SPARKFUN LED指南 從零開始

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Light-Emitting Diodes (LEDs)

發光二極體

介紹

LEDs 已經無處不在：在我們的手機、汽車甚至我們的家中。每當有電子設備發光時，背後很可能都是 LED 在起作用。它們有各種各樣的大小、形狀和顏色，但不論它們看起來如何，都有一個共同點：它們就像電子領域的培根。普遍認為它們能使任何專案變得更好，所以它們經常被加入到不太可能的事物中（令大家都很喜悅）。

然而，與培根不同的是，一旦你把它們煮熟了，它們就沒有任何用處了。這篇指南將幫助你避免任何意外的LED烤肉事件！但首先，大家都在談論的這個LED到底是什麼？

LED（發音為"ell-ee-dees"）是一種特殊的二極體，它可以將電能轉化為光。實際上，LED 的全名就是 "Light Emitting Diode"（發光二極體）。（它確實如其名所示！）而這一點在二極體和LED的電路符號之間的相似性中得到了體現：

簡而言之，LEDs 就像是微型燈泡。然而，與傳統燈泡相比，LEDs 需要的功率要少得多才能亮起。它們也更節能，所以它們通常不會像傳統的燈泡那樣發熱（除非你真的向它們輸入大量的功率）。這使它們非常適合移動設備和其他低功率應用。但也不要低估它們在高功率遊戲中的作用。高亮度的LED已經被用於裝飾照明、聚光燈，甚至汽車頭燈！

你已經迫不及待想要使用LED了嗎？想要把LED放在所有東西上嗎？很好，繼續跟著我們，我們會告訴你如何做！

建議閱讀

以下是本教程中將討論的一些其他主題。如果你對其中的任何一個不熟悉，請在繼續之前先查看相應的教程。

電路是什麼？

每一個電氣專案都從一個電路開始。不知道什麼是電路嗎？我們在這裡幫助您。

電壓、電流、電阻和歐姆定律

學習歐姆定律，所有電氣工程中最基本的等式。

什麼是電？

我們可以在我們的電腦上看到電的作用，照亮我們的房子，當雷雨中有閃電時，但它是什麼？這不是一個簡單的問題，但這篇教程將為您解答！

二極體

一個二極體的初級指南！介紹二極體的性質、二極體的類型和二極體的應用。

電能

對電能的概述，能量傳輸的速率。我們將討論功率的定義、瓦特、等式和功率評級。1.21吉瓦的教程樂趣！

極性

介紹電子元件中的極性。了解什麼是極性，哪些部分有它，以及如何識別它。

公制前綴和國際單位

這篇教程將解釋如何使用和轉換標準的公制前綴。

如何使用它們

所以你已經明智地得出結論，認為你需要在所有物品上加裝LED燈。我們原以為你會這麼想。

讓我們看一下規則手冊：

1) 極性很重要

在電子學中，極性指示一個電路組件是否對稱。LED作為二極體，只允許電流在一個方向流動。當沒有電流流動時，就不會有光。幸運的是，這也意味著你不能通過反向插入LED來破壞它。相反，它只是不會工作。

LED的正極被稱為"陽極anode"，並通過具有較長的"引線lead"或腳來標記。LED的另一側、負側稱為"陰極cathode"。電流從陽極流向陰極，永遠不會反向流動。一個反向的LED可以通過阻擋電流流動來阻止整個電路正常運行。所以如果加入一個LED破壞了你的電路，不要驚慌。嘗試翻轉它。

2) 電流越大，光亮越強

LED的亮度直接取決於它吸引的電流有多少。這意味著兩件事。首先，超亮的LED更快地耗盡電池，因為額外的亮度來自正在使用的額外的功率。第二，您可以通過控制其通過的電流量來控制LED的亮度。但是，設置情調並不是減少您的電流的唯一原因。

3) 確實存在過多的功率

如果您直接將LED連接到一個電流源，它將嘗試消散它被允許吸引的盡可能多的功率，像古老的悲劇英雄一樣，它會摧毀自己。這就是為什麼限制通過LED的電流量很重要的原因。

為此，我們使用電阻。電阻限制電路中的電子流動，並保護LED不試圖吸引太多電流。不用擔心，只需要一點基本的數學就可以確定使用的最佳電阻值。您可以在我們的電阻教程的示例應用中找到有關此信息！

