电子元器件之LED发光二极管

LED简介

基本原理

发光机制

LED是一种基于半导体PN结的发光器件。当外加正向电压时，电子与空穴在PN结复合，能量以光子形式释放，发出可见光或红外光。

• 发光颜色：由半导体材料（如GaAs、GaN、InGaN）的禁带宽度决定，不同材料对应不同波长（颜色）。
• 发光效率：高达80-200 lm/W，远超白炽灯（约15 lm/W）。

核心结构

芯片：半导体材料制成，封装在环氧树脂或硅胶中。

引脚：分阳极（长脚）和阴极（短脚），部分贴片LED用标记（如缺口）区分极性。

封装：常见有直插式（5mm、3mm）和贴片式（SMD 0805、1206）。

关键参数

电气特性

• 正向电压（$V_F$）：
  • 红色/黄色：8-2.2V
  • 绿色/蓝色/白色：8-3.6V
• 工作电流（$I_F$）：
  • 小功率LED：5-20mA
  • 高亮度LED：50-150mA
• 反向击穿电压：通常5-10V，需避免反向电压！

光学特性

• 波长（颜色）：

• 光强：单位为坎德拉（cd），如5mm红光LED典型值为200-1000 mcd。

常见类型

按功能分类

• 指示LED：低功耗，用于设备状态显示（如电源灯）。
• 照明LED：高亮度，如LED灯泡、车灯。
• 特殊LED：
  • RGB LED：集成红绿蓝三色，可混合成多种颜色。
  • 红外LED：用于遥控、夜视摄像头。
  • 紫外LED：用于消毒、验钞。

按封装形式

• 直插式（DIP）：易于手工焊接，适合实验和低密度安装。
• 贴片式（SMD）：体积小，适合自动化生产（如LED屏幕、背光）。
• COB（Chip-on-Board）：多芯片集成，用于高亮度照明。

驱动电路设计

限流电阻计算

公式：$R = \frac{V_{CC} – V_F}{I_F}$

示例：红色LED（VF=2V）接5V电源，电流10mA：$R = \frac{5V – 2V}{0.01A} = 300Ω \quad$ （选用330Ω标准电阻）

驱动方式

• 直接驱动：通过GPIO和限流电阻，适合小电流LED。
• 晶体管/MOSFET驱动：用于高功率LED或多路控制。
• 恒流驱动IC：如LM317、WS2812（智能RGB LED专用）。

应用场景

• 电子设备指示：电源状态、充电提示、故障报警（如路由器指示灯）。
• 照明：家居照明（LED灯泡）、汽车大灯、舞台灯光。
• 显示屏：点阵屏、数码管、全彩LED屏幕（如广告牌）。
• 智能交互：RGB氛围灯（手机/智能家居）、光电传感器（如心率检测）。

使用注意事项

• 防极性反接：反向电压易损坏LED，接线时需严格区分阳极/阴极。
• 防过流：必须串联限流电阻，避免电流超过IFI_FIF。
• 散热设计：高功率LED需加散热片或金属基板（如COB封装）。
• 静电防护：焊接时使用防静电烙铁，避免静电击穿芯片。
• 焊接温度：建议使用260-300°C，时间不超过3秒，防止封装材料碳化。

扩展知识

• 白光LED原理：通过蓝光LED激发黄色荧光粉（YAG:Ce³⁺），混合蓝光和黄光形成白光。
• 光电特性测试：使用积分球测量光通量（lm）和色温（K），或用光谱仪分析波长分布。

面包板LED实验

实验1：基础LED点亮（限流电阻必学）

• 目标 ：掌握LED的正确连接方式与限流电阻计算
• 所需元件：
  • LED ×1（红/绿/蓝等）
  • 电阻（220Ω~1kΩ，根据电源电压选择）
  • 5V电源（或9V电池）
  • 面包板、跳线
• 电路连接 ：
  • LED长引脚（正极）通过电阻接电源正极。
  • LED短引脚（负极）直接接电源负极。
• 现象 ：
  • LED稳定发光，未烧毁。
• 原理：
  • 电阻限制电流，防止LED过流损坏。
  • 电阻值计算：R = (电源电压 – LED正向压降) / 期望电流（例如：5V电源，红色LED压降2V，电流10mA → R = (5-2)/0.01 = 300Ω，选330Ω电阻）

实验2：LED亮度调节（电位器调光）

• 目标 ：通过可变电阻调节LED亮度
• 所需元件：
  • LED ×1
  • 电位器（10kΩ）
  • 5V电源
• 电路连接 ：
  • 电位器两端接电源正负极，中间引脚接LED正极。
  • LED负极接电源负极。
• 现象 ：旋转电位器时，LED亮度从暗到亮连续变化。
• 原理：电位器改变串联电阻值，从而控制LED电流。

实验3：LED闪烁电路（电容充放电）

• 目标 ：利用电容充放电实现LED自动闪烁
• 所需元件：
  • LED ×2（颜色不同更有趣）
  • 电容（100μF电解电容）
  • 电阻（1kΩ ×2）
  • 晶体管（NPN型，如2N3904） ×2
  • 5V电源
• 电路连接 ：
  • 搭建经典多谐振荡器电路：
    • 两个晶体管交叉耦合，基极通过电容连接到对方集电极。
    • 集电极各接LED和限流电阻到电源。
    • 发射极均接地。
  • 现象 ：两个LED交替闪烁，频率由电容和电阻值决定。

实验4：按钮控制LED（数字信号互动）

• 目标 ：用按钮开关控制LED亮灭
• 所需元件：
  • LED ×1
  • 按钮开关 ×1
  • 电阻（220Ω限流电阻 + 10kΩ下拉电阻）
  • Arduino或5V电源
• 电路连接 ：
  • 按钮一端接电源正极，另一端接Arduino数字输入引脚（如D2）。
  • LED正极通过220Ω电阻接Arduino数字输出引脚（如D3），负极接地。
  • 在输入引脚和地之间接10kΩ下拉电阻。
• 代码示例（Arduino） ：

void setup() {  
    pinMode(2, INPUT);  
    pinMode(3, OUTPUT);  
}  
  
void loop() {  
    digitalWrite(3, digitalRead(2)); *// 按钮按下时LED亮  *
}

• 现象 ：按下按钮时LED亮，松开时熄灭。

实验5：多LED流水灯（序列控制）

• 目标 ：用电阻和逻辑电路实现LED流水效果
• 所需元件：
  • LED ×3（不同颜色）
  • 电阻 ×3（220Ω）
  • 电容 ×1（10μF）
  • 4017十进制计数器IC（或Arduino）
• 电路连接（4017方案） ：
  • 4017的时钟输入（CP0）接555定时器或手动按钮。
  • 输出引脚Q0-Q2分别通过电阻接LED正极，LED负极接地。
  • 复位引脚（MR）接地，使能引脚（CE）接地。
• 现象 ：每次触发时钟信号时，LED依次点亮，形成流水效果。