发光二极管的原理

基础知识

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Led存在于我们周边:手机,汽车甚至我们的家里。每当电子类的东西亮起灯,就代表它有led。它们有很庞大的家族,不同的大小,形状,颜色,但是不管怎样它们都有一个共同点:电子元件界的培根。它们广泛被用于把项目做的更好,以及经常被加到一些不太可能的事物中(个人的偏好)。

然而,与不同的培根,一旦你已经把他们煮了他们就坏了。本指南将帮助您避免任何意外的 LED 烧坏 !每个人都在谈论的 LED 东西到底是什么?

LEDs(那是“ell-ee-dees”)是一种能把电能转换为光能的二极管。事实上,LED代表发光二极管(其功能如其名)。另外这反映了二极管和LED图标之间的相似性。

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简言之,LEDs像小型的电灯泡。但是,相较之下LEDs发光所需的能量少很多。它们更加高效,因此也不会像电灯泡那样发热(除非你真的把功率加进去)。这让它们成为运动装置和其他低能应用的理想选择。但是不要把他们放进大功率的游戏中。高强度发光二极管已重点运用在照明、 聚光灯和即使汽车前大灯!

你渴望了吗?渴求知道LED的一切?好,跟着我们,我们会告诉你LED怎么做到的!

推荐阅读

下面是我们在这篇文章中要了解的主题,如果你对他们不熟悉,请先大致浏览一下以下文章:

如何使用LED

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当你渐渐知道你需要把LEDs放到每一样东西上时,让我们一起浏览教程。

1) 极性物质

电子学里,极性表明一个回路原件是否对称。LEDs,作为二极管,会只允许电流从一个方向流过。并且,没有电流流过就不会发光。可幸的是,这意味着你不会因为反向电流而击穿它。相反,它只会不工作。

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LEDs正的一边称作“阳极”,是相对较长的引脚。剩下一边,称作“阴极”。电流只能从阳极流向阴极。一个反向的LED可以通过适当地控制阻塞电流关闭整个电路。

2) 莫瓦尔电流等于莫瓦尔光

LED的亮度直接取决于给他承受多少电流。这有两个意味:第一点,超亮的LEDs耗电很快,因为整个光能来源于被调用的能量;第二点,你可以通过控制流过它的电流量控制LED的亮度。但是,设置模式不是唯一削减电流的因素。

3) 有一种东西叫功率过大

如果你直接把LED接到电流源上,它会尽可能地消耗和它允许范围内一样多的功率,并且像悲剧英雄一样把自己毁掉。这正是要限制通过LED电流的重要性。

因为这样,我们采用电阻。电阻限制电路中流动的电子来防止LED吸引大电流从而保护LED。

不需担心,它只需少许的基础数学计算来确定符合的电阻值。你可以在我们的电阻指导找到它。

不要让这些数学吓到你,事实上把东西弄的十分乱是很难的。在下一部分,我们将会复习如何做一个不用计算的LED电路

脱离数学的LED灯

我们谈到如何读取数据表之前,让我们挂接一些LED灯。毕竟,这是一个LED指导,不是说明书。

这也不是一个数学指导,所以我们给你屈指可数的规则就可以让LED亮起来了。当你已经将上一部分的信息联系起来,你就只需要一个电池,电阻和LED。我们把电池作为能量源,因为它们容易获得并且不会放出达到危险级的电流。

LED的基础模板电路十分简单,仅仅如图一样串联电池,电阻和LED即可,像这样:

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330欧姆的电阻适合大多数LED。你可以用上一部分的信息来确定你所需要的电阻值,但这个LED电路脱离数学计算,所以直接用330欧姆的电阻放进电路测试来看看发生什么。

关于电阻,有趣的是它们将所有能量转为热能,所以如果你的电阻变暖,你可能需要加一个小电阻。但是,如果你的电阻太小,你的LED要冒被烧坏的风险, 既然你有少量的发光二极管和电阻来玩,这里是一个流程图来帮助您通过试验和错误设计您的 LED 电路︰

 

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另外一种办法启动LED就是直接连接到纽扣电池上。因此纽扣电池无法供给足以伤害LED的电流,你可以直接把它们连起来!就要把一个CR2032纽扣电池夹在LED的两只引脚之间,长引脚要触碰电池标有“+”的一边。现在你可以绕一些胶带包住整个东西,加一个磁铁,并粘到东西上。

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当然,如果你用错误的方法而没有得到正确的实验结果,你总是可以用你的计算器把它算出来。不要担心,为你的电路计算出最好的电阻值并不难。但是在你找出最佳阻值前,你需要找出LED的最佳电流值,为此我们需要从数据表查出。

了解细节

不要把奇怪的LEDs插进你的电路,这样对电路不好。先了解他们,没有比读数据表更好的办法了。

作为例子,我们将研读我们的红色5mmLED的数据表

 

LED电流

从顶部开始顺着我们的目光往下看,我们遇到的第一个东西就是这迷人的表格

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但它们表示什么呢?

