一、發(fā)光二極管（LED）概述

發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，簡稱 LED）是目前應(yīng)用最廣泛的半導(dǎo)體器件之一，廣泛存在于電視機(jī)、彩色顯示屏、指示燈、數(shù)碼管、背光源以及各類狀態(tài)顯示電路中。

從本質(zhì)上看，LED 仍然是一個(gè) PN 結(jié)二極管：

• 在正向偏置時(shí)導(dǎo)通，并在 PN 結(jié)處發(fā)光；

• 在反向偏置時(shí)截止，阻止電流流過（正常工作時(shí)不會(huì)用其反向）。

不同于普通整流二極管的是：
LED 被專門設(shè)計(jì)為在正向?qū)〞r(shí)，將一部分電能以光子形式釋放出來，從而實(shí)現(xiàn)“電能 → 光能”的轉(zhuǎn)換。

二、LED 的結(jié)構(gòu)與發(fā)光機(jī)理

2.1 發(fā)光的物理過程

LED 采用較重?fù)诫s的薄層半導(dǎo)體材料制成，形成一個(gè) PN 結(jié)。當(dāng) LED 正向偏置時(shí)：

1. 電子由導(dǎo)帶（conduction band）注入結(jié)區(qū)；

2. 空穴由價(jià)帶（valence band）注入結(jié)區(qū)；

3. 電子與空穴在 PN 結(jié)附近復(fù)合；

4. 復(fù)合時(shí)釋放能量，其中一部分以**光子（photons）**形式發(fā)出。

這些光子具有單一（或較窄帶寬）的波長，因此 LED 發(fā)出的光大致是單色光（monochromatic），即單一顏色或非常窄的顏色范圍。

這層發(fā)光區(qū)域非常薄，因此能有相當(dāng)數(shù)量的光子從結(jié)區(qū)逃逸出來，對(duì)外形成可見或不可見的光輻射。

2.2 封裝結(jié)構(gòu)與光提取

LED 的 PN 結(jié)一般被包封在一個(gè)透明硬質(zhì)環(huán)氧樹脂外殼中。常見結(jié)構(gòu)為半球形圓頂封裝，其作用有三點(diǎn)：

1. 機(jī)械保護(hù)：防振動(dòng)、防沖擊；

2. 光反射與引導(dǎo)：封裝內(nèi)部形狀設(shè)計(jì)，使從結(jié)區(qū)發(fā)出的光盡量反射到上方；

3. 頂部圓頂作透鏡：半球形頂部具有會(huì)聚作用，使光看上去在頂端最亮。

實(shí)際上，LED 結(jié)區(qū)本身發(fā)光并不強(qiáng)，外加塑封和幾何結(jié)構(gòu)主要是在“提高光提取效率”。
除了常見的圓頂形外，還有矩形、柱狀、條形、箭頭形等封裝，用于指示、條形顯示等。

幾乎所有現(xiàn)代 LED 都有兩根引腳，并通過以下方式區(qū)分極性：

• 較長的引腳通常為陽極（+）；

• 較短的引腳為陰極（-）；

• 封裝側(cè)面常有一個(gè)扁平面或缺口標(biāo)記陰極方向。

2.3 “冷光”與壽命優(yōu)勢(shì)

與白熾燈不同，LED 發(fā)光時(shí)產(chǎn)生的熱量遠(yuǎn)小于光能，因而被稱為**“冷光源”**。
這帶來幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：

• 能量大部分以可見光形式輻射 → 效率高；

• 無燈絲燒斷問題 → 壽命長；

• 固態(tài)結(jié)構(gòu) → 抗沖擊、體積小。

三、LED 顏色與半導(dǎo)體材料

3.1 顏色由材料決定，而非外殼顏色

不同于普通二極管大量使用硅或鍺，LED 使用的是各種“化合物半導(dǎo)體”。
常見材料包括：

• 砷化鎵（GaAs）

• 磷化鎵（GaP）

• 砷化磷化鎵（GaAsP）

• 碳化硅（SiC）

• 氮化銦鎵（GaInN）

• 以及摻雜鋁、氮、鋅、硒等其他組分

關(guān)鍵點(diǎn)：

LED 的光顏色由其 PN 結(jié)材料的“帶隙能量”決定，也就是決定了光子的波長 λ。

塑料外殼的顏色 并不決定 LED 的發(fā)光顏色，它只是：

• 增強(qiáng)視覺效果（例如紅燈加紅殼）；

• 在未通電時(shí)，幫助識(shí)別顏色。

3.2 典型材料、波長、顏色與 VF

典型 LED 參數(shù)（20mA 正向電流，近似值）如下：

由表可見：

• 波長越短（光能量越高，如藍(lán)光、白光），所需正向電壓 VF 越高；

• 低能量如紅外、紅光則 VF 較低（約 1.2–2.0 V）。

3.3 常見 LED 材料類型

通過混合不同半導(dǎo)體、金屬和氣體，可制備出不同波長和亮度的 LED，常見類型包括：

• GaAs：紅外

• GaAsP：紅至紅外、橙

• AlGaAsP：高亮度紅、橙紅、橙、黃

• GaP：紅、黃、綠

• AlGaP：綠

• GaN：綠、翠綠

• GaInN：近紫外、藍(lán)綠、藍(lán)

