基础知识
LED(Light Emitting Diode)是一种能够将电能转换为光能的发光二极管。LED的发明者是美国的物理学家罗伯特·诺伊斯和化学家哈里·贾斯特。LED的原理是利用半导体材料中的电子和空穴在禁带中产生复合,从而释放出光子,达到发光的效果。LED的发光颜色由所使用的半导体材料决定,常见的有红、绿、蓝三种颜色。
LED的优点:
- 高效节能:LED的发光效率高,能耗低,相同亮度下,LED的能耗仅为白炽灯的1/10,节能灯的1/4。
- 环保:LED光源不含汞等有害物质,不会对环境造成污染。
- 寿命长:LED的寿命长,通常情况下,LED的寿命可达10万小时以上,是白炽灯的10倍,节能灯的5倍。
- 响应速度快:LED的响应速度快,可以实现瞬间开启和关闭,而白炽灯和节能灯需要一段时间才能达到全亮度。
- 耐用性好:LED的抗震动性好,抗冲击性强,不会因为外力作用而损坏。
分类
根据发光颜色
- 红光LED:波长范围为620-750nm,颜色为红色。
- 绿光LED:波长范围为550-620nm,颜色为绿色。
- 蓝光LED:波长范围为450-550nm,颜色为蓝色。
- 黄光LED:波长范围为550-620nm,颜色为黄色。
- 橙光LED:波长范围为620-750nm,颜色为橙色。
白光LED通常是蓝光LED加荧光粉,此外还有红外LED和紫外LED。
需要注意的是,LED的发光颜色与所使用的半导体材料有关,不同的半导体材料会产生不同的发光颜色。而颜色是由人类视觉产生的,波长是客观物理量,而颜色与波长之间的关系是人类视觉系统决定的。
LED的数据表中会给出器件的波长范围。
根据封装形式
- 贴片LED:通常使用封装形式为贴片封装的LED,现在用的最多。
- 圆柱形直插封装的LED:常用作指示灯。
- 扁平形直插封装的LED:常用作指示灯。
实际上LED的封装在不断发展,尤其是随着大功率LED的发展,贴片封装中有一类COB封装,直接将很多LED封装在一块高导热基板上,提高功率密度。还有一个方向就是显示器件,OLED、miniLED,是在更小的尺寸上去集成LED,实现更好的显示效果和更高的能效。
根据驱动方式
- 恒流驱动:LED的电流保持不变,电压可以变化。
- 恒压驱动:LED的电压保持不变,电流可以变化。
LED对热非常敏感,随着结温升高,相同电压下LED的电流会增大,光效会降低,所以一般要避免恒压驱动。实际应用中,对发光稳定性要求不那么高的场景,比如指示灯,通常都是给LED串联一个电阻,然后恒压驱动。串联电阻的阻值可以根据LED的电流需求来调整,以保证LED的电流稳定在一定范围内。
很多工程师会凭感觉去调整阻值,如果要精细一些,应该根据LED的数据表通过图解法来求解。
这里有一个有意思的小事,就是LED既然是电-光器件,所以它的数据表应该既包含电学特性,又包含光学特性。而电子工程师通常只会注意电学特性而忽略光学特性,比如大多数工程师是不会计算LED的发光效率的。发光效率在照明应用中是非常重要的指标。再比如发光角,即便只是作为指示灯,在没有导光柱的条件下,这个发光角就会对应用产生非常大的影响。
LED是半导体器件,这决定了它的光电特性是有一定分布特征的,LED厂商一般会根据光电特性指标进行筛选,将特性接近的器件包装在一起,有时生产采购时不注意这个分选,在大批量产品中就可能产生一些问题,最常见的就是有一批比较亮,而另一批比较暗。
应用
LED的应用非常广泛,几乎涵盖了所有的照明和显示领域。以下是一些常见的LED应用:
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照明:LED灯具已经被广泛应用于各种照明场合,如家庭、办公室、工厂、道路等。与传统的白炽灯和节能灯相比,LED灯具具有更高的发光效率和更长的寿命,可以显著降低能耗。
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显示:LED显示屏已经被广泛应用于各种显示场合,如广告牌、车站牌、商场等。LED显示屏可以实现高亮度、高色彩还原度,并且可以实现动态显示和交互功能。
除了照明和显示这两大主要应用,红外LED常被用作光学探测,紫外LED常被用作灭菌。随着研究的深入,LED的应用领域也在不断扩大。有时LD(激光二极管)也会被归入LED的范畴,现在的激光雷达一般使用LD作为激光源。
发展趋势
LED的发展趋势主要体现在以下几个方面:
- 更高发光效率:LED的发光效率正在不断刷新记录,目前普遍可以达到100lm/W。更高的发光效率可以降低LED的能耗,提高照明和显示效果。
- 更长的寿命:LED的寿命正在不断延长,目前可以达到10万小时以上。更长的寿命可以降低LED的维护成本,提高系统的稳定性。
- 更小的体积:LED的体积正在不断缩小,目前可以做到微米级别。更小的体积可以提高LED的集成度,降低成本。
- 工艺集成:LED制造本身是半导体工艺,但是跟硅工艺并不兼容,目前都在探索生产效率更高的工艺,或者将LED与驱动甚至其它控制芯片集成在一起,从而进一步提高集成度。
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