发光二极管电路

电路目标：220交流输入实现在开关按下时发光二极管亮

操作对象及其技术参数：普通发光二极管，一般发光二极管的正向导通工作典型电压(Forward Voltage)为3.3V,正常工作电流（Forward Current）为5-20mA，在这里电流计算以10mA为准。

原理图绘制 

发光二极管端设计 


设计因素：1.发光二极管工作时正向压降电压 2.发光二极管工作时流过的电流 

先满足供电电源的要求必须大于3.3伏，要使二极管在工作时电流的大小为10mA，则需要在发光二极管上串联电阻，如下图所示 


该电阻在这里的作用是限流至10mA。

发光二极管端供电电源参数 

 在直流电源的选择上从性质上可以选择的是电压源型和电流源型电源 

 电压源型电源：维持电压不变，电压源可以关断。 

 电流源型电源：维持电流不变，与负载无关，要保持通路状态，一旦开路由于电流源要维持电流的恒定在极间空气上形成高压发生击穿。在此应用中，首先发光二极管不可能串联到电流源回路中，只能是并联，发光二极管工作时可以将短路回路先断开，关断时，短路回路闭合，并且电源的非理想性，存在电源内阻，电流源又必须通路，从能耗的角度上讲也不适合此应用。

在此选用直流电压源对发光二极管端进行供电，之后涉及到电压源大小的选择，像货币的面额一样电源不可能将每种大小的电源都设计出来，在实际应用中主要规格有3.3V,5V,12V,24V,48V直流电压源，由于二极管的导通压降已经有3.3V，有考虑到减少功耗，这里选择5V直流电压源。

限流电阻阻值及其功率 

 回路电流 i=10mA，发光二极管正向导通压降为3.3V，电压源为5V，可以得到限流电阻的阻值为170欧，功率为0.017W。

5V直流电压源的获得 

 这里选用LM7805稳压模块，发光二极管端的回路如下图所示 


  LM7805稳压模块参数： 

  1. LM7805工作电流就是发光二极管的电流10mA 

  2. 功率是(Vin-Vout)*i 

  3. LM7805要求判断因素：1.工作电压 2.功率 

  工作电压下图所示 


  在Vin上电压选取的范围是12-25伏之间，选取一般常用的电压12伏和24伏，以24伏计算LM7805功率为0.2W，可以保证工作时不发热，如果稳压模块的压差过大则使得功率较大而发热，可以采取散热处理，或者使用多个稳压模块，由多个稳压模块组成的电压源的工作电流还是负载电流。

发光二极管回路的电源滤波 

       电压源滤波处理：5V电源的电压有纹波，相当于将电容看成一个水缸，带有脉动的电压对电容充电，电压减少时由于电容可以补偿电压下降而造成的波动，从而减少脉动的纹波，通常该电容是电解电容，对于小电压源一般不会产生浪涌电压即dU/dt很大的情况，则不需要在电解电容边上接瓷片电容，去除浪涌。 对于电解电容的电容计算：C=IL/(∆U×f_充 )，之后的滤波电容计算是按照最初电源的频率计算，经过整流桥之后倍频，计算值加以一定余量。 

滤波电容如下图所示



整流桥电源： 

        整流桥作为电源输入时，对于含有大电容的滤波(且没有负载时)的整流桥正负极之间的电压有效值为1.414Uin，在滤波电容后接入负载时电容进行充放电使得电压有所下降。增加瓷片电容滤去浪涌电压（利用电容两端的电压不可突变的性质）保证后面电路的工作的安全性，一般为104瓷片电容即可。整流桥输出的直流电压为24V,输出整流桥的交流输入为AC16V，AC16V由220交流输入经变压后通过接线端子接入发管二极管驱动电路。 

主电路由下图所示 


模块参数计算及其选型封装 

整流桥模块 

1. 整流桥二极管所能承受的反向电压（根号二倍            的电容电压） 

2. 整流桥每只二极管流过的平均电流 

限流电阻模块 

可选的封装形式是直插式和贴片式，对贴片式的封装也有不同类型对应着不同的功率，先确定电阻是直插式还是贴片式，最后根据功率选择对应的封装形式（留一定余量）。 

滤波电容模块 

       滤波电容的C相当于水缸的底面积，Q相当于水的体积，U相当于水缸的高度，电容后的负载电路需要向电容抽取电流也就是抽取电荷（相当于水缸中的水），导致水缸高度U下降，同时电压源对电容充电补充水缸高度（条件是电压源电压在瞬态大于电容电压才能将电荷注入电容），故纹波的产生是必然的，但是可以通过高频充电和增大C减小纹波。如果没有滤波电容，脉动电压直接供给负载，会造成电压的不稳定，影响工作，滤波稳定了电压的同时间接保证电流的稳定。

