1. LED百年简史 2. Haitz's law 3. 光半导体的类型 4. LED的发光原理 4.1 LED的波长范围与材料 4.2 可见光谱 4.3 LED颜色波长与材料表 5. LED指示灯串联电阻计算 6. LED照明灯恒流电源 7. 恒流二极管
LED
发光二极管（英语：light-emitting diode，LED）是一种半导体光源，当电流通过它时会发光； 即一种电致发光的半导体电子器件，其内电子与电子空穴复合，以光子的形式释放能量。
发光二极管具有效率高、寿命长、不易破损、反应速度快、可靠性高等传统光源不及的优点。
1. LED百年简史
LED century history
1907年。 电致发光现象是由英国马可尼实验室的实验员HJ Round于 1907 年使用碳化硅晶体和猫须探测器发现的。
之后陆续发现了硫化锌(ZnS)，碳化硼，锑化镓(GaSb)、GaAs、铟等的发光现象。 半个世纪后才进入商业用途。
之后陆续发现了硫化锌(ZnS)，碳化硼，锑化镓(GaSb)、GaAs、铟等的发光现象。 半个世纪后才进入商业用途。
| Year | 单位或人员及(材料) | 特点 | 60年代。进入商业化用途。 |
| 1962 | 通用电气Biard; Pittman. (GaAs) | 890 nm红光 | GaAs 红外光专利 -发光二极管（美国专利US3293513），第一个实用的LED。可发出 890 nm 的光输出 |
| 1969 | HP (GaAsP) | LED显示屏 | HP Model 5082-7000数字指示器，(集成LED电路设备)。取代了数码管，成为后来LED显示屏的基础。 |
| Year | 单位或人员及(材料) | 特点 | 70年代。此时的LED单价已从1968年每单位200美元降到$0.05。 |
| 1972 | M. George Craford | 黄色 LED | 发明了第一个黄色 LED，并将红色和红橙色 LED 的亮度提高了十倍。 |
| 1972 | Herb Maruska; Wally Rhines (GaN) |
蓝色 LED | 镁掺杂氮化镓的蓝紫色 LED 。 |
| 1989 | Cree (SiC) | 效率为 3% | 1989 年 8 月，Cree推出了首款基于间接带隙半导体碳化硅 (SiC)的商用蓝色 LED 。 SiC LED 的效率非常低，不超过约 0.03%，但确实发射可见光谱的蓝色部分。 |
| 1993 | 日亚化学中村修二 (GaN) | 效率为 10% | 当时一般的LED工作功率都小于30－60 mW（毫瓦）。 |
| 1999 | 1W | 输入功率达1W（瓦）的发光二极管商品化。 | |
| 2002 | 22 lm/W | 5W的发光二极管的出现，而其效率大约是每瓦18－22 lm（流明）。 | |
| 2003 | Cree, Inc. | 65 lm/W | 新款的蓝光发光二极管，在20 mW下效率达35%。达65 lm/W（流明每瓦）的白光发光二极管商品，这是当时市场上最亮的白光发光二极管。 |
| Year | 单位或人员 | 特点 | 21世纪。快速广泛的普及到千家万户… |
| 2010 | Philips Lumileds | 208 lm/W | 白色LED在受控的实验室环境内，以标准测试条件及以350 mA电流推动下得出208 lm/W， |
| 2012 | 科锐(Cree) | 254 lm/W | 推出254 lm/W光效再度刷新功率。 |
| 2014 | 303 lm/W | 303 流明 (lm/W). 可持续使用长达 100,000 小时。 | |
| 2017 | 飞利浦 | 200 lm/W | 200 lm/W 的消费类 LED |
2. Haitz's law
海兹定律是对发光二极管(LED)多年来稳步改进的观察和预测。
它声称，对于给定的光波长（颜色）， 每十年，每流明（发出的有用光的单位）成本会下降 10 倍， 而每个 LED 封装产生的光量会增加 20 倍。
它被认为是摩尔定律的LED 对应物，摩尔定律指出，给定集成电路中的晶体管数量每 18 到 24 个月就会增加一倍。 这两个定律都依赖于半导体器件生产的工艺优化。
海茨定律以Roland Haitz（1935-2015）的名字命名，是安捷伦科技公司的一位科学家。 它在 Strategies in Light 2000 上首次向广大公众展示，这是 Strategies Unlimited 组织的一系列年度会议中的第一个。 除了预测每流明的成本和每封装的光量呈指数级增长外，该出版物还预测基于LED的照明的光效将在2020年达到200 lm/W（流明每瓦），突破100 lm /W 于 2010 年。 2017 年，飞利浦照明开始使用 LED 灯丝技术在迪拜提供光效为 200 lm/W 的消费类 LED 灯，比海茨定律预测的时间早了三年。
