LED技術(shù)的特性及應(yīng)用說明

發(fā)光二極管 (LED) 現(xiàn)在已經(jīng)取代了大多數(shù)其他照明技術(shù)。由于它們的多功能性、低成本和效率，現(xiàn)在 LED 被用于各種類型的應(yīng)用中，包括最不同的情況：狀態(tài)指示器、LCD 顯示器的背光以及傳統(tǒng)或大氣照明都是現(xiàn)在更方便的領(lǐng)域（經(jīng)濟(jì)上比技術(shù)上）使用 LED 而不是傳統(tǒng)的發(fā)光源。讓我們看一下將 LED 強(qiáng)加為光源標(biāo)準(zhǔn)的特性以及相關(guān)類型的應(yīng)用。

LED的物理學(xué)

LED 是一種有源半導(dǎo)體電子元件，其基礎(chǔ)是二極管?！鞍l(fā)光二極管”一詞強(qiáng)調(diào)了這項(xiàng)技術(shù)只不過是一種具有幾何和物理特性的 pn 結(jié)，旨在利用半導(dǎo)體的電致發(fā)光效應(yīng)。事實(shí)上，通過使用大于閾值（或正向）電壓的足夠電壓直接偏置 pn 結(jié)，結(jié)附近的電荷從能級移動(dòng)到能級；當(dāng)空穴和電子復(fù)合時(shí)，如果釋放的能量足夠高，就會(huì)發(fā)射光子，其頻率（因此，顏色）和發(fā)光強(qiáng)度取決于材料的物理特性和施加在設(shè)備上的電壓水平。這是彩色 LED 背后的基礎(chǔ)，

除了發(fā)出的光的顏色外，觸發(fā)電流的最小閾值電壓還取決于器件的半導(dǎo)體類型；用于實(shí)現(xiàn) LED 的最常用材料是 AlGaAs、GaAlP、GaAsP、SiC、GaN、GaP、Si 和 C。

LED器件的驅(qū)動(dòng)

LED是電流驅(qū)動(dòng)的電子元件。出于這個(gè)原因，必須始終在驅(qū)動(dòng)電路中提供限流電阻，沒有它，組件看到的唯一電阻將是結(jié)本身的內(nèi)部電阻；不限制電流會(huì)冒損壞組件和從一個(gè)設(shè)備到另一個(gè)設(shè)備的行為偏差的風(fēng)險(xiǎn)。

圖 1 顯示了驅(qū)動(dòng) LED 的基本方案。在該電路中，正電壓提供給 MOSFET 的基極，觸發(fā)漏極和源極之間的電流，從而在漏極上導(dǎo)通 LED。注意限流電阻的存在。假設(shè)元件的最佳正向電流為If、閾值電壓Vth和 LED 的電源電壓Vin，則限流電阻的大小計(jì)算為R = ( Vin – Vth ) / If。例如，用作電源狀態(tài)指示器的經(jīng)典 LED 可以有Vth = 1.8 V 和If = 20 mA；假設(shè)為電路提供電壓Vin = 5 V，限流電阻的值為R = (5 – 1.8) / 0.02 = 160 Ω。

圖 1：LED 驅(qū)動(dòng)器基本電路（來源：Davide Di Gesualdo）

當(dāng)通過微控制器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)時(shí)，使用所提出的方案；在這種情況下，始終建議采用能夠承受 LED 正向電流的晶體管（或類似組件）：如果該組件直接連接到微控制器的 GPIO，損壞芯片的風(fēng)險(xiǎn)（由于電流）將非常高。顯然，如果需要驅(qū)動(dòng)大功率 LED（可吸收甚至超過 3 W 或 5 W），則有必要采用與所需電流一致的驅(qū)動(dòng)器。在這方面，Cypress Power PSoC 系列微控制器值得注意，因?yàn)樗軌蛑苯釉谛酒刑峁┕β?MOSFET，這對于通過最小化周圍電路來驅(qū)動(dòng)功率 LED 非常有用。

