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【翻译】发光二极管LED

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原帖网址:https://learn.sparkfun.com/tutorials/light-emitting-diodes-leds
作者:NICK POOLE, BBOYHO
译者:0xAA55 + 谷歌翻译

介绍
我们身边有很多发光二极管:手机里、车里,甚至家里。任何时候要是有个电子产品亮了,它基本靠的就是发光二极管。这些发光二极管有各种各样的尺寸、形状、颜色,但不管它们长得多么千奇百怪,它们都有一个共同点:它们是电子产品中的培根。它们基本被用于给各种项目锦上添花,并且被用到看起来不像是需要发光二极管的地方里(来让每个人都觉得这很屌)。

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和培根不同的是,你烤它的话,你得不到任何好处。本文将会帮你防止所有意外的LED烧烤。第一件事,虽说,大家说的LED到底是个啥?

LEDs(读“哎哟噫迪斯”)是一种特定类型的二极管,它能把电能转换为光。事实上,LED是“Light(光) Emitting(发) Diode(二极管)”(中文连起来是“发光二极管”,不是“光发二极管”,看名字你就知道这玩意儿能干啥)并且这被体现在电路图上的LED图标和二极管图标很相像:

51f1c87ace395fea20000004.png

简单来说,LED就像小型电灯泡。然而,对比下来LED显然远比电灯泡更省电,也更有效率。而且它们不会像电灯泡那样变得很热(除非你真的把强电能注入进去)。这就让LED成为移动设备或者各种其它的低功耗应用上的理想发光器。但也不要就此以为大功率玩家用不上它们。高亮度LED可被用于重点照明、聚光灯,甚至车前灯!

你是不是特别想在各种地方都用上LED?紧跟文章内容,我们会告诉你怎么去使用LED!

如何使用
所以你得出了明智的结论,你想在任何地方都使用LED。我们知道你会来的。

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让我们看看规则书:

1)极性很重要
在电子产品里,极性表明了一个电路元件是否对称。LED作为二极管,只允许电流单向流动。并且当没有电流经过的时候,它们就不亮。幸运的是,这也意味着就算你把LED接反了,它也不会坏。只是不亮而已。

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LED的“+”电极叫“阳极”并且它就是那个稍微长一点的“线头”,或者“腿”。另一个“-”的那边是“阴极”。电流从阳极流入阴极,并且不会从阴极流入阳极。一个反接的LED能让整个电路的电流无法流动。所以不要怕,它要是不亮,反过来接一下试试就行了。

2)电流越大亮度越高
LED的亮度直接由经过它的电流强度决定。这意味着两件事。第一件事是超级亮的LED耗费电池更快,因为越亮意味着用的电的量也越大。第二件事是你可以通过控制通过它的电流的量来控制它的亮度。但这并不是你限制电流的唯一原因。

3)有一件事叫“功率太大”
如果你将一个LED直接连接到一个电源,它就会尽它所能地最大化消耗电能并发热,并且,就像奥尔德的悲剧英雄一样,它会自毁。这就是限制流过LED的电流量的重要原因。

为此,我们需要设置电阻。电阻限制电路中的电子流动并保护LED不会吸收太多电流。不用担心秃顶,你只需要一些基本的数学运算就能确定要使用的最佳电阻值。你可以在我们的电阻教程的示例应用中找到所有相关信息!

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(对应链接:https://learn.sparkfun.com/tutorials/resistors

不要被数学吓死,实际上不会很糟。下一节,我们会告诉你如何在不使用计算器(和心算)的情况下制作LED电路。

不需要数学的LED
在我们讨论如何阅读数据表之前,让我们直接连上一些LED。毕竟,这是一个LED教程,而不是阅读教程。

它也不是数学教程,因此我们将为你提供一些启动和运行LED的经验法则。正如你可能从上一节中的信息中得到的那样,你需要一个电池,一个电阻和一个LED。我们使用电池作为电源,因为它们很容易找到并且无法提供危险的电流。

LED电路的基本模板非常简单,只需将电池,电阻和LED串联即可。像这样:

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330欧姆电阻
对于绝大多数LED而言一个比较好用的电阻值是330欧姆(--)。你可以使用上一节中的信息来帮助你确定所需的确切值,但现在这里是不准使用数学运算的LED……所以,首先将330欧姆电阻器丢到上面的电路中,看看会发生什么。