• SiC：用作藍(lán)光基底

• ZnSe：藍(lán)

• AlGaN：紫外

典型低成本通用 LED 多為基于砷化磷化鎵（GaAsP）的紅光器件。

四、電氣特性與 I-V 曲線

像普通 PN 結(jié)二極管一樣，LED 的電流與電壓關(guān)系呈指數(shù)型。工程上更關(guān)注的是：

• 前向?qū)妷?VF（典型范圍約 1.2V–3.6V）

• 推薦前向工作電流 IF（一般 10–30 mA）

常用范圍：

• IF ≈ 12–20 mA：指示燈、面板燈常用；

• 5 mA 以下亮度較低；

• 30 mA 以上需注意功率和散熱。

不同顏色的 VF 明顯不同，例如：

• 紅色標(biāo)準(zhǔn) LED：VF 起始約 1.2V；

• 藍(lán)色 LED：VF 可達(dá)約 3.6V。

從 I-V 曲線可見：

• 在 VF 以下，電流非常小；

• 一旦超過 VF，電流迅速上升，因此必須限流。

重要安全原則：

LED 不能直接接在電源上，必須串聯(lián)限流電阻，否則過流會(huì)在瞬間燒毀 LED。

五、LED 串聯(lián)限流電阻的計(jì)算

5.1 單個(gè) LED 的串聯(lián)電阻

最常見的連接方式：
電源 VS → 串聯(lián)電阻 RS → LED → 地

已知：

• 供電電壓：VS

• LED 正向壓降：VF（由顏色和數(shù)據(jù)手冊(cè)給出）

• 期望前向電流：IF

則串聯(lián)電阻 RS 計(jì)算公式為：

RS = (VS - VF) / IF

例 1：單個(gè)琥珀色 LED 限流設(shè)計(jì)

條件：

• LED 顏色：琥珀色

• LED VF ≈ 2.0 V（20mA 時(shí)）

• 電源 VS = 5.0 V（穩(wěn)壓）

• 設(shè)計(jì)目標(biāo)：IF ≈ 10 mA

1）計(jì)算所需串聯(lián)電阻 RS：

RS = (VS - VF) / IF
RS = (5.0V - 2.0V) / 0.01A
RS = 3.0V / 0.01A
RS = 300Ω

實(shí)際選用電阻時(shí)：

• E12 系列中沒有 300Ω；

• 選擇更大的標(biāo)準(zhǔn)值 330Ω 比較安全；

• 此時(shí) LED 電流略小于 10mA。

快速復(fù)算電流（選 330Ω 時(shí)）：

IF = (VS - VF) / RS
IF = (5.0V - 2.0V) / 330Ω
IF ≈ 3.0V / 330Ω ≈ 0.0091A = 9.1mA

2）如果誤用 100Ω 串聯(lián)電阻：

IF = (VS - VF) / RS
IF = (5.0V - 2.0V) / 100Ω
IF = 3.0V / 100Ω = 0.03A = 30mA

30mA 接近或超過許多小型 LED 的額定電流，可能導(dǎo)致過熱與壽命縮短，甚至燒毀。

六、多顆 LED 串聯(lián)的電阻計(jì)算

6.1 三顆串聯(lián)示例

三只 LED 串聯(lián)時(shí)，電流相同，電壓相加。

假設(shè)：

• 每只 LED VF ≈ 1.2V（點(diǎn)亮?xí)r）

• 串聯(lián) 3 只，則總壓降：

  VLED_total = 3 * 1.2V = 3.6V

• 供電電壓 VS = 5V

• 期望電流 IF = 10mA

則串聯(lián)限流電阻 RS 為：

RS = (VS - VLED_total) / IF
RS = (5.0V - 3.6V) / 0.01A
RS = 1.4V / 0.01A
RS = 140Ω

實(shí)際元件中：

• E12 系列沒有 140Ω；

• 選用 150Ω 比較合適，電流略小于 10mA。

多顆 LED 串聯(lián)適合用于高電壓環(huán)境（如 12V、24V），可以減少電阻上耗散的功率。

由于串聯(lián)鏈中電流相同，最好使用同一型號(hào)、同一顏色、特性接近的 LED，以避免亮度不均。

七、LED 驅(qū)動(dòng)電路

7.1 邏輯門直接驅(qū)動(dòng)

