发光二极管 （LED） 是高效的半导体，通过电致发光的过程产生光。它们比白炽灯或荧光灯更小、更耐用且更可靠。LED 广泛应用于照明、显示器和专业领域，具有高性能和节能的特点。本文提供有关 LED 的工作原理、特性、寿命和高级类型的信息。
LED概述
发光二极管 （LED） 是一种半导体器件，当电流正向流过它时会产生光。与通过加热灯丝发光的白炽灯泡或依赖气体激发的荧光灯不同，LED 通过电致发光发挥作用，电致发光是电子与半导体内部空穴重新结合时光子的直接发射。这一过程使它们比旧技术更加高效和可靠。LED 因其紧凑的设计、较长的使用寿命、抗冲击和振动的耐用性以及最小的功耗而脱颖而出。
半导体中的发光
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解释了半导体中的发光过程，这是 LED 背后的工作原理。当半导体被电流或光注入激发时，电子从价带移动到导带，从而在电子和空穴之间形成分离。这种能量差称为带隙 （Eg）。
一旦被激发，导带中的电子最终会与价带中的空穴重新结合。在这个复合过程中，损失的能量以光子的形式释放。发射光子的能量与材料的带隙完全对应，这意味着光的波长（或颜色）取决于半导体的带隙。
LED电气特性
| LED颜色 | 正向电压 （Vf） | 正向电流 （mA） | 笔记 |
|---|---|---|---|
| 红色 | 1.6 – 2.0 伏 | 5 – 20 毫安 | 最低的 Vf，高效 |
| 绿色 | 2.0 – 2.4 伏 | 5 – 20 毫安 | 稍高的 Vf |
| 蓝色 | 2.8 – 3.3 伏 | 5 – 20 毫安 | 需要更高的电压 |
| 白色 | 2.8 – 3.5 伏 | 10 – 30 毫安 | 采用蓝色 LED + 荧光粉涂层制成 |
LED发光输出及光效
| 光源 | 功效（流明每瓦） | 笔记 |
|---|---|---|
| 白炽灯泡 | \~10–15 流明/瓦 | 大部分能量以热量的形式损失 |
| 卤素灯 | \~15–25 流明/瓦 | 比白炽灯略好 |
| 荧光灯管 | \~50–100 流明/瓦 | 需要镇流器，含有汞 |
| 紧凑型荧光灯 （CFL） | \~60–90 流明/瓦 | 小型，正在逐步淘汰 |
| 现代 LED | 120–200 流明/瓦 | 可用于消费类照明 |
| 高端 LED 原型 | 250–300+ 流明/瓦 | 经过实验室测试，显示未来潜力 |
LED色彩和渲染质量
相关色温 （CCT）
• 暖白 （2700K–3500K）：产生淡黄色光芒，最适合客厅、餐厅和舒适的室内环境。
• 中性白 （4000K–4500K）：平衡舒适，常用于办公室、教室和零售空间。
• 冷白光 （5000K–6500K）：清晰、蓝色的日光般的光，非常适合户外照明、车间和任务繁重的环境。
显色指数 （CRI）
• 显色指数 ≥ 80：适用于家庭和商业照明。
• CRI ≥ 90：需要精确色彩判断的领域，例如艺术工作室、医疗机构和高端零售。
LED 寿命和流明维护
L70 标准
LED 寿命由 L70 标准衡量。该值表示 LED 的光输出降至其原始亮度的 70% 之前的工作小时数。此时，LED 仍然正常工作，但不再提供其预期的照明质量。L70 确保以一致的方式比较不同制造商的 LED 性能。
LED 寿命
• 消费类 LED：使用时间为 25,000 – 50,000 小时。
• 工业 LED：50,000 – 100,000+ 小时，专为更恶劣的条件和更高的占空比而设计。
LED热管理
结温 （Tj）
结温是LED芯片内部产生光的点的内部温度。制造商规定的安全工作范围低于 125 °C。 如果超过此值，LED 的亮度、效率和寿命都会降低。保持较低的 Tj 可确保 LED 能够满足其额定性能。
结到环境热路径
LED 内部产生的热量必须从结点传播到周围的空气中。这条路径称为结点到环境路径。设计人员使用热阻 （RθJA）（以 °C/W 表示）来测量其有效性。较低的热阻意味着热量传递效率更高，使 LED 保持凉爽和稳定。
冷却方式