有机发光二极管（Organic Light Emitting Diode，OLED）故名思议，是使用有机半导体材料和有机发光材料，通过电子和空穴能级跃迁辐射出光子的发光电致发光的器件，其工作原理与传统二极管相似，差别在于OLED 引入了有机半导体材料。

OLED 的工作原理如下图1 所示。使用ITO 制作的透明阳极和使用金属材料（多用铝）制作的不透明阴极在外界驱动电压作用下产生电子和空穴。在电场力作用下，空穴和自由电子被注入电子传输层和空穴传输层。电子和空穴在电子传输层/空穴传输层中发生能级跃迁，进入发光层。在发光层中电子和空穴相遇并复合形成激子。电子和空穴在相遇复合形成激子的过程中，会激发发光层发光分子，经辐射弛豫发出可见光。辐射光经由透明电极ITO 层出射，而金属阴极同时可作为反射层，反射可见光出射，提高出光率。基于OLED 电子空穴复合发光的原理制成的显示器称为OLED 显示器。



                                                                                        图1 OLED 基本结构图

1、发光二极管的结构和工作原理

（1）发光二极管结构

发光二极管（Light Emitting Diodes，简称LED），其工作原理与LD基本相同，只是结构和性能上有所区别。


LD是什么？

LD，即Laserdisc，是受激辐射复合发光器件（LED是利用注入有源区的载流子自发辐射复合发光的）。


发光二极管是什么？其定义是什么？




发光二极管，是一种在低压直流电（3~5 V）的激发下能够发射近紫外光或可见光的半导体电子器件。它的核心部分与LD一样，也是由P型、N型半导体组成的晶片。

（2）发光二极管工作原理


首先，我们应当知道：P型半导体和N型半导体之间有一个过渡层，称为PN结。


在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时，会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。

当PN结加反向电压时，少数载流子难以注入故不发光；
	
当PN结加正向电压时，处于正向工作状态，电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。
这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。

（3）发光二极管特点

LED也采用双异质结的结构，但没有谐振腔，它发出的是自发辐射光，而不是激光。

发光二极管特点
	

			
优点
			
			

			
缺点
			
		
LED的结构比较简单，价格低，发射功率与温度的关系小，性能较稳定，因此在小容量、短距离的光纤通信系统中得到广泛的应用
			
光谱线宽度比LD的谱线宽度要宽，因而色散较大，传输带宽小，发出的功率小
		
 

2、光源器件性能参数

 

（1）LD激光器性能参数

阈值

半导体激光器是一个阈值器件，它的工作状态随注入电流的不同而不同。

只有当外加激励的能源功率（一般为电能源）超过某一临界值时，激光物质中的粒子数反转达到了一定程度，激光器才能克服光谐振腔内的损耗而产生激光。而这个临界值，就称为激光器的阈值。


阈值电流：当注入电流大于时，激光器方可激发出激光。在实际使用中，外加激励能源刚达到阈值时虽有激光输出但很弱。

对激光器而言，希望其阈值电流越小越好，因为阈值电流小，要求的外加激励能源就小，激光器本身发热就少。 

 

激光器效率
衡量激光器转换效率的高低——功率转换效率、量子效率

① 功率转换效率：输出光功率与消耗的电功率之比




② 量子效率：输出光子数与注入电子数之比




 

温度特性
半导体激光器的阈值电流、输出光功率和发光波长随温度而变化的特性称为温度特性。

阈值电流随温度的升高而加大。这是因为温度上升使异质结势垒的载流子限制作用下降，因此激光器的阈值电流增大。國值电流与温度的变化关系可以表示为：



式中：T为器件的绝对温度，I0为常数，T为激光器材料的特征温度。对于GaAs-GaAlAs半导体激光器，T0= 100 ~ 150K，InGaAsP-InP激光器T0= 40 ~ 70K。T0越大，器件的温度特性越好。

半导体激光器的阈值电流还与其器件的老化程度有关。随着激光器工作时间增长，器件老化，其阈值电流不断增加。




时间退化特性
激光器的阈值电流不仅随温度变化，而且还与器件的老化程度有关。随着激光器工作时间增长，器件老化，会出现性能退化特性。通常将阈值电流增加50%的时间定义为寿命终了点，此时需要更换激光器。 




