發(fā)光二極管的類型和不同類型LED的工作原理

發(fā)光二極管的類型

•砷化鎵（GaAs）-紅外線

•砷化鎵磷化物（GaAsP）-紅色到紅外線，橙色

•鋁鎵砷磷化物（AlGaAsP）-高亮度紅色，橙紅色，橙色和黃色

•磷化鎵（GaP）-紅色，黃色和綠色

•磷化鋁鎵（AlGaP）-綠色

•氮化鎵（GaN）-綠色，翠綠色

•鎵氮化鎵（GaInN）-近紫外，藍(lán)綠色和藍(lán)色

•碳化硅（SiC）-藍(lán)色作為基板

•硒化鋅（ZnSe）-藍(lán)色

•氮化鋁鎵（AlGaN）-紫外線

我們可以看出，不同材料的發(fā)光二極管分類會(huì)產(chǎn)生不同的顏色。

LED系列電阻

串聯(lián)電阻值[R小號(hào)是通過簡單地使用Ohm's法，通過知道所要求的正向電流來計(jì)算我?FLED的，電源電壓V小號(hào)橫跨組合和LED的預(yù)期的前向電壓降，V?F在所需電流水平，限流電阻計(jì)算如下：

LED工作原理—系列電阻電路

發(fā)光二極管電路圖

發(fā)光二極管實(shí)例No1

琥珀色LED的正向電壓降為2伏，應(yīng)連接到5.0v穩(wěn)定直流電源。使用上述電路計(jì)算將正向電流限制在10mA以下所需的串聯(lián)電阻值。如果使用100Ω串聯(lián)電阻而不是先計(jì)算的電阻，也要計(jì)算流過二極管的電流。

1）串聯(lián)電阻需要10mA。

發(fā)光二極管串聯(lián)電阻計(jì)算公式

2）使用100Ω串聯(lián)電阻。

發(fā)光二極管使用100Ω串聯(lián)電阻時(shí)的電流計(jì)算公式

我們從電阻器相關(guān)文章中可以知道，電阻器有標(biāo)準(zhǔn)的首選值。我們上面的第一個(gè)計(jì)算表明，為了將流過LED的電流精確限制在10mA，我們需要一個(gè)300Ω的電阻。在E12系列電阻器中沒有300Ω電阻器，因此我們需要選擇下一個(gè)最高值，即330Ω?？焖僦匦掠?jì)算顯示新的正向電流值現(xiàn)在為9.1mA，這沒關(guān)系。

將LED串聯(lián)連接在一起

我們可以將LED串聯(lián)在一起，以增加所需的數(shù)量，或在顯示器中使用時(shí)增加亮度。與串聯(lián)電阻一樣，串聯(lián)的LED都具有相同的正向電流，IF僅流過它們。由于串聯(lián)連接的所有LED都通過相同的電流，因此通常最好是它們都具有相同的顏色或類型。

連接LED串聯(lián)

LED發(fā)光二極管串聯(lián)連接電路圖

盡管LED串聯(lián)電流具有相同的電流，但在計(jì)算限流電阻RS所需的電阻時(shí)，需要考慮它們之間的串聯(lián)電壓降。如果我們假設(shè)每個(gè)LED在1.2伏照射時(shí)都有一個(gè)電壓降，則所有三個(gè)LED的電壓降將為3x1.2v=3.6伏。

如果我們還假設(shè)三個(gè)LED要從相同的5伏邏輯器件照明，或者正向電流約為10mA，則與上述相同。然后，電阻上的電壓降，RS及其電阻值將計(jì)算如下：

串聯(lián)led限流電阻計(jì)算公式

同樣，在E12（10％容差）系列電阻中，沒有140Ω電阻，因此我們需要選擇下一個(gè)最高值，即150Ω。

LED驅(qū)動(dòng)電路

現(xiàn)在我們知道什么是LED，我們需要通過將其“開”和“關(guān)”切換來控制它。TTL和CMOS邏輯門的輸出級(jí)都可以提供和吸收有用的電流量，因此可以用于驅(qū)動(dòng)LED。普通集成電路（IC）在吸收模式配置中具有高達(dá)50mA的輸出驅(qū)動(dòng)電流，但在源模式配置中具有約30mA的內(nèi)部限制輸出電流。