截断黑体白光源（色温为 5800K，波长限制在 400nm 至 700nm 之间的可见光波段）的理论最大值为 251 lm/W。 然而，一些“白色”LED 的光效已超过 300 lm/W。
3. 光半导体的类型
原文可下载pdf:
光半导体的类型如下：
- 发光器件: 可见光LED、红外LED、紫外LED、激光二极管
- 受光器件: 光传感器(Photodiode)、太阳能电池、CMOS传感器
- 复合器件: (发光与受光的组合元件) 光耦(Photocouplers)、光纤耦合器(Fiber couplers)
4. LED的发光原理
发光二极管（LED）的发光原理是向化合物半导体的pn结施加正向电流。
当正向电流通过发光二极管时，载流子（电子和空穴）移动。 p型区的空穴向n型区移动，n型区的电子向p型区移动。 注入的载流子重组，重组前后的能量差将以光的形式释放出来。 发射光取决于化合物半导体的能隙（Eg）。
（备注：传统的硅二极管不发光，因为重组能量变成了热能。）
4.1 LED的波长范围与材料
LED发射不同波长的紫外光乃至红外光。发射波长将通过下面采用化合物半导体材料能隙（Eg）的等式进行表示。
λ（nm）＝1240/Eg（eV）
具有较大能隙的材料发射较短的波长，具有较小能隙的材料发射较长的波长。
- 对于应用于电视遥控器等的红外LED，使用GaAs（砷化镓）材料；
- 对于红色／绿色指示器LED，使用GaP（磷化镓）或InGaAlP（磷化铝镓铟）；
- 对于蓝色LED，使用InGaN（氮化铟镓）或GaN（氮化镓）。
4.2 可见光谱
| Visible spectrum | Wavelength 波长 (nm) |
Frequency 频率 (THz) |
Photon energy | 可见光谱 | | | LED Color |
Wavelength 波长 (nm) |
补充 | ||||
| violet | 380 | 450 | 670 | 790 | 2.75 | 3.26 | purple | | | 紫色 | 370 | 410 | |
| blue | 450 | 485 | 620 | 670 | 2.56 | 2.75 | 蓝色 | | | 蓝色 | 450 | 480 | 白光(450~465) |
| cyan | 485 | 500 | 600 | 620 | 2.48 | 2.56 | 青色 teal | | | 绿色 | 495 | 530 | |
| green | 500 | 565 | 530 | 600 | 2.19 | 2.48 | 绿色 | | | 黄绿 | 565 | 575 | |
| yellow | 565 | 590 | 510 | 530 | 2.1 | 2.19 | 黄色 | | | 黄色 | 580 | 595 | |
| orange | 590 | 625 | 480 | 510 | 1.98 | 2.1 | 橙色 | | | 橙色 | 600 | 610 | |
| red | 625 | 750 | 400 | 480 | 1.65 | 1.98 | 红色 | | | 红色 | 615 | 650 | |
| 波长 (nm) | 频率 (THz) | 光能 (eV) | 颜色 | | | 波长 (nm) | |||||||
4.3 LED颜色波长与材料表
注：这里的数值可供当前(2024)参考，不同的来源，收集到的数据都有所差异。制作工艺一直变化，产品性能也持续的加强。
| Color | Wavelength [nm] | Voltage drop [ΔV] | Semiconductor material 半导体材料 | 颜色 |
| Infrared | λ > 760 | ΔV < 1.63 | Gallium arsenide (GaAs) 砷化镓; Aluminium gallium arsenide (AlGaAs) 砷化铝镓. | 红外线 |
| Red | 610 < λ < 760 | 1.63 < ΔV < 2.03 | AlGaAs, GaAsP, AlGaInP, GaP. | 红色 |
| Orange | 590 < λ < 610 | 2.03 < ΔV < 2.10 | Gallium arsenide phosphide (GaAsP) 磷化砷化镓; Aluminium gallium indium phosphide (AlGaInP) 磷化铝镓铟; GaP. |
橙色 |
| Yellow | 570 < λ < 590 | 2.10 < ΔV < 2.18 | GaAsP, AlGaInP, Gallium(III) phosphide (GaP) 磷化镓. | 黄色 |
| Green | 500 < λ < 570 | 1.9 < ΔV < 4.0 | AlGaInP, GaP, Aluminium gallium phosphide (AlGaP) 磷化铝镓. Pure green: (InGaN) / Gallium(III) nitride (GaN) 氮化镓 |