光谱特性
半导体激光器的纵向光场不是以行波形式传输，而是成驻波形式振荡。因此，激光器输出的是一系列模式明确，谱宽很窄，功率不同、尖锐的谱线，称为激光器的纵模。

对于半导体激光器，当注入电流低于阈值时，发射光谱以自发辐射为主，发出的是荧光，谱宽很宽，其光谱宽度常达数10nm。当注入电流大于阈值后，谐振腔里的增益大于损耗，激光器产生激光振荡，输出光谱呈现出以一系列振荡模式--纵模。其发射光谱变窄，谱线中心强度急剧增加，激光器输出功率越大，其发射光谱越窄，谱线中心强度越大。

（2）LED激光器性能参数

P-特性
与半导体激光器的P-1特性相比，LED没有阈值，其线性范围较大。在注入电流较小时，曲线基本上是线性的，当注入电流较大时，由于PN结的发热而出现饱和现象。



光谱特性
由于在发光二极管中没有选择波长的谐振腔，所以其自发辐射的光谱较宽。在室温下，典型的短波长LED的谱线宽度为30nm-50nm，长波长LED的谱线宽度为520nm-620nm。



随着温度升高，谱线宽度增大，且相应的发射峰值波长向长波长方向漂移。

 

发光二极管（Light Emitting Diode）简称LED，是一种会发光的半导体组件且具备二极管的电子特性。本篇文章将介绍下LED的基础知识。
工作原理
发光二极管核心是二极管的空穴和电子在电压作用下从电极流向PN结。当空穴和电子相遇而产生复合，电子会跌落到较低的能阶，同时以光的形式释放出能量。如下所示：



LED根据不同的使用材料，发出不同的颜色（发光波长）。下图是可见光的波长分布：

白色光是复合产生的，下面是常用的两种方法。

蓝色LED＋黄色荧光体

蓝色LED与其辅助色即黄色荧光体组合，获得白色光。该方式与其他方式相比，结构简单、效率高，因此目前已成为主流。


RGB复合得到

光的三基色通过配合可以得到任何颜色的光，该方式比起照明用途，更多的用于全彩LED显示设备。


LED分类与种类

直插式

按外观分类：一般圆柱型外观有3mm,5mm,8mm等。
一般根据引脚长短区分正负极（长正短负）。


表贴式

根据外形分类：0402，0603，0805，1206，3030，3528，5050等等。


电学特性

伏安特性



A点是开启电压，电压开启点以前是截止状态。从A点以后随着电压的升高，电流以指数形式增加。
AC段为正向工作区，LED与普通二极管正向导通电压要高一般大于1V。下图是不同颜色在20mA工作电流下正向导通电压。



正向导通电流：正常情况下不应超过最大值的60%。
最大反向电压：当加载反向电压超过一定值后，LED将会烧毁。
反向漏电流：正向电压下，反向漏电刘是少子的运动很小，一般＜10uA。反向漏电流越小，说明LED单向导电性越小。
功耗：正向导通电流*正向导通电压即为消耗功率。应保证小于最大允许功率。


光学特性

发光强度

表示从特定方向观测到的亮度。单位为cd（坎德拉）。

比较光强时需要特别注意指向角，光强是指单位立体角内发出的光通量。透镜作为LED封装的组成部分可以向特定方向集中光输出（用透镜集光），即使光输出小也能集光，因此光强变大。比较技术资料时，需要根据指向角和光强进行判断。

光通量

指从光源发射出来的全部光量。单位为lm（流明）。

峰值波长 λP[nm]

指LED发出的光谱输出值最高的波长，单位为nm（纳米）。

设计LED时采用峰值波长进行设计，但实际用人眼比较波长时使用主波长进行比较。

主波长 λD[nm]

LED一般用波长表示颜色。主波长相当于眼睛看到的颜色所对应的波长，与发光波长的峰值波长有差异。

色度坐标 x, y：

L指用二维正交坐标系表示LED发光颜色的刺激值，一般使用x y坐标系。


指向角

表示LED光辐射的范围。单位为 “度” 。 将封装倾斜观察光输出时，用于判断从输出的极限值位置能观测多大角度。将输出达到峰值一半时的角度乘以2倍（从正面看时相当于左右端）的值叫做指向角。

LED电路

串联电路

当LED以恒压驱动方式串联点亮时，通常如下图所示，电路中包含与LED串联的电阻，用于控制电流。限流电阻值由正向电压和电流计算所得。


并联电路

将LED以恒压驱动方式并列排列时，建议给每列LED加入控制电阻。


参考

如何确定LED的工作电压？
Light-emitting diode-wikipedia
什么是LED（发光二极管）?