TTL 或 CMOS 邏輯門的輸出級(jí)通常既可“源電流”（輸出高電平時(shí)向外提供電流），也可“灌電流”（輸出低電平時(shí)向外吸收電流）。

典型特性（視具體系列而定）：

• 灌電流模式：最大輸出電流可達(dá)約 50mA；

• 源電流模式：受限，約 20～30mA 左右。

無論使用源或灌形式，必須串聯(lián)電阻限制 LED 電流。

7.2 晶體管驅(qū)動(dòng)

當(dāng)：

• 需要驅(qū)動(dòng)多顆 LED；

• 或 LED 陣列電流較大；

• 或不希望邏輯 IC 承擔(dān)過大電流；

可以用 NPN 或 PNP 晶體管作為開關(guān)來驅(qū)動(dòng) LED。
典型結(jié)構(gòu)：

• NPN 低側(cè)開關(guān)：
  電源 → LED + 限流電阻 → NPN 集電極 → 發(fā)射極接地，基極由邏輯驅(qū)動(dòng)；

• PNP 高側(cè)開關(guān)：
  PNP 發(fā)射極接電源，集電極接 LED+電阻，控制信號(hào)通過基極控制其導(dǎo)通。

在任意結(jié)構(gòu)中，串聯(lián)電阻 RS 都是必需的，避免過流損壞 LED 或晶體管。

八、LED 亮度控制與 PWM 調(diào)制

8.1 直接改變電流的局限

LED 是電流型器件，理論上：

• 電流越大 → 光通量越高 → 越亮。

但存在問題：

• 電流過大 → 溫度上升 → 器件壽命下降甚至損壞；

• LED 通常按照某個(gè)標(biāo)稱電流（如 20mA）設(shè)計(jì)光輸出。

將電流降得太低（例如低于 5mA），亮度可能明顯不足甚至不再可見。

8.2 PWM（脈寬調(diào)制）控制亮度

更優(yōu)方案是使用脈寬調(diào)制 PWM來控制亮度：

• 以固定頻率重復(fù)將 LED 快速“開–關(guān)”；

• 改變“導(dǎo)通時(shí)間/周期”的比例（占空比），來控制平均亮度；

• 導(dǎo)通時(shí)電流可以保持在標(biāo)稱值（甚至稍高），但平均功耗仍可控制。

人眼具有“視覺暫留”效應(yīng)：
當(dāng) PWM 頻率足夠高時(shí)（通常 ≥ 100Hz），人眼不會(huì)看見閃爍，而是感受到一個(gè)連續(xù)的平均亮度。
有趣的是，在相同平均功率下，高峰值/短導(dǎo)通的 PWM 常會(huì)讓主觀亮度感覺“更亮”。

九、多色 LED（雙色 / 三色 / 全彩）

9.1 單色 LED 與封裝形式

• 常見標(biāo)準(zhǔn)封裝：5mm、3mm、貼片（SMD）等；

• 最普及且成本最低的大多為 5mm 紅色 GaAsP LED；

• 也可封裝成條形、點(diǎn)陣、數(shù)碼管等復(fù)合結(jié)構(gòu)。

9.2 雙色 LED（Bi-colour LED）

典型結(jié)構(gòu)：兩顆 LED 反向并聯(lián)封裝在一體（一正一反）。

• 正向電流方向 1：點(diǎn)亮 LED1（如綠色）；

• 反向電流方向 2：點(diǎn)亮 LED2（如紅色）；

• 若接在低頻 AC 上，兩只 LED 輪流點(diǎn)亮 → 可看到混合色（如黃色）。

舉例說明（假設(shè) LED1 為綠、LED2 為紅）：

• 電源 + 接端子 A，? 接端子 B：LED1 亮（綠）；

• 電源 + 接端子 B，? 接端子 A：LED2 亮（紅）；

• 若接低頻 AC：兩個(gè)交替亮 → 視覺呈“黃”。

這類器件常用于：

• 極性指示

• 正反狀態(tài)指示

• 簡單三狀態(tài)反饋（正、負(fù)、交流等）

示意表（端子 A 為參考）：

（注：實(shí)際顏色組合取決于封裝內(nèi)兩顆 LED 的顏色搭配）

9.3 三色 LED（Tricolour）

典型三色 LED 通過將紅 + 綠兩顆 LED 集成在一體，且共有一個(gè)陰極或陽極，形成三引腳封裝。例如：共陰極結(jié)構(gòu)：

• 引腳 1：紅 LED 陽極

• 引腳 2：共陰極

• 引腳 3：綠 LED 陽極

通過調(diào)整紅、綠兩個(gè)通道的電流比，可以合成：

• 純紅（只點(diǎn)亮紅 LED）

• 純綠（只點(diǎn)亮綠 LED）

• 橙或黃（紅、綠以一定比例同時(shí)點(diǎn)亮）

示意表（只是一個(gè)示例）：

通過 PWM + 不同占空比組合，可得到更精細(xì)的顏色過渡。
全彩 RGB LED（紅 + 綠 + 藍(lán)三芯）則可通過三路獨(dú)立驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)近似全彩顯示。