绿色 |
| Blue | 450 < λ < 500 | 2.48 < ΔV < 3.7 | InGaN, Zinc selenide (ZnSe) 硒化锌. Synthetic sapphire, Silicon carbide (SiC) as substrate with or without epitaxy, 合成蓝宝石、碳化硅 (SiC) 作为衬底(带或不带外延), Silicon (Si) as substrate—under development (epitaxy on silicon is hard to control) 硅 (Si) 作为衬底 – 正在开发中(硅上的外延难以控制) |
蓝色 |
| Violet | 400 < λ < 450 | 2.76 < ΔV < 4.0 | Indium gallium nitride (InGaN) 氮化铟镓. | 紫色 |
| Ultraviolet | λ < 400 | 3 < ΔV < 4.1 | InGaN (385-400 nm) 氮化铟镓; Diamond (235 nm) 金刚石; Boron nitride (215 nm) 氮化硼; Aluminium nitride (AlN) (210 nm) 氮化铝; Aluminium gallium nitride (AlGaN) 氮化铝镓; Aluminium gallium indium nitride (AlGaInN) 氮化铝镓铟—down to 210 nm |
紫外线 |
| Pink | Multiple types | ΔV ≈3.3 | Blue with one or two phosphor layers, yellow with red, orange or pink phosphor added afterwards, white with pink plastic, or white phosphors with pink pigment or dye over top. 蓝色带有一层或两层荧光粉, 黄色带有随后添加的红色,橙色或粉色荧光粉, 白色带有粉红色塑料, 或者白色荧光粉上面带有粉红色颜料或染料。 |
粉色 |
| Purple | Multiple types | 2.48 < ΔV < 3.7 | Dual blue/red LEDs, blue with red phosphor, or white with purple plastic 双蓝/红 LED, 蓝色带红色荧光粉, 或白色带紫色塑料 |
紫色 |
| White | Broad spectrum 广谱 |
2.8 < ΔV < 4.2 | Cool / Pure White: Blue/UV diode with yellow phosphor 冷/纯白: 带有黄色荧光粉的蓝色/紫外二极管 Warm White: Blue diode with orange phosphor 暖白色: 带有橙色荧光粉的蓝色二极管 |
白色 |
| Color | GaAs | AlGaAs | GaAsP | GaP | AlGaInP | AlGaP | InGaN | GaN | ZnSe | 颜色 |
| Infrared | 1 | 1 | 红外线 | |||||||
| Red | 1 | 1 | 1 | 1 | 红色 | |||||
| Orange | 1 | 1 | 1 | 橙色 | ||||||
| Yellow | 1 | 1 | 1 | 黄色 | ||||||
| Green | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 绿色 | ||||
| Blue | 1 | 1 | 蓝色 | |||||||
| Violet | 1 | 紫色 | ||||||||
| Ultraviolet | 1 | 紫外线 |
5. LED指示灯串联电阻计算
在纽扣电池供电的钥匙圈型 LED 灯中，电池本身的电阻通常是唯一的限流装置。
考虑到电源电压被二极管两端的电压降所抵消，串联电阻的值可以从欧姆定律获得，该电压降在有用电流范围内变化很小：
R=(Vpower-Vled-Vswitch)/Iled
Iled=(Vpower-Vled-Vswitch)/R
下表是电流1mA和5mA的LED指示灯电阻计算结果，可以按照电源电压查阅所需的限流电阻。
优先选择1mA的，即在可选范围内优选较大的电阻，电流越小，耗能越少。
后面有计算出1mA下电阻与指示灯的耗能。(P=UI, P=U2/R)
220v交流电，比如插排带led指示灯的，一年大概消耗2度电。
5v电源适配器的led指示灯及限流电阻理论上，大约需要22年才消耗1度电(不包括电源适配器，降压电路的变压器，线路板其他电子元器件的耗电)。