一個關於電阻教程。什麼是電阻，它們在並聯/串聯中是如何表現的，解碼電阻顏色代碼，以及電阻應用。

不要讓所有這些數學嚇到你，事實上很難搞得太糟糕。在下一部分，我們將討論如何製作LED電路，而不使用計算器。

不用數學的LED

在我們談論如何閱讀數據表之前，讓我們先接上一些LED。畢竟，這是一個LED教程，而不是閱讀教程。

這也不是一個數學教程，所以我們將給您一些建議，以幫助您快速啟動LED。正如您可能從上一節中的信息中得知的，您將需要一個電池，一個電阻和一個LED。我們使用電池作為我們的電源，因為它們容易找到，而且它們不能提供危險的電流量。

LED電路的基本模板非常簡單，只需連接您的電池、電阻和LED。像這樣：

330 歐姆電阻

對於大多數LED來說，一個好的電阻值是330歐姆（橙色 - 橙色 - 褐色）。您可以使用上一部分的信息來幫助您確定您需要的確切值，但這是不用數學的LED... 所以，首先在上面的電路中插入一個330歐姆的電阻，看看會發生什麼。

嘗試與錯誤

關於電阻的有趣之處是它們會將額外的能量以熱的形式消散，所以如果你有一個電阻在變熱，你可能需要使用一個更小的電阻值。然而，如果你的電阻太小，你有可能燒壞LED！考慮到你有一些LED和電阻可以玩，以下是一個流程圖，幫助你通過嘗試和錯誤來設計你的LED電路：

使用硬幣電池的Throwies

點亮LED的另一種方式是直接將其連接到硬幣電池！由於硬幣電池無法提供足夠的電流來損壞LED，所以你可以直接將它們連接在一起！只需將CR2032硬幣電池推入LED的引腳之間。LED的長腿應該接觸到電池上標有"+"的一側。現在你可以將一些膠帶繞在整個物件周圍，加上一個磁鐵，然後黏到東西上！為Throwies喝采！

當然，如果你使用嘗試和錯誤的方法沒有得到很好的結果，你始終可以取出你的計算器並進行計算。不用擔心，計算你電路中最佳的電阻值並不困難。但在你可以找出最佳的電阻值之前，你需要找到LED的最佳電流。為此，我們需要參考數據表...

獲得詳細資料

不要隨便將任何陌生的LED插入你的電路中，這樣並不健康。首先了解它們。最好的方式就是閱讀數據表。

以我們的基本紅色5毫米LED的數據表為例。

LED 電流

從頂部開始並往下看，我們首先遇到的是這個迷人的表格：

啊，是的，但這些都代表什麼意思呢？

表格中的第一行表示你的LED能夠持續承受的電流有多少。在這個例子中，你可以給它20mA或更少，而當它是20mA時，它會發出最亮的光。第二行告訴我們短時間內的最大峰值電流應該是多少。這個LED可以短時間承受到30mA的電流，但你不會希望這種電流持續太久。這個數據表甚至還很友善地建議一個穩定的電流範圍（從頂部算起的第三行）是16-18mA。這是一個很好的目標數字，可以幫助你進行我們之前提到的電阻計算。

接下來的幾行對於這個教程的目的來說不太重要。反向電壓是一個二極體的特性，在大多數情況下你不應該擔心這一點。功率消耗是LED在受到損害之前可以使用的功率（以毫瓦計）。只要你保持LED在其建議的電壓和電流範圍內，這應該會自動解決。

LED 電壓

讓我們看看他們還放了什麼其他類型的表格在這裡... 啊！

這是一個非常有用的小表格！第一行告訴我們LED上的正向電壓下降將是多少。在使用LED時，正向電壓這個詞會經常出現。這個數字會幫助您決定電路需要供應多少電壓給LED。如果您有多於一個LED連接到單一電源，這些數字非常重要，因為所有LED的正向電壓加起來不能超過供應電壓。我們將在這個教程的深入部分更詳細地討論這一點。

LED波長

表格的第二行告訴我們光的波長。波長基本上是一種非常精確的解釋光的顏色的方式。這個數字可能會有些變化，所以表格給了我們一個最小值和一個最大值。在這種情況下，它是620到625nm，這正好在光譜的較低的紅色端（620到750nm）。我們將在深入部分更詳細地討論波長。

LED亮度

最後一行（標為"發光強度"）是一個測量LED能有多亮的指標。mcd單位，或毫坎德拉millicandela，是一個測量光源強度的標準單位。這個LED的最大亮度為200 mcd，這意味著它剛好足夠亮，可以引起您的注意，但並不完全像手電筒那麼亮。在200 mcd下，這個LED將是一個很好的指示器。