14490-02_330OhmResistor.jpg

试验和错误

关于电阻器的有趣之处在于它们会以热量的形式耗散额外的功率,因此如果你有一个变暖的电阻器,你可能需要采用更小的电阻。但是,如果电阻太小,则存在烧坏LED的风险!鉴于你可以使用少量LED和电阻器,这里有一个流程图,可帮助你通过反复试验来设计LED电路:

g6109.png

丢个纽扣电池
点亮LED的另一种方法是将它连接到纽扣电池!由于纽扣电池无法提供足够的电流来损坏LED,因此你可以直接把它们接起来!只需在LED的引线之间塞进一个CR2032纽扣电池。LED的长腿应接触标有“+”的电池侧面。现在你可以在整个东西周围包裹一些胶带,添加一块磁铁,并将它粘在东西上!

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当然,如果你没有通过试错法获得好成绩,你可以随时拿出你的计算器并进行数学计算。不用担心,计算电路的最佳电阻值并不难。但在你确定最佳电阻值之前,你需要找到LED的最佳电流。为此,我们需要看各种datasheet……

得到细节

不要将任何奇怪的LED插入电路,这样就不健康了。先了解它们。而且比阅读数据表更好。

作为一个例子,我们将仔细阅读基本红色5mm LED数据表

LED电流

从上往下,我们遇到的第一件事就是这个迷人的表:

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啊,是的,但这一切意味着什么?

表格中的第一行表示你的LED能够连续处理多少电流。 在这种情况下,你可以给它20mA或更少,它会在20mA时发出最亮的亮度。第二行告诉我们短脉冲的最大峰值电流应该是多少。该LED可以处理30mA的短路,但您不希望长时间维持该电流。该数据表甚至足以提供16-18mA的稳定电流范围(从顶部开始的第三行)。这是一个很好的目标数字,可以帮助您进行我们所讨论的电阻计算。

对于本教程而言,以下几行不太重要。反向电压是二极管特性,在大多数情况下您不必担心。功耗是LED在损坏之前可以使用的毫瓦功率(以毫瓦为单位)。只要您将LED保持在建议的电压和电流额定值范围内,这应该可以自行解决。

LED电压
让我们看看他们在这里还有什么别的表……啊!

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这是一个有用的小表格!第一行告诉我们LED上的正向压降是多少。正向电压是一个在使用LED时会出现很多问题的术语。该数字将帮助您确定电路需要向LED提供多少电压。如果有多个LED连接到单个电源,这些数字非常重要,因为加在一起的所有LED的正向电压不能超过电源电压。我们将在本教程的深入部分深入讨论这个问题。

LED波长

该表的第二行告诉我们光的波长。波长基本上是解释光的颜色的非常精确的方式。这个数字可能会有一些变化,因此表格给出了最小值和最大值。在这种情况下,它是620到625nm,它位于光谱的较低红色端(620到750nm)。同样,我们将在更深入的部分深入研究波长。

LED亮度

最后一行(标记为“亮度”)衡量LED的亮度(发光强度)。单位mcd或millicandela是用于测量光源强度的标准单位。这款LED的最大强度为200 mcd,这意味着它的亮度足以吸引你的注意力,但如果被用作手电筒的话亮度并不高。在200 mcd时,这个LED将成为一个很好的指标。

观察角
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接下来,我们得到了这个代表LED视角的扇形图。不同类型的LED将包含透镜和反射器,以将大部分光聚集在一个地方或尽可能广泛地散布。有些LED就像泛光灯,可以向各个方向射出光子;而别的则有方向性,你不知道它亮了没,除非你直视它们。为了阅读图表,想象一下LED直立在它下面。图表上的“辐条”代表视角。圆形线表示最大强度百分比的强度。该LED具有非常紧凑的视角。您可以看到直视LED的时候是最亮的时候,因为在0度时蓝线与最外面的圆相交。要获得50%的视角,即光强一半的角度,请遵循图表周围的50%圆,直到它与蓝线相交,然后按照最近的辐条读取角度。对于这种LED,50%的视角约为20度。

尺寸

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最后是机械制图。此图片包含将LED实际安装在机箱中所需的所有测量值!请注意,与大多数LED一样,这个LED底部有一个小凸边。当您想要将其安装在面板中时,这会派上用场。只需在LED主体上钻一个完美尺寸的孔,凸边就可以防止它掉落!