無論哪種方式，必須使用串聯(lián)電阻將LED電流限制在安全值，正如我們已經(jīng)看到的那樣。下面是使用反相IC驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管的一些示例，但無論是組合還是順序，任何類型的集成電路輸出的想法都是相同的。

IC驅(qū)動(dòng)電路

led發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)電路圖

如果不止一個(gè)LED需要同時(shí)驅(qū)動(dòng)，例如大型LED陣列，或者集成電路的負(fù)載電流很高，或者我們可能只想使用分立元件而不是IC，那么另一種方法是驅(qū)動(dòng)下面給出使用雙極NPN或PNP晶體管作為開關(guān)的LED。與以前一樣，需要一個(gè)串聯(lián)電阻RS來限制LED電流。

晶體管驅(qū)動(dòng)電路

led晶體管驅(qū)動(dòng)器電路圖

僅通過改變流過它的電流就不能控制發(fā)光二極管的亮度。允許更多的電流流過LED將使其發(fā)出更亮的光，但也會(huì)使其散發(fā)更多的熱量。LED設(shè)計(jì)用于產(chǎn)生在約10至20mA的特定正向電流下工作的設(shè)定量的光。

在節(jié)能很重要的情況下，可能會(huì)有更少的電流。但是，將電流降低到5mA以下可能會(huì)使其光輸出變暗太多，甚至無法完全關(guān)閉LED?？刂芁ED亮度的更好方法是使用稱為“脈沖寬度調(diào)制”或PWM的控制過程，其中LED以不同的頻率重復(fù)“開”和“關(guān)”，具體取決于所需的LED光強(qiáng)度。

使用PWM的LED燈強(qiáng)度

pwm光強(qiáng)度控制電路圖

當(dāng)需要更高的光輸出時(shí)，具有相當(dāng)短的占空比（“ON-OFF”比率）的脈沖寬度調(diào)制電流允許二極管電流并因此在實(shí)際脈沖期間輸出光強(qiáng)度顯著增加，同時(shí)仍然保持LED“平均電流水平”和功耗在安全范圍內(nèi)。

這種“開-關(guān)”閃爍狀態(tài)不影響人眼所看到的，因?yàn)樗?ldquo;填充”“ON”和“OFF”光脈沖之間的間隙，只要脈沖頻率足夠高，使其顯示為連續(xù)光輸出。因此，頻率為100Hz或更高的脈沖實(shí)際上比相同平均強(qiáng)度的連續(xù)光更亮。

多色發(fā)光二極管

LED具有多種形狀，顏色和各種尺寸，可提供不同的光輸出強(qiáng)度，最常見（也是最便宜的）是標(biāo)準(zhǔn)的5mm紅色砷化鎵磷化物（GaAsP）LED。

LED還有各種“包”，可以產(chǎn)生字母和數(shù)字，最常見的是“七段顯示”排列。

如今，全彩色平板LED顯示屏，手持設(shè)備和電視機(jī)都可以使用大量的彩色LED，它們都是由自己的專用IC直接驅(qū)動(dòng)的。

大多數(shù)發(fā)光二極管只產(chǎn)生一個(gè)彩色光輸出，但是現(xiàn)在可以使用多色LED，可以在單個(gè)設(shè)備中產(chǎn)生一系列不同的顏色。其中大多數(shù)實(shí)際上是在單個(gè)封裝內(nèi)制造的兩個(gè)或三個(gè)LED。

雙色發(fā)光二極管

雙色發(fā)光二極管具有兩個(gè)LED芯片，它們以“反向平行”（一個(gè)向前，一個(gè)向后）組合在一個(gè)單獨(dú)的封裝中。雙色LED可以產(chǎn)生三種顏色中的任何一種，例如，當(dāng)器件與沿一個(gè)方向流動(dòng)的電流連接時(shí)發(fā)出紅色，當(dāng)沿另一個(gè)方向偏置時(shí)發(fā)出綠色。