• 散热器 - 铝制翅片吸收热量并将其散发给 LED。
• 热通孔 - PCB 上的小电镀孔将热量从 LED 焊盘传导到铜层。
• 金属芯 PCB （MCPCB） - 这些板用于大功率 LED，具有可有效传递热量的金属底座。
• 主动冷却 - 风扇或液体冷却系统用于要求苛刻的环境，例如投影仪、体育场照明或工业固定装置。
LED驱动方式
恒流驱动器
恒流驱动器即使在电源电压波动时也能保持 LED 电流稳定。这是为 LED 供电的最可靠方式，因为它可以防止热失控并保持一致的光输出。高质量驱动器通常包括针对短路、浪涌和过热条件的保护。
PWM调光
脉宽调制 （PWM） 通过以非常高的速度打开和关闭 LED 来控制亮度。通过调整占空比（导通时间与关断时间的比率），感知亮度变化平滑。由于开关频率高于人眼的检测范围，因此光线显得稳定。低频 PWM 设计不当的系统会导致可见的闪烁，从而导致眼睛疲劳或相机伪影。
模拟调光
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在模拟调光中，通过改变流过 LED 的电流幅度来调节亮度。这种方法可以避免闪烁问题，但可能会稍微改变 LED 的颜色，尤其是在非常低的亮度水平下。在高级系统中，模拟调光通常与PWM相结合，以实现平滑的色彩控制和精确的亮度调节。
LED封装和光学器件
表面贴装器件 （SMD） LED
SMD LED 是现代照明中最常用的类型。它们直接安装在 PCB 上，并具有标准尺寸，例如 2835 和 5050。SMD LED 具有良好的效率和灵活性，最适合 LED 灯条、家用灯泡和面板灯。其紧凑的尺寸可以轻松集成到轻薄的固定装置中。
板载芯片 （COB） LED
COB 封装将多个 LED 芯片直接安装在单个基板上，从而形成密集的光源。与单个 SMD 相比，这种设计可提供更高的亮度、更平滑的光输出并减少眩光。COB LED 用于需要强定向照明的聚光灯、筒灯和大功率灯。
芯片级封装 （CSP） LED
CSP 技术消除了笨重的封装，将 LED 缩小到几乎与半导体芯片本身相同的尺寸。这允许更小、更高效和热稳定的设计。CSP LED 广泛应用于需要紧凑性和耐用性的汽车前灯、智能手机背光和显示面板。
光学和光束控制
LED 封装发出的生光并不总是适合直接使用。为了塑造和引导光线，设计师使用透镜等光学元件来聚焦或传播光线。用于重定向和控制光束角度的反射器。用于柔和、均匀照明的扩散器。
专用 LED 类型
紫外线 LED
发射紫外线，用于灭菌、粘合剂固化和假冒检测。安全、紧凑的汞紫外灯替代品。
红外 LED
为遥控器、夜视和生物识别系统产生不可见的红外光。高效，广泛应用于电子和安全领域。
OLED
薄而柔性的有机 LED 用于智能手机、电视和可穿戴设备。提供鲜艳的色彩和对比度，但使用寿命较短。
微型 LED
下一代显示器提供比 OLED 更亮、更高效、更持久的性能。最适合 AR/VR、电视和智能手表。
激光二极管
产生相干高强度光束的半导体器件。用于光纤、扫描仪、医疗工具和激光笔。
结论
LED 已发展成为用于照明、显示器和先进技术的多功能组件。它们的效率、耐用性和可控性使其有别于旧光源。UV、IR、OLED 和 micro-LED 等特殊形式进一步扩大了它们的作用。随着不断改进，LED 仍然是可持续和高性能照明系统未来的核心。
常见问题 [FAQ]
第一季度。LED 由什么材料制成？
LED 由砷化镓 （GaAs）、磷化镓 （GaP） 和氮化镓 （GaN） 等半导体制成。
第二季度。为什么 LED 需要电阻器？
电阻器限制电流并保护 LED 免于烧坏。
第三季度。白光LED是如何制造的？
白光 LED 使用带有黄色荧光粉涂层的蓝色 LED 芯片来产生白光。
第四季度。为什么 LED 会随着时间的推移而变色？
LED 会因热量和材料降解以及荧光粉降解而变色。
第五季度。LED可以在极端环境下工作吗？
是的。通过正确的设计，LED 可以在非常冷、热、潮湿或多尘的条件下运行。
第 6 季度。如何测试 LED 寿命？
LED 经过热、湿度和电应力测试，以估计使用寿命。