既然你已经知道如何破译数据表,那么让我们来看看你在“野外”会遇到什么样的奇特LED?

LED类型

恭喜你,你已经获得了基础知识!也许你甚至已经用了几个LED并开始发光了,那真是太棒了!你想怎么加强你的眨眼游戏?让我们来谈谈它在标准LED之外的看法。

SuperBrightLED_ZoomedIn.jpg
超亮LED

LED的类型
这是其他角色的演员。

RGB LED
RGB(红-绿-蓝)LED实际上是三个LED合二为一! 但这并不意味着它只能产生三种颜色。因为红色,绿色和蓝色是原色,你可以控制每种颜色的强度来创建彩虹里的每种颜色。大多数RGB LED有四个引脚:每种颜色一个,以及一个公共引脚。在某些情况下,公共引脚是阳极,而在其他情况下,则是阴极

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RGB普通透明阴极LED

LED带集成电路
循环
有些LED比其他LED更智能。以循环LED为例。在这些LED内部,实际上有一个集成电路,允许LED在没有任何外部控制器的情况下闪烁。这是IC的一个特写(控制颜色的铁砧尖上的大的黑色方形芯片)。

SlowCyclingLED_ZoomedIn.jpg
5mm慢速循环LED

只需加电即可观看!这些非常适合需要更多动作但没有控制电路空间的项目。甚至还有RGB闪烁LED可以循环显示数千种颜色!

可寻址LED
其他类型的LED可以单独控制。有不同的芯片组(WS2812APA102UCS1903,仅举几例)用于控制链接在一起的单个LED。下面是WS2812的特写。右侧较大的方形IC可单独控制颜色。

AddressableLEDWS2812_ZoomedIn.jpg
可寻址WS2812 PTH

内置电阻
这是什么黑魔法?带内置电阻的LED?那就对了。还有LED包括一个小的限流电阻。如果仔细观察下图,柱子上有一个小的黑色方形IC,用于限制这些类型LED的电流。

SuperBrightLEDwithBuiltInResistor_ZoomedIn.jpg
带内置电阻的LED

因此,将这些带有内置电阻的LED插入电源并点亮它!我们已经在3.3V,5V和9V下测试了这些类型的LED。

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通电的超亮带内置电阻LED

[Plain Text] 纯文本查看 复制代码
注意:带内置电阻的LED数据表表明推荐的正向电压约为5V。在测试5V电压时,电流大约为18mA。使用9V电池进行压力测试,电流会达到约30mA。这可能是输入电压的上限。使用更高的电压会降低LED的寿命。 在大约16V时,LED在我们的压力测试下爆炸了。


表面贴装(SMD)封装
SMD LED不是特定类型的LED,而是封装类型。 随着电子产品变得越来越小,制造商已经想出如何在更小的空间内填充更多的元件。SMD(表面贴装器件)部件是其标准版本的微型版本。这是WS2812B可寻址LED封装成小型5050封装的特写。

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可寻址WS2812B

SMD LED有多种尺寸,从相当大到小于一粒米!因为它们很小,而且有垫子而不是腿,它们不太容易使用,但如果你的空间太紧,它们可能正是专家所需要的。

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WS2812B-5050封装

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APA102-2020封装

SMD LED特别适合机器快速地将大量LED填充到PCB和条带上。你可能不会想手动焊接所有这些组件。

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8x32 可寻址(WS2812-5050)LED矩阵

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5M 可寻址(APA102-5050) LED条带

高功率LED

来自Luxeon和CREE等制造商的大功率LED非常亮丽。它们比“超亮LED”更亮!通常,如果LED可以耗散1瓦或更多的功率,则该LED被认为是高功率的。这些是你在非常好的手电筒中能够找到的精美LED。它们的阵列甚至可以用于聚光灯和汽车前灯。因为通过LED泵送的功率太大,所以这些通常需要散热器。散热器基本上是一块具有大量表面积的导热金属,其作用是将尽可能多的废热传递到周围的空气中。在某些分线板的设计中可能会有一些散热,如下图所示。

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高功率RGB LED

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铝片用于散热

大功率LED会产生如此多的废热,如果没有适当的冷却,它们会自行损坏。但不要让“废热”这个术语欺骗你,与传统的灯泡相比,这些设备的效率仍然非常高。要控制,你可以使用恒定电流LED驱动器。