考虑到电源电压被二极管两端的电压降所抵消，串联电阻的值可以从欧姆定律获得，该电压降在有用电流范围内变化很小：
R=(Vpower-Vled-Vswitch)/Iled
Iled=(Vpower-Vled-Vswitch)/R
- R 是以欧姆为单位的电阻，通常向上舍入到下一个更高的电阻值。
- Vpower 是电源电压，单位为伏特，例如 9 伏电池。
- Vled 是 LED 上的 LED 正向压降。(默认取2.5v即可) 通常，LED 的正向电压在 1.8 至 3.3 伏之间。它因 LED 的颜色而异。 比如红色(1.7 ~ 2.0v), 蓝色(3 ~ 3.3)。波长越短，能级越高，需要电压也越高。可参照以上表格: 4.2 可见光谱 or 4.3 LED颜色波长与材料表
- Vswitch 是开关两端的电压降：
- (A) 对于无开关，使用 0 伏，
- (B) 对于机械开关，使用 0 伏，
- (C) 对于BJT 晶体管，使用VCE(sat)晶体管数据表中的集电极-发射极饱和电压。
- Iled 是所需的 LED 电流。(默认取0.001~0.005A) LED 数据表中显示了最大连续导通电流，例如大多数小型 LED 的常见电流为 20 mA (0.020A)。许多电路以低于指定最大电流的电流运行 LED，以节省电力、降低亮度或使用通用电阻值。 对于室内使用，微型表面贴装高效 LED 仅需1 mA (0.001A) 或更大的电流即可点亮 ，大多数数字逻辑输出都可以轻松提供或吸收该电流。
下表是电流1mA和5mA的LED指示灯电阻计算结果，可以按照电源电压查阅所需的限流电阻。
优先选择1mA的，即在可选范围内优选较大的电阻，电流越小，耗能越少。
后面有计算出1mA下电阻与指示灯的耗能。(P=UI, P=U2/R)
220v交流电，比如插排带led指示灯的，一年大概消耗2度电。
5v电源适配器的led指示灯及限流电阻理论上，大约需要22年才消耗1度电(不包括电源适配器，降压电路的变压器，线路板其他电子元器件的耗电)。
| 电压 | 电阻范围 (Ω) | 功耗 P=UI (W) | 年耗电 | ?年耗费1度电 | Pled%功耗占比 | 电阻(范围内优先选大) | 电压 | 电阻压降 V*(200Ω~1k) | ||||||
| (V) | R=(U-2.5)/I | I=0.005~0.001 | (度) | (V) | R1= | ~ | R2= | |||||||
| I=0.005 | I=0.001 | 0.005 | 0.001 | (kw) | 0.0125 | U*200Ω | U*1000Ω | |||||||
| 5 | 500 | ~ | 2500 | 0.025 | ~ | 0.005 | 0.0438 | 22.8 | 50.00% | 5 | 500 | 2500 | ||
| 6 | 700 | ~ | 3500 | 0.030 | ~ | 0.006 | 0.0526 | 19.0 | 41.67% | 750 ~ 3.5k | 6 | 700 | 3500 | |
| 9 | 1300 | ~ | 6500 | 0.045 | ~ | 0.009 | 0.0788 | 12.7 | 27.78% | 9 | 1300 | 6500 | ||
| 10 | 1500 | ~ | 7500 | 0.050 | ~ | 0.010 | 0.0876 | 11.4 | 25.00% | 10 | 1500 | 7500 | ||
| 12 | 1900 | ~ | 9500 | 0.060 | ~ | 0.012 | 0.1051 | 9.5 | 20.83% | 2k ~ 10k | 12 | 1900 | 9500 | |
| 15 | 2500 | ~ | 12500 | 0.075 | ~ | 0.015 | 0.1314 | 7.6 | 16.67% | 15 | 2500 | 12500 | ||
| 18 | 3100 | ~ | 15500 | 0.090 | ~ | 0.018 | 0.1577 | 6.3 | 13.89% | 18 | 3100 | 15500 | ||
| 21 | 3700 | ~ | 18500 | 0.105 | ~ | 0.021 | 0.1840 | 5.4 | 11.90% | 21 | 3700 | 18500 | ||
| 24 | 4300 | ~ | 21500 | 0.120 | ~ | 0.024 | 0.2102 | 4.8 | 10.42% | 4.3k ~ 22k | 24 | 4300 | 21500 | |
| 36 | 6700 | ~ | 33500 | 0.180 | ~ | 0.036 | 0.3154 | 3.2 | 6.94% | 36 | 6700 | 33500 | ||
| 48 | 9100 | ~ | 45500 | 0.240 | ~ | 0.048 | 0.4205 | 2.4 | 5.21% | 10k ~ 47k | 48 | 9100 | 45500 | |