這種類型的雙向布置對(duì)于給出極性指示是有用的，例如，電池或電源等的正確連接。此外，雙向電流產(chǎn)生兩種顏色混合在一起，因?yàn)閮蓚€(gè)LED將依次照亮它們?nèi)绻O(shè)備（通過合適的電阻器）連接到低壓，低頻交流電源。

雙色LED

雙色發(fā)光二極管

三色發(fā)光二極管

最流行的三色發(fā)光二極管包括單個(gè)紅色和綠色LED組合在一個(gè)封裝中，其陰極端子連接在一起，產(chǎn)生三端子器件。它們被稱為三色LED，因?yàn)樗鼈兛梢酝ㄟ^一次只打開一個(gè)LED來發(fā)出單一的紅色或綠色。

這些三色LED還可以通過以不同的正向電流比率“打開”兩個(gè)LED來產(chǎn)生其原色（第三種顏色）的其他色調(diào)，如橙色或黃色，如表中所示，從而僅從兩個(gè)二極管產(chǎn)生四種不同的顏色路口。

多功能或三色LED

多色led發(fā)光二極管

LED顯示屏

除了單獨(dú)的彩色或多色LED，幾個(gè)發(fā)光二極管可以在一個(gè)封裝內(nèi)組合在一起，以產(chǎn)生諸如條形圖，條帶，陣列和七段顯示器之類的顯示器。

7段LED顯示屏在以數(shù)字，字母甚至字母數(shù)字字符的形式正確解碼顯示信息或數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)時(shí)提供了一種非常方便的方式，顧名思義，它們由七個(gè)單獨(dú)的LED（片段）組成，在一個(gè)單一的顯示包中。

為了分別從0到9和A到F產(chǎn)生所需的數(shù)字或字符，在顯示器上需要照亮正確的LED段組合。標(biāo)準(zhǔn)七段LED顯示器通常具有八個(gè)輸入連接，一個(gè)用于每個(gè)LED段，另一個(gè)用作所有內(nèi)部段的公共端子或連接。

共陰極顯示器（CCD）-在共陰極顯示器中，LED的所有陰極連接被連接在一起，并且通過施加HIGH，邏輯“1”信號(hào)來照亮各個(gè)段。

共陽極顯示器（CAD）-在共陽極顯示器中，LED的所有陽極連接連接在一起，并通過將端子連接到低邏輯“0”信號(hào)來照亮各個(gè)段。

典型的七段LED顯示屏

七段LED發(fā)光二極管顯示屏

光耦合器

最后，發(fā)光二極管的另一個(gè)有用的應(yīng)用是光耦合。光電耦合器或光隔離器也稱為單個(gè)電子器件，由發(fā)光二極管與光電二極管，光電晶體管或光電三端雙向可控硅組成，在輸入之間提供光信號(hào)路徑。連接和輸出連接，同時(shí)保持兩個(gè)電路之間的電氣隔離。

光隔離器由防光塑料體組成，其在輸入（光電二極管）和輸出（光電晶體管）電路之間具有高達(dá)5000伏的典型擊穿電壓。當(dāng)來自諸如電池供電電路，計(jì)算機(jī)或微控制器的低壓電路的信號(hào)需要操作或控制在潛在危險(xiǎn)的電源電壓下操作的另一外部電路時(shí)，這種電隔離特別有用。

光電二極管和光電晶體管光耦合器

用于光隔離器的LED發(fā)光二極管

光隔離器中使用的兩個(gè)組件，諸如紅外發(fā)射砷化鎵LED的光發(fā)射器和諸如光電晶體管的光接收器是緊密光耦合的并且使用光在其輸入之間發(fā)送信號(hào)和/或信息。和輸出。這允許信息在電路之間傳輸而沒有電連接或公共地電位。

光隔離器是數(shù)字或開關(guān)設(shè)備，因此它們可以傳輸“開-關(guān)”控制信號(hào)或數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)?？梢酝ㄟ^頻率或脈沖寬度調(diào)制來傳輸模擬信號(hào)。

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