觀看角度

接下來，我們有這個扇形的圖表，代表了LED的觀看角度。不同款式的LED會結合透鏡和反射器，要么將大部分光集中在一個地方，要么將其儘可能廣泛地散開。有些LED就像泛光燈，會往每個方向發射光子；而其他的則非常有方向性，除非你直接看它，否則你看不出它是開著的。為了讀取該圖，想像LED直立在它的下方。圖上的"輻條"代表觀看角度。圓形線表示按最大亮度的百分比表示的強度。這個LED有一個非常緊湊的觀看角度。你可以看到，當你直接往下看LED時，它是最亮的，因為在0度時，藍線與最外圈相交。要獲得50%的觀看角度，也就是光線強度減半的角度，沿著50%的圈線在圖上直到它與藍線相交，然後沿著最近的輻條來閱讀角度。對於這個LED，50%的觀看角度大約是20度。

尺寸

最後是機械圖。這張圖包含了你在安裝LED到外殼時所需的所有尺寸！注意，像大多數LED一樣，這一款在底部有一個小凸緣。當你想把它安裝在一個面板上時，這會非常有用。只需鑽一個適合LED本體的完美尺寸的孔，凸緣會防止它掉落！

現在你知道如何解讀數據表，我們來看看你在野外可能遇到的一些特殊LED...

LED的種類

恭喜你，你已經知道了基礎知識！也許你已經拿到了一些LED並開始照亮東西，那太棒了！你想提升你的閃閃遊戲等級嗎？讓我們討論標準LED之外更加精緻的東西。

超亮 5mm LED 特寫

LED的種類

以下是其他的角色介紹。

RGB LED

RGB (紅-綠-藍) LED實際上是三個LED合為一體！但這不意味著它只能發出三種顏色。因為紅色、綠色和藍色是加色的基礎顏色，你可以控制每種顏色的強度，從而創造出彩虹的每一種顏色。大多數的RGB LED有四個針腳：每種顏色一個，還有一個共同的針腳。在某些LED上，共同的針腳是陽極，而在其他LED上，它是陰極。

帶有集成電路的LED

循環

有些LED比其他LED更為智能。以循環LED為例。在這些LED內部，實際上有一個集成電路，使LED可以在沒有外部控制器的情況下閃爍。這是控制顏色的IC（砧頭上的大黑色方形芯片）的特寫。

5mm 慢速循環 LED 特寫

只需供電即可開始觀看！這些對於您希望有更多動作但沒有控制電路空間的項目非常適合。甚至還有RGB閃爍LED，它可以循環數千種顏色！

可寫址LED

其他類型的LED可以單獨控制。有不同的芯片組（例如WS2812、APA102、UCS1903等）用於控制鏈接在一起的單個LED。以下是WS2812的特寫。右邊的較大方形IC可以單獨控制顏色。

可尋址 WS2812 PTH 特寫

內建電阻

這是什麼魔法？一個帶有內置電阻的LED？沒錯。還有帶有小型電流限制電阻的LED。如果您仔細觀察下面的圖片，會看到柱子上有一個小的黑色方形IC，用於限制這些類型的LED上的電流。

內置電阻的 LED 特寫

因此，將帶有內置電阻的 LED 插入電源並點亮它！我們已在 3.3V、5V 和 9V 電壓下測試了這些類型的 LED。

內建電阻供電的超亮綠色 LED

注意：帶有內置電阻的LED的數據表顯示，建議的正向電壓約為5V。在5V下測試，它的電流約為18mA。使用9V電池進行壓力測試，它的電流約為30mA。這可能處於輸入電壓的較高端。使用更高的電壓可能會降低LED的壽命。在約16V時，在我們的壓力測試下，LED爆炸了。

表面貼裝（SMD）封裝

SMD LED並不是一種特定的LED，而是一種封裝類型。隨著電子產品變得越來越小，製造商已經找到了方法，將更多的元件擠入較小的空間中。SMD（表面貼裝器件）零件是其標準對應物的微型版本。以下是一個WS2812B可編址LED的放大圖，封裝成一個小型5050封裝。

可尋址 WS2812B 特寫

SMD LED有多種尺寸，從相當大的尺寸到比一粒米飯還小！由於它們非常小，並且具有接觸點而不是引腳，因此它們不容易處理，但如果空間有限，它們可能正合您的需要。

WS2812B-5050 Package

APA102-2020 Package

SMD LEDs還使取放機器更容易且更快速地在PCB和條帶上放置大量LED。您可能不希望手動焊接所有這些元件。

Close Up of 8x32 Addressable (WS2812-5050) LED Matrix

5M Addressable (APA102-5050) LED Strip Powered

高功率LED

高功率LED來自像Luxeon和CREE等製造商，它們非常明亮。這些比超級亮的LED更亮！一般來說，如果一個LED可以散熱1瓦或更多，則被認為是高功率LED。這些是您在非常好的手電筒中找到的高級LED。它們甚至可以構建成聚光燈和汽車頭燈的陣列。由於通過LED通過的功率非常大，因此這些通常需要散熱器。散熱器基本上是一塊具有大量表面積的導熱金屬，其工作是將盡可能多的廢熱傳遞到周圍的空氣中。某些拆出板的設計中可能內置了一些散熱功能，如下圖所示。