| 50 | 9500 | ~ | 47500 | 0.250 | ~ | 0.050 | 0.4380 | 2.3 | 5.00% | 以上可用1/4w电阻 | 50 | 9500 | 47500 | |
| 64 | 12300 | ~ | 61500 | 0.320 | ~ | 0.064 | 0.5606 | 1.8 | 3.91% | 12k(1/2w) ~ 63k | 64 | 12300 | 61500 | |
| 72 | 13900 | ~ | 69500 | 0.360 | ~ | 0.072 | 0.6307 | 1.6 | 3.47% | 15k(1/2) ~ 75k | 72 | 13900 | 69500 | |
| 100 | 19500 | ~ | 97500 | 0.500 | ~ | 0.100 | 0.8760 | 1.1 | 2.50% | 20k(1/2w) ~ 100k | 100 | 19500 | 97500 | |
| 110 | 21500 | ~ | 107500 | 0.550 | ~ | 0.110 | 0.9636 | 1.0 | 2.27% | 110 | 21500 | 107500 | ||
| 220 | 43500 | ~ | 217500 | 1.100 | ~ | 0.220 | 1.9272 | 0.5 | 1.14% | 47k(1w) ~ 220k(1/4w) | 220 | 43500 | 217500 | |
| 380 | 75500 | ~ | 377500 | 1.900 | ~ | 0.380 | 3.3288 | 0.3 | 0.66% | 75k(2w) ~ 380k(1w) | 380 | 75500 | 377500 | |
6. LED照明灯恒流电源
LED照明灯PWM调光
LED 的电压与电流特性与任何二极管相似。 根据肖克利二极管方程，电流近似为电压的指数函数，电压的微小变化可能会导致电流的较大变化。(Shockley diode equation or diode law) 如果电压低于或等于阈值，则没有电流流动，结果是 LED 不亮。 如果电压太高，电流将超过最大额定值，导致 LED 过热并可能损坏。
驱动器可以是恒流（CC）或恒压（CV）。constant current (CC) or constant voltage (CV) 在 CC 驱动器中，电压发生变化，而电流保持不变。 当 LED 电路的电负载未知或波动时，使用 CC 驱动器，例如，可能安装数量可变的 LED 灯具的照明电路。 随着 LED 升温，其电压降会减小（带隙减小）。这可以促使电流增加。
串联电阻是稳定 LED 电流的简单方法，但电阻会浪费能量。 有源恒流通常使用耗尽型 MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）进行调节，这是最简单的限流器。 低压差(LDO) 恒流稳压器还允许 LED 总电压占电源电压的较高部分。 开关模式电源（例如降压、升压和升降压转换器）用于LED 手电筒和家用LED 灯。 功率 MOSFET通常用于开关 LED 驱动器，这是驱动高亮度 LED 的有效解决方案。 功率 集成电路(IC) 芯片广泛用于直接驱动 MOSFET，无需额外的电路。
7. 恒流二极管
https://wiki.dzsc.com/4242.html恒流二极管(以下简称CRD, Current Regulative Diode)就好像其名字一样就算电压有变动,但是可提供固定电流的二极管。 从1V以下的底电压到100V的高电压的广范电压范围内可经常提供稳定的电流的零部件。 也就是说,就算所附加电压的变动,负载阻抗的变化,异常的电压的产生的情况下都可以提供稳定的电流给负载。 一般而言,稳定电流线路的构成是非常复杂的,它是由好几个零部件所构成的,而且,设计也不简单。 但是,只要CRD部件一个就可以很简单的实现恒流的特性。
应用于LED的CRD特性
- 单一个CRD就有可能点亮LED
- 虽然电源电压会变动,可是LED可在稳定的亮度上点亮。1V以下到100V广范围的电压都可以动作。
- 虽然LED的Vf有误差,可是可以得到稳定亮度。
- 并联连接使用可以对应在定额大的LED。
- 周围温度升高的话,电流值会变小,因此可以保护LED
- 和整流二极管一起使用的话,交流电亦可使用。
- 使用交流的情况下,周波数虽然有变化,可是亮度不会变化。周波数特性特好,可用到10MHz的周波数。
- 无共振现象,不会有信号干扰。
如上所述，CRD和LED有很好的匹配性,而且可以保护LED免受由于过电流,过电压的变动,周波数的变动所照成的外围破坏。 而且,它还是一个可以无视LED Vf的误差可以得到稳定亮度的零部件。
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