发光二极管 (LED - Light Emitting Diode) 是一种半导体发光器件，可以将电能直接转换为光能。作为一种固态光源，LED 具有体积小、寿命长、能效高、响应速度快、环保等诸多优点，已经广泛应用于指示灯、显示屏、照明、背光、光通信等众多领域，彻底改变了照明和显示行业。

核心思想：基于 P-N 结在正向偏置下复合发光，通过控制电流来发光，且具有单向导电性。 正确使用限流电阻是保护 LED 的关键。

一、LED 的基本原理

1.1 半导体 P-N 结

LED 的核心是一个 P-N 结。

  • P 区 (P-type semiconductor)：是由纯净半导体（如硅或锗）掺杂少量三价元素（如硼）形成的，包含大量的空穴 (Hole)，带正电。
  • N 区 (N-type semiconductor)：是由纯净半导体掺杂少量五价元素（如磷）形成的，包含大量的自由电子 (Electron)，带负电。

当 P 型半导体和 N 型半导体接触时，会在界面处形成一个 P-N 结。在没有外部电压时，P-N 结区域会形成一个耗尽层 (Depletion Region) 和一个内建电场，阻止电荷自由移动。

1.2 正向偏置与发光

当 LED 处于 正向偏置 (Forward Bias) 状态时：

  1. 连接电源：外部电源的正极连接到 P 区（阳极 Anode），负极连接到 N 区（阴极 Cathode）。
  2. 克服势垒：外部电压产生的电场方向与 P-N 结的内建电场方向相反，当外部电压足够大时（超过 LED 的正向压降），它会削弱甚至抵消内建电场。
  3. 电荷注入：P 区的空穴被推向 N 区，N 区的自由电子被推向 P 区，电荷载流子大量注入耗尽层。
  4. 复合发光：进入耗尽层的电子和空穴大量复合，复合时将能量以光子 (Photon) 的形式释放出来，从而产生发光现象。这种发光机制被称为电致发光 (Electroluminescence)。

1.3 发光颜色与材料

LED 发光的颜色取决于其半导体材料的带隙能量。不同材料的电子和空穴在复合时释放的光子能量不同，进而决定了光的波长（即颜色）。

  • 红色：GaP (磷化镓), GaAsP (磷砷化镓)
  • 黄色/橙色：AlGaInP (铝镓铟磷)
  • 绿色：GaP, GaN (氮化镓), InGaN (铟镓氮)
  • 蓝色：GaN, InGaN (蓝光 LED 是现代白光 LED 和高亮度 LED 的基础)
  • 紫色/紫外 (UV)：GaN, AlGaN
  • 白光：通常是通过蓝光 LED 芯片激发黄色荧光粉（或多种荧光粉）来实现的，混合产生白光。

1.4 LED 的电路符号与引脚识别

  • 电路符号：在电路图中，LED 的符号为一个二极管符号加上两根向外发散的箭头，表示发光。
  • 引脚识别：
    • 阳极 (Anode)：电池正极连接的引脚，通常是较长的引脚。
    • 阴极 (Cathode)：电池负极连接的引脚，通常是较短的引脚，且在 LED 封装的侧面通常有一个平边 (flat edge) 标记。

LED 电路符号:

二、LED 的主要参数

理解 LED 的关键参数对于正确设计驱动电路至关重要：

  1. 正向电压 (Forward Voltage, $V_F$)：
    • 在 LED 正常发光时，P-N 结两端的电压降。
    • 不同颜色和类型的 LED，$V_F$ 不同。
    • 典型值：
      • 红色：1.8V - 2.2V
      • 黄色：2.0V - 2.4V
      • 绿色：2.0V - 3.4V
      • 蓝色/白色：3.0V - 3.4V
  2. 正向电流 (Forward Current, $I_F$)：
    • LED 正常工作所需流过的电流，直接影响亮度。
    • 典型值：
      • 指示灯：10mA - 20mA (常用)
      • 高亮度 LED：30mA - 100mA 甚至更高
  3. 最大反向电压 (Reverse Voltage, $V_R$ or $V_RM$)：
    • LED 能够承受的最大反向电压。如果超过这个值，P-N 结可能被击穿并损坏。
    • 典型值：通常较低，例如 5V。因此，LED 不应承受反向高压。
  4. 亮度 (Luminosity / Luminous Intensity)：
    • 单位通常是毫坎德拉 (mcd) 或流明 (lm)。
    • 与正向电流呈正相关，但并非线性。
  5. 发光角度 (Viewing Angle)：
    • 光线发散的角度。有窄角 (聚焦) 和广角 (漫射) LED。
  6. 波长 (Wavelength)：
    • LED 发光的颜色是由其发出光的波长决定的，单位是纳米 (nm)。

三、LED 驱动电路与限流电阻

LED 是电流驱动型器件，其亮度主要由流过它的电流决定。如果直接将 LED 连接到电源，由于其正向压降的特性，微小的电压波动都可能导致电流急剧升高，从而烧毁 LED。因此，必须使用限流电阻来限制流过 LED 的电流。