表格的第一行表明你的LED能连续承受多大电流。在这个情况下,你可以给它20mA或者更少,并且在给20mA时它会照的最亮。第二行告诉我们瞬时电流值的峰值。这个LED可以承受短时间波动到30mA的电流,但是你不能维持这个电流太久。这个表格甚至给出了稳定的电流范围16~18m(从顶部往下数第三行)。这是一个好参考,能帮助我们做电阻值的计算。

接下来的几行对本次指导的目的并不太重要。反向电压是一个你大多数情况下不需要担心的一个二极管的特性。消耗能量是LED在受损之前能够使用多少的能量。只要你的LED保持在建议范围内的电压值和电流值,LED会自己工作。

LED电压

让我们看看其他的表格

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这是个有用的小表格。第一行告诉我们穿过LED会下降的正向电压量。正向电压是一个术语,发生在LED运作的时候。这个数据帮助你决定你需要供给你的电路多少电压来支持你的LED。如果你有不止一个LED连接在单一电源上,这些数据是非常重要的因为所有加起来的LED正向电压不可以超过供应电压。我们将会在深入研究部分讲解着更详细的内容

LED 波长

这个表格的第二行告诉我们光的波长。波长是从根本上精确的解释光是什么颜色的。这里会有些变动所以表格给我们最大值和最小值。这一个例子它是620~625nm,这是光谱中红光的末端(620~750nm)。同样,我们将会在研究部分详讲。

LED 亮度

最后一行(标记“光强”)是LED可以达到的发光程度。单位mcd或者millicandela是用于测量光强的标准单位。这个LED光强的最大值为200mcd,这意味着它仅仅够引起你的注意而不会刺眼。在200mcd,这个LED可以作为一个很好的指示器。

观察角

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接着,我们看到这个能体现LED观察角的扇形图。不同类型的LEDs包含透镜和反射镜,来集中大部分光到一处和尽可能广阔的传播。一些LEDs像泛光灯把光子扩散到各个方向;其他的则是单向以至于你只有正面看它们才能看到。读这个图,想想有一个LED直立在它下方。图中的“射线”代表观察角。弧线表示强度占最大强度的百分比。这一个LED有一个十分窄的观察角。直接从上往下看LED灯的时候,LED灯(在这个角度下看起来)是最亮的,因为在零度角处蓝线与最外层相交。要想获得 50%的视角,在这个角度,光是光强的一半,那需要随着图的 50%圈一直看到它与蓝线相交的位置,然后按照刚刚说的去阅读角度。为此 LED,50%的视角是 20 度左右。

尺寸

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最后,画器件。这图包含所有你用附件做成LED需要的尺寸。注意,像大部分的LED,也是有一个小凸缘在底部。这会便于你把它安装到面板上。只要钻一个合适LED大小的孔,凸缘就能防止它掉下来。

既然你已经知道如何解读数据表,让我们看看你会遇到什么种类的理想LEDs

LED类型

,你知道基础!可能你甚至操作了一些LED并且开始LED亮了,真是极好的!

这里是种类的列表:

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RGB-LED事实上是三合一的LED!但这不意味着它只能发出三种光。因为红绿蓝是三原色,你可以通过控制三种颜色的强度来创造出彩虹的七色。大部分的RGB-LED有四个引脚:每一个颜色一个引脚和一个公用引脚。有一些,公用引脚是阳极,其他的是阴极。
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一些LEDs比其他的更智能。拿闪烁LED作为例子。在这些LEDs里面,其实有完整的电路让LED能够脱离外部的控制来闪烁。仅用于亮或者暗。这是个很好的装置当你没有位置放置控制电路的时候。甚至有RGB闪烁灯循环上千种颜色。
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SMD LED不是一个具体的LED类型而是一个泛类。随着电子器件越来越小,制造商找出了如何把原件填在一个更小的空间里。Smd(表面贴装器件)原件是对应标准器件的小型版。SMD LED有几个尺寸,从相当大到小到一粒米的大小!因为它们很小,而且垫子替代了引脚,但是它们不容易操作。
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大功率LED,像luxeon和cree制造商的大功率LED,是十分亮的。一般,一个LED耗能大于1瓦视为大功率。手电筒用LED是很理想的选择。它们排成阵列可以做成聚光灯和车前灯。因为给LED输入很大的功率所以通常要求散热器。散热器基本是一大块表面宽广的导热金属,能把浪费的热量尽可能传递给周边的空气。大功率LED会产生大量浪费的热量以至于不加适当的散热会对他们自身造成损害。但是,不要被这个“浪费的热量”忽悠了你,这些元件仍然比传统的灯泡高效的多。
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甚至有一些LEDs能够发出可见光以外的光。比如你可能每天都用着红外线光。它们以不可见光的形式传输信息,被用于像电视遥控器的东西。在光谱的另一端你可以发现紫外光LED。紫外光用于确定材料荧光,就像黑光灯一样!它们也用于给表面消毒,因为许多细菌对紫外线很敏感。

像这些你操作的花式指示灯,还有没有留下任何非照明效果的借口。然而,如果你渴望 LED 知识还没有抚平,那么继续,和我们一起接触发光二极管的发光强度和色彩强度 !

深入研究

你已经从LED101里毕业但是你想知道更多?不用担心,我们会了解更多。让我们从怎样制作LED开始。我们已经说过LED是一种特殊的二极管,但是让我们深入研究这究竟意味着什么。

我们所说的LED是真正的LED和封装加在一起,但LED本身实际上是很小的!它是一个半导体材料的芯片,掺杂有为电荷载体创造边界的杂质。当电流流进半导体,它从边界的一边跳跃到另一边,这个过程留下了能量。在大部分的二极管中这能量作为热量,但LEDs将它转为光能消耗掉!

光的波长和颜色,取决于制作二极管的半导体材料。这是因为半导体不同材料的能量带结构的不同,所以光子放出的频率也不同。这里有一个普通LED半导体的频率表格。

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二极管颜色材料的部分表格。完整的表格在“LED”的维基百科上有。

然而光的波长取决于半导体的能带隙,强度取决于通过二极管的能量的多少。我们谈到发光强度有点如上节所述,但还有更多的知识,是比只放了一些LED看起来更明亮的东西。

用来测量光强的单位叫candela,尽管当你描述LED的光强势总是在millicandela范围内。但有趣的是这个单位并非真的用于测量光的数量,而是测量“亮度”。这是通过由光的光度函数采取的特定方向发射的功率和加权该号码来实现的。人类的眼睛对一些光的波长比其他更敏感,而光度函数就是这个敏感度的标准模型。

LEDs的发光强度在10到一万mcd之间。你电视的光强约为100mcd,然而一个好的闪光灯可能有20000mcd。直视任何光强大于几千mcd的东西会眼睛受到损伤,不要尝试。

正向压降

噢,我也保证过我们会讲一下正向压降的概念。记得我们在看数据表时我提及过你所有LEDs正向电压之和不能超越系统电压吗?这是因为电路中的每个原件都会分享电压。并且每一部分用的电压加起来总是等于可用的电压。这叫基尔霍夫定律。所以如果你有一个5v电源,而你的每个LED的正向电压为2.4v,那你就一次不能超过两个。

当你想要基于其他部分的正向电压大约计算给定部分的两端电压时,基尔霍夫定律就很方便了。举个例子,在例一中,我仅仅给了一个5v电源和两个2.4vLEDs。当然,我们想要一个限制电流的电阻。那你怎么找出电阻的两端电压呢?这很简单。

5 (系统电压) = 2.4 (LED 1) + 2.4 (LED 2) +电阻

5 = 4.8 + 电阻

电阻 = 5 – 4.8

电阻 = 0.2

5(系统电压)=2.4(LED 1)+2.4(LED 2)+电阻(电压)

5=4.8+电阻(电压)

电阻(电压)=5-4.8

电阻(电压)=0.2

所以这里有0.2v在电阻两端!这个例子很简单但它不总是那么简单。但是希望这能让你明白为什么正向电压如此重要。使用从基尔霍夫定律获得的电压来运用就像利用欧姆定律求出通过元件的电流一样。简言之,你想你的系统电压等于你电路中所有元件的理想正向电压。

(注:文章来源于Sparkfun社区)

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