十、LED 顯示器與七段數(shù)碼管

將多顆 LED 集中封裝，可以構(gòu)成：

• 條形圖（bargraph）

• 點(diǎn)陣（matrix）

• 數(shù)碼管（7 段 / 14 段 / 16 段）

• 各種自定義圖形

10.1 七段顯示器（Seven Segment Display）

七段顯示器內(nèi)部包含 7 顆獨(dú)立 LED 段（有時(shí)加一點(diǎn)小數(shù)點(diǎn)），每段可以單獨(dú)點(diǎn)亮或熄滅，通過不同組合顯示數(shù)字 0–9，以及部分字母（A–F 等）。

常見有兩種配置：

1）共陰極（Common Cathode，CCD）

• 所有段的陰極連在一起作為公共端；

• 某一段要亮：向該段的陽極輸入高電平（邏輯“1”）；

• 公共陰極接地或低電位。

2）共陽極（Common Anode，CAD）

• 所有段的陽極連在一起作為公共端；

• 某一段要亮：將該段引腳拉低（邏輯“0”），公共陽極接正電源；

• 適合與“低電平有效”的驅(qū)動(dòng)電路配合。

每一段前也通常需要串聯(lián)限流電阻，以控制段電流和亮度。

十一、光耦合器（Opto-coupler / Opto-isolator）

11.1 基本結(jié)構(gòu)與作用

光耦（optocoupler 或 opto-isolator）是 LED 的一個(gè)重要應(yīng)用，它通過光信號(hào)實(shí)現(xiàn)電氣隔離。

典型光耦內(nèi)部包含：

• 輸入側(cè)：一顆紅外發(fā)光二極管（通常為 GaAs 紅外 LED）；

• 輸出側(cè)：光敏器件，如光電二極管、光電晶體管、光電雙向可控硅（photo-triac）等；

• 封裝外殼為不透光塑料，阻斷外界光干擾。

輸入與輸出之間無直連導(dǎo)線，只有光通路。其絕緣耐壓通常可達(dá)：

幾千伏（例如 5000V 級(jí)別）

這允許低壓弱電（如單片機(jī)、計(jì)算機(jī)端）安全地控制高壓或“臟電”側(cè)（如市電驅(qū)動(dòng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等）。

11.2 工作方式與信號(hào)類型

• 當(dāng)輸入側(cè) LED 被正向驅(qū)動(dòng)時(shí)，發(fā)出紅外光；

• 輸出側(cè)光敏器件接收光信號(hào)并導(dǎo)通（或改變阻值/電流）；

• 輸入、輸出之間沒有共地，也無導(dǎo)線連接，從而提供電氣隔離。

光耦主要用于：

• 數(shù)字開關(guān)信號(hào)的隔離（ON/OFF 控制）；

• 工業(yè)控制系統(tǒng)中，單片機(jī)與強(qiáng)電側(cè)隔離；

• 通信接口（如串口、CAN 等）的防雷與保護(hù)。

模擬信號(hào)若需通過光耦，可通過：

• 頻率調(diào)制（FM）；

• 脈寬調(diào)制（PWM）；

將模擬量映射到時(shí)間或頻率，再在對(duì)側(cè)解調(diào)。

總結(jié)

本篇從基礎(chǔ)到應(yīng)用，對(duì) LED 做了較為完整的技術(shù)性梳理，覆蓋了你原文中的所有要點(diǎn)：

• LED 的 PN 結(jié)發(fā)光機(jī)理與封裝結(jié)構(gòu)；

• “冷光源”的優(yōu)勢(shì)和長壽命特性；

• 顏色與半導(dǎo)體材料、波長、正向壓降 VF 之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系；

• 各種典型材料（GaAs、GaP、GaAsP、GaInN 等）和常見顏色；

• 正向 I-V 特性、典型電流范圍（10–30mA）；

• 單 LED 和多 LED 串聯(lián)的限流電阻計(jì)算公式與完整算例；

• 邏輯門驅(qū)動(dòng)、晶體管開關(guān)驅(qū)動(dòng)；

• PWM 控制亮度的原理和視覺暫留效應(yīng)；

• 雙色、三色、多色 LED 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與顏色合成；

• 七段數(shù)碼管的共陰極 / 共陽極驅(qū)動(dòng)方式；

• 光耦的結(jié)構(gòu)、隔離耐壓與在數(shù)字/模擬信號(hào)傳輸中的應(yīng)用。