发光，反向电压通常只能承受 5V 左右，易击穿损坏。
三、LED 如何选型？
选择 LED 时需考虑以下因素：
| 选型维度 | 考虑要点 |
|---|---|
| 1. 光色与波长 | 红（620–630nm）、绿（520–530nm）、蓝（460–470nm）、白（色温 2700K–6500K）等 |
| 2. 封装类型 | 直插（Φ3mm、Φ5mm）、贴片（0603、0805、2835、5050）、大功率（带散热基板） |
| 3. 亮度需求 | 普通指示（1–10 mcd）、高亮（100–10,000 mcd）、照明级（流明 lm） |
| 4. 正向电压 VF | 红/黄：1.8–2.2V；绿/蓝/白：2.8–3.6V |
| 5. 工作电流 IF | 小信号 LED：5–20 mA；大功率 LED：350mA、700mA、1A+ |
| 6. 视角 | 窄视角（15°–30°）用于聚光，宽视角（120°）用于均匀照明 |
| 7. 是否需要调光 | 支持 PWM 调光或模拟调光 |
四、关键参数
| 参数 | 符号 | 单位 | 说明 |
|---|---|---|---|
| 正向电压 | VF | V | 导通时两端压降，与材料和颜色相关 |
| 正向电流 | IF | mA 或 A | 推荐工作电流，不可超过 IFmax |
| 最大反向电压 | VR | V | 通常仅 5V，反接易损坏 |
| 发光强度 | Iv | mcd（毫坎德拉） | 点光源亮度指标（适用于指示灯） |
| 光通量 | Φv | lm（流明） | 总发光功率（适用于照明 LED） |
| 主波长 | λp | nm | 决定光的颜色 |
| 色温 | CCT | K | 白光 LED 的冷暖程度（2700K 暖白，6500K 冷白） |
| 视角 | 2θ1/2 | ° | 光强降至 50% 时的角度 |
五、电流与亮度计算公式
1. 限流电阻计算（最常用驱动方式）
LED 必须串联限流电阻，防止电流过大烧毁：
R=IFVCC−VF
- VCC：电源电压
- VF：LED 正向压降（查 datasheet）
- IF：期望工作电流（如 10mA）
✅ 示例：
用 5V 电源驱动白光 LED（VF = 3.2V，IF = 10mA）：
R=0.015−3.2=180 Ω（选用标准值 180Ω 或 200Ω）
2. 亮度与电流关系
对于同一只 LED，在额定范围内：
亮度∝IF
即亮度大致与正向电流成正比。
但注意：
- 电流过大 → 效率下降（发热严重）→ “效率滚降”（Efficiency Droop）；
- 长期超电流使用 → 寿命急剧缩短。
3. 功率消耗
PLED=VF×IF
例如：白光 LED（3.2V × 20mA）= 64 mW
六、总结
| 项目 | 说明 |
|---|---|
| 本质 | 半导体电致发光器件 |
| 驱动方式 | 必须正向偏置，需限流（电阻、恒流源、PWM） |
| 核心参数 | VF、IF、波长/色温、亮度（mcd 或 lm） |
| 设计要点 | 严禁反接；必须限制电流；注意散热（尤其大功率 LED） |
| 应用领域 | 指示灯、背光、显示屏、室内外照明、汽车灯、植物生长灯等 |
✅ 重要提醒：
- 不要直接将 LED 接到电压源（即使电压等于 VF），因 VF 存在个体差异且具有负温度系数，易导致热失控；
- 高可靠性设计推荐使用恒流驱动 IC 而非简单电阻限流；
- 白光 LED 实际是蓝光芯片 + 黄色荧光粉，并非单一波长。
希望这份详解能帮助您全面掌握发光二极管（LED）的原理与应用！