High Power RGB LED

Aluminum Back for some Heat Dissipation

高功率LED產生的廢熱可能會導致它們在缺乏適當冷卻的情況下損壞。但請不要被“廢熱”這個詞語誤導，與傳統燈泡相比，這些設備仍然非常高效。為了控制，您可以使用恆定電流LED驅動器。

特殊LED

甚至有些LED會在正常可見光譜之外發射光。例如，您可能每天都在使用紅外線LED。它們用於像電視遙控器這樣的設備，以無形的光發送小塊信息！這些紅外線LED可能看起來像標準LED，因此很難與正常LED區分。

IR LED

在光譜的另一端，您還可以獲得紫外線LED。紫外線LED將使某些材料發出螢光，就像黑光一樣！它們還用於消毒表面，因為許多細菌對紫外線輻射敏感。它們還可能用於偵測偽造（鈔票、信用卡、文件等）、曬傷等等。請在使用這些LED時戴上眼睛保護裝置。

UV LED Inspecting a US Bill

更多LED

擁有這些時尚的LED，您就沒有理由讓任何事物無光線照明。但是，如果您對LED知識的渴望尚未滿足，那麼繼續閱讀，我們將深入研究LED、顏色和亮度的細節！

深入研究

所以您已經從LED 101畢業，您想要更多？哦，別擔心，我們還有更多。讓我們從背後的科學開始，看看是什麼使LED運作...噢...閃爍。我們已經提到LED是一種特殊類型的二極管，但讓我們更深入地了解這意味著什麼：

我們所謂的LED實際上是LED和封裝共同組成的，但LED本身實際上非常微小！它是一塊摻雜了雜質的半導體材料芯片，這些雜質在電荷載體之間創建了一個邊界。當電流流入半導體時，它從這個邊界的一側跳到另一側，在此過程中釋放能量。在大多數二極管中，能量以熱的形式散失，但在LED中，該能量以光的形式散失！

光的波長，因此顏色，取決於用於製作二極管的半導體材料的類型。這是因為半導體材料之間的能帶結構在材料之間不同，因此光子以不同的頻率發射。以下是常見LED半導體的頻率表：

按顏色劃分的半導體材料截斷表。完整的表格可以在維基百科的“LED”條目上找到

雖然光的波長取決於半導體的能帶間隙，但光的強度取決於通過二極管的電力量。在前面的部分，我們稍微提到了光強度，但它不僅僅是將亮度的數字放在東西上。

用於測量光強度的單位稱為坎德拉candela，盡管當您談論單個LED的強度時，通常在毫坎德拉範圍內。有趣的是，這個單位實際上不是光能量量的測量，而是"亮度"的實際測量。這是通過將在特定方向上發射的功率數量，並將該數字加權為光的亮度函數來實現的。人眼對某些波長的光比對其他波長的光更敏感，亮度函數是一個標準化模型，考慮了這種敏感性。

LED的亮度可以從幾十毫坎德拉到數萬毫坎德拉不等。您電視上的電源燈可能約為100毫坎德拉，而優質手電筒可能達到20,000毫坎德拉。直視任何亮度超過幾千毫坎德拉的東西可能會令人不適，請不要嘗試。

正向電壓降Forward Voltage Drop

哦，我也承諾我們將談論正向電壓降的概念。還記得我們查看數據表時提到過，所有LED的正向電壓降加在一起不能超過系統電壓嗎？這是因為電路中的每個組件都必須共享電壓，而每個部分一起使用的電壓量始終等於可用量。這被稱為基爾霍夫電壓定律。因此，如果您有一個5V的電源，而每個LED的正向電壓降為2.4V，那麼您最多不能同時點亮超過兩個LED。

當您想根據其他部分的正向電壓降來估算給定部分的電壓時，基爾霍夫定律也很有用。例如，在我剛才提到的示例中，有一個5V電源和2個LED，每個LED的正向電壓降為2.4V。當然，我們想包括一個限流電阻，對吧？那麼您如何找出電阻上的電壓？這很容易：

5（系統電壓）= 2.4（LED 1）+ 2.4（LED 2）+ 電阻

5 = 4.8 + 電阻

電阻 = 5 - 4.8

電阻 = 0.2

所以電阻上有0.2V！這是一個簡化的例子，實際情況並不總是這麼簡單，但希望這能讓您了解正向電壓降為什麼重要。使用基爾霍夫定律中得出的電