特殊LED

甚至有LED在正常可见光谱之外发光 例如,你可能每天都使用红外LED。它们被用于电视遥控器之类的东西,以不可见光的形式发送小块信息!这些可能看起来像标准LED,因此很难与普通LED区分开来。

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红外LED

在光谱的另一端,你还可以获得紫外LED。紫外线LED会使某些材料发出荧光,就像黑光一样!它们还用于消毒表面,因为许多细菌对紫外线辐射敏感。它们也可能被用于检测伪造(账单,信用卡,文件等),判断晒伤,以及其它一万个用途。使用这些LED时请佩戴护目镜。

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紫外线LED检查美元

更多LED
有了这么多花哨的LED可用,没理由再让任何东西不被照亮了。然而,如果你对LED知识的渴望没有消失,那么请继续阅读,我们将深入探讨LED,颜色和发光强度的细节!

深入研究
所以你已经从LED 101毕业了,你想要更多?哦,别担心,我们还有更多。让我们从LED背后的科学开始tick……不对……blink。我们已经提到LED是一种特殊的二极管,但让我们深入研究一下这意味着什么:

我们所谓的LED实际上是LED和它的封装,而LED本身实际上很小!它是一种半导体材料芯片,掺杂了一些特殊添加物,为电荷载体创造边界。当电流流入半导体时,它从该边界的一侧跳到另一侧,在此过程中释放能量。在大多数二极管中,能量以热量的形式离开,但在LED中,能量以光的形式消散!

光的波长以及颜色取决于用于制造二极管的半导体材料的类型。这是因为半导体的能带结构在材料之间不同,因此光子以不同的频率发射。以下是按频率列出的常见LED半导体表:

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按颜色截断的半导体材料表。完整的表格可在Wikipedia上的“LED”条目中找到

虽然光的波长取决于半导体的带隙,但强度取决于被推动通过二极管的功率量。我们在上一节中谈到了发光强度的一点点,但它还有更多的内容,而不仅仅是对一些看起来很明亮的数字。

用于测量发光强度的单位称为坎德拉(candela),尽管当你谈论单个LED的强度时,你通常处于毫坎德拉范围内。关于这个单元的有趣之处在于它并不是光能量的衡量标准,而是实际测量的“亮度”。这是通过获取在特定方向上发射的功率并通过光的发光度函数对该数量加权来实现的。人眼对某些波长的光比其他波长更敏感,并且光度函数是考虑该灵敏度的标准化模型。

LED的发光强度范围从数十到数万毫坎德拉。电视上的电源指示灯大概是100 mcd,而好的手电筒可能是20,000 mcd。直视任何比几千毫坎德拉更亮的东西都会让人感到痛苦,不要去尝试。

正向压降

噢,我还承诺我们会讨论正向电压降的概念。 还记得当我们查看数据表时,我提到所有LED的正向电压加在一起不能超过系统电压吗? 这是因为电路中的每个元件都必须共享电压,每个部件一起使用的电压量总是等于可用电量。 这被称为基尔霍夫的电压定律。 因此,如果你使用5V电源并且每个LED的正向压降为2.4V,那么你一次不能为两个以上的电源供电。

当你想要根据其他部件的正向电压估算给定部件的电压时,基尔霍夫定律也会派上用场。 例如,在这个例子中,我给出了一个5V电源和2个LED,每个LED具有2.4V正向压降。 当然我们想要包括一个限流电阻,对吧?你怎么知道电阻器两端的电压? 这很简单:

[Visual Basic] 纯文本查看 复制代码
5(系统电压)= 2.4(LED 1)+ 2.4(LED 2)+ 电阻

5 = 4.8 + 电阻

电阻 = 5  -  4.8

电阻 = 0.2
所以电阻器上有0.2V!这是一个简化的示例,并不总是这么容易,但希望这能让您了解正向电压降的重要性。使用您从基尔霍夫定律得到的电压数,您还可以使用欧姆定律来确定组件中的电流。简而言之,您希望系统电压等于组合电路元件的预期正向电压。

计算限流电阻器
如果您需要计算与LED串联的精确限流电阻值,请查看电阻器教程中的一个示例应用,以获取更多信息。

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用于计算限流电阻的公式

现在……一个LED的戏剧性重演,没有限流电阻过度供电并烧毁自己:

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