使 LED 在照明領(lǐng)域變得流行的一個(gè)特點(diǎn)無疑是利用脈寬調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)調(diào)光的可能性，即提高或降低 LED 中流動(dòng)的電流（因此，檢查其光通量） ）。該技術(shù)包括應(yīng)用具有可變占空比的方波的控制信號：因此，使用的電流將與應(yīng)用波的時(shí)間Ton成正比，從而允許對 LED 的亮度進(jìn)行電子控制。

圖 2：PWM 操作

顯然，如果需要精確的亮度控制，應(yīng)用極其簡單的 PWM 技術(shù)可能無效。事實(shí)上，請記住，由于 LED 在所有方面都是二極管，其電壓/電流特性是非線性的，因此，通過修改占空比獲得的電流變化也是非線性的。

為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，有必要使用專門設(shè)計(jì)的 LED 驅(qū)動(dòng)器來提供與成比例的電壓信號相對應(yīng)的恒定電流。該解決方案避免了發(fā)光組件的連續(xù)開關(guān)周期，提高了設(shè)備??的持續(xù)時(shí)間和發(fā)出的光的質(zhì)量，因?yàn)樗粫?huì)閃爍。

LED的常見應(yīng)用

如上所述，LED 用途廣泛，這也是因?yàn)橛胁煌念愋涂晒┻x擇。

按照耗散的功率（也就是產(chǎn)生的光通量）來分類，我們基本上可以找到三種類型的LED：小功率LED、高亮度LED、大功率LED。

低功率 LED 的典型正向電流為 15 mA，用作電子設(shè)備中的狀態(tài)指示燈（開機(jī)指示燈、連接狀態(tài)、設(shè)備之間的通信指示燈等）。它們的使用是最經(jīng)典最古老的，它們的封裝都是PTH和SMD。對于這種類型的設(shè)備，照明角度不是必需的。

高亮度 LED 的典型正向電流范圍為 30 mA 至 100 mA，可用作弱照明元件（例如，人行道指示器），但主要用途是用作分段顯示器和 LCD 面板中的背光。后者極大地推動(dòng)了 LED 的普及，因?yàn)楝F(xiàn)代電視的液晶面板大多采用 LED 背光。

功率 LED 的正向電流范圍為 100 mA 以上。不難想象，這類設(shè)備與其他兩類相比成本明顯較高，其熱特性需要對設(shè)備的散熱方式進(jìn)行精心設(shè)計(jì)。大功率LED的典型應(yīng)用無疑是功能性和氛圍照明；這種類型的單個(gè)設(shè)備甚至可以發(fā)出超過350流明的光，并且通過組合多個(gè)LED可以獲得真正的路燈，以至于在路邊找到配備這種技術(shù)的照明燈具已不再罕見。我們的城市；說實(shí)話，LED路燈的公共照明是智慧城市的基石之一，

LED 的新領(lǐng)域

近年來，市場上出現(xiàn)了一種利用有機(jī)成分（準(zhǔn)確地說是塑料導(dǎo)電聚合物）并利用這些材料的電致發(fā)光的技術(shù)。這是一種稱為有機(jī) LED (OLED) 的技術(shù)，用于制造顯示器，并具有允許創(chuàng)建薄而靈活的設(shè)備的特性，特別適用于可穿戴設(shè)備和移動(dòng)世界。與使用 LED 作為 LCD 背光源不同，OLED 構(gòu)成了顯示器本身的有源矩陣！迄今為止，仍然沒有能夠使這項(xiàng)技術(shù)具有經(jīng)濟(jì)競爭力的規(guī)模經(jīng)濟(jì)，但研究已經(jīng)取得進(jìn)展，并且已經(jīng)進(jìn)行了許多生產(chǎn)工藝（AMOLED、PHOLED、PLED、SM-OLED、SOLED、TOLED），

　　審核編輯：湯梓紅