3.1 限流电阻计算

根据欧姆定律 (Ohm’s Law)：

$$ R = \frac{(V_{电源} - V_F)}{I_F} $$

其中：

  • $R$：所需限流电阻的阻值 (单位：欧姆 $\Omega$)。
  • $V_{电源}$：电源电压 (单位：伏特 V)。
  • $V_F$：LED 的正向压降 (单位：伏特 V)。
  • $I_F$：LED 期望的正向工作电流 (单位：安培 A)。

示例：
假设使用一个 5V 电源，点亮一个正向压降 $V_F = 2V$ 且期望工作电流 $I_F = 20mA$ (即 0.02A) 的红色 LED。

$$ R = \frac{(5V - 2V)}{0.02A} = \frac{3V}{0.02A} = 150\Omega $$

所以需要一个 150 欧姆的限流电阻。如果没有精确的电阻值，可以选择略大一点的电阻，这样电流会略小，LED 亮度略低但更安全。

3.2 限流电阻的功率计算

电阻在工作时会消耗功率产生热量，需要确定电阻的额定功率。

$$ P_R = I^2 \times R \quad \text{或} \quad P_R = (V_{电源} - V_F) \times I_F $$

使用上面的例子：

$$ P_R = (5V - 2V) \times 0.02A = 3V \times 0.02A = 0.06W $$

通常，标准碳膜电阻的额定功率为 1/4W (0.25W) 或 1/8W (0.125W)。0.06W 远小于 0.125W，因此一个 1/8W 的普通电阻就足够了。

3.3 串联与并联多个 LED

  • 串联 LED：当多个相同颜色的 LED 串联时，总的正向压降增加。
    • $V_{总F} = V_{F1} + V_{F2} + …$
    • $R = \frac{(V_{电源} - V_{总F})}{I_F}$
    • 注意：电源电压必须大于所有 LED 的总正向压降。
  • 并联 LED：每个 LED 需要独立的限流电阻，或者使用恒流源驱动。
    • 强烈不建议将多个 LED 直接并联到同一个限流电阻，因为即使是同批次的 LED，其 $V_F$ 也可能存在微小差异，导致电流分配不均，某个 LED 可能因电流过大而烧毁。

基本驱动电路示意图：

四、LED 的种类与应用

随着技术发展，LED 的种类和应用越来越丰富：

  1. 指示灯 LED：最常见的用途，用于电源指示、状态显示等。
    • 典型产品：5mm 圆头 LED、3mm 圆头 LED、贴片 LED (SMD LED)。
  2. 高亮度/大功率 LED：用于照明、路灯、汽车灯、手电筒等。
    • 特点：通常需要更大的电流和更高效的散热片。
  3. RGB LED：在一个封装内集成红、绿、蓝三种颜色的 LED 芯片，通过调节各颜色亮度比例，可调出各种颜色光。
    • 类型：
      • 共阳 (Common Anode)：三色 LED 的阳极连接在一起，连接到 VCC。独立控制三个阴极接地。
      • 共阴 (Common Cathode)：三色 LED 的阴极连接在一起，连接到 GND。独立控制三个阳极连接 VCC。
      • 可寻址 RGB LED (Addressable RGB LED)：如 WS2812B (也被称为 NeoPixel)，每个 LED 内部集成驱动芯片和数据接口，只需一根数据线即可控制多颗 LED 的颜色和亮度。
  4. 红外 LED (IR LED)：发出人眼不可见的红外光，用于遥控器、夜视监控、光电耦合器等。
  5. 紫外 LED (UV LED)：发出紫外光，用于杀菌、固化、伪钞识别等。
  6. OLED (有机发光二极管)：基于有机材料的发光二极管，无需背光，自发光，具有高对比度、宽视角、响应速度快等优点，广泛用于智能手机、电视等显示屏。

五、LED 的优缺点

优点：

  • 高能效：电光转换效率高，节省能源。
  • 寿命长：通常可达数万小时，远超白炽灯和荧光灯。
  • 体积小巧：易于集成到各种设备中，实现小型化设计。
  • 响应速度快：毫秒级甚至微秒级的开关速度。
  • 颜色丰富：通过不同材料直接发出不同颜色的光，无需滤光片。
  • 耐震动：固态器件，无灯丝，抗冲击和震动能力强。
  • 环保：不含汞等有害物质，易于回收。
  • 可调光性好：通过 PWM 或电流调节可实现精确调光。

缺点：

  • 散热问题：大功率 LED 产生大量热量，需要有效的散热设计，否则会影响寿命。
  • 成本较高：相对于传统白炽灯，初始购买成本可能较高。
  • 显色指数 (CRI) 问题：早期白光 LED 的显色性不如传统光源，但目前已大大改善。
  • 蓝光危害：部分高色温白光 LED 蓝光成分过高，需注意防护。
  • 指向性强：多数 LED 发光角度较窄，需要光学设计来扩散光线。

六、总结

发光二极管是电子技术发展史上的一个里程碑式创新。从最初的指示灯到如今无处不在的照明和显示应用，LED 以其独特的优势深刻地改变了我们的生活。理解其 P-N 结发光原理、关键电学参数以及如何正确使用限流电阻进行驱动，是每个电子爱好者和工程师的基础知识。随着技术的不断进步，LED 将在更广阔的领域发挥其潜力，为我们带来更高效、更智能、更环保的光明未来。