發(fā)光二極管（LED）的基本原理與特性

發(fā)光二極管（LED，Light Emitting Diode）是一種將電能轉(zhuǎn)化為光能的半導(dǎo)體器件，其核心結(jié)構(gòu)為PN結(jié)，具有單向?qū)щ娦?。?dāng)正向電壓施加于LED兩端時(shí)，P區(qū)空穴與N區(qū)電子在PN結(jié)附近復(fù)合，釋放的能量以光子形式輻射，從而產(chǎn)生可見(jiàn)光。不同半導(dǎo)體材料（如鎵砷磷、磷化鎵等）決定了電子與空穴的能量狀態(tài)，復(fù)合時(shí)釋放的能量差異導(dǎo)致發(fā)光波長(zhǎng)不同，例如磷砷化鎵發(fā)紅光、磷化鎵發(fā)綠光、碳化硅發(fā)黃光。

LED的關(guān)鍵特性包括：

• 高效節(jié)能：工作電壓低（1-3V）、電流小（mA級(jí)），能量轉(zhuǎn)換效率高。
• 長(zhǎng)壽命與可靠性：抗沖擊、抗震性能優(yōu)異，壽命可達(dá)數(shù)萬(wàn)小時(shí)。
• 快速響應(yīng)：開(kāi)關(guān)速度快，可通過(guò)電流調(diào)制實(shí)現(xiàn)亮度調(diào)節(jié)。
• 溫度敏感性：正向電壓（VF）和電流（IF）特性受溫度影響顯著，需在電路設(shè)計(jì)里考慮。

發(fā)光二極管的電路設(shè)計(jì)與驅(qū)動(dòng)方式

基本接線方式

LED的應(yīng)用電路需根據(jù)需求選擇串聯(lián)或并聯(lián)結(jié)構(gòu)：

• 串聯(lián)接線：多個(gè)LED串聯(lián)，電流一致，需較高驅(qū)動(dòng)電壓，適用于同步開(kāi)關(guān)場(chǎng)景。
• 并聯(lián)接線：多個(gè)LED獨(dú)立分支，可單獨(dú)控制亮度，但需注意各支路電流均衡。

驅(qū)動(dòng)與限流設(shè)計(jì)

LED為電流敏感器件，需通過(guò)限流電阻或恒流電路控制電流：

• 限流電阻計(jì)算：公式為 R=E?UFIFR=IFE?UF，其中 EE 為電源電壓，UFUF 為正向壓降，IFIF 為工作電流。
• 恒壓與恒流驅(qū)動(dòng)：
• 恒流驅(qū)動(dòng)：適用于串聯(lián)電路，可忽略VF變化影響。
• 恒壓驅(qū)動(dòng)：并聯(lián)電路中需為每路LED串聯(lián)獨(dú)立限流電阻，以抑制因VF偏差導(dǎo)致的電流不均。

調(diào)光技術(shù)

常見(jiàn)調(diào)光方式包括：

• 模擬調(diào)光：通過(guò)單片機(jī)輸出模擬電壓控制電流，需芯片支持。
• PWM調(diào)光：利用脈沖寬度調(diào)制，配合RC濾波器實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)光（準(zhǔn)模擬調(diào)光）。

發(fā)光二極管的分類與應(yīng)用

常見(jiàn)類型

根據(jù)發(fā)光特性和結(jié)構(gòu)，LED可分為：

• 單色LED：如普通紅光、綠光二極管，用于指示燈、顯示屏。
• 高亮度/超高亮度LED：采用砷鋁化鎵（GaAlAs）、磷銦砷化鎵（GaAsInP）材料，適用于照明、背光。
• 變色LED：通過(guò)多芯片組合實(shí)現(xiàn)顏色切換，如雙色、三色LED。
• 閃爍LED：集成CMOS電路，無(wú)需外接元件即可周期性閃爍。

典型應(yīng)用場(chǎng)景

• 信號(hào)指示：電子設(shè)備中的電源指示燈、狀態(tài)顯示。
• 照明：室內(nèi)外照明、汽車大燈（需恒流驅(qū)動(dòng)和散熱設(shè)計(jì)）。
• 顯示技術(shù)：LED屏幕、數(shù)碼管（依賴串聯(lián)/并聯(lián)陣列控制）。
• 光電控制：傳感器光源、光通信（利用快速響應(yīng)特性）。

設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)與性能優(yōu)化

5.      特性偏差管理：LED的VF和IF存在生產(chǎn)偏差，并聯(lián)電路中需通過(guò)獨(dú)立限流電阻均衡電流。

6.      溫度補(bǔ)償：環(huán)境溫度升高會(huì)導(dǎo)致VF下降，恒壓驅(qū)動(dòng)時(shí)需考慮電流過(guò)載風(fēng)險(xiǎn)。

7.      反向保護(hù)：LED反向擊穿電壓約5V，需避免反向電壓過(guò)高。

8.      散熱設(shè)計(jì)：高功率LED需散熱片輔助，防止結(jié)溫過(guò)高影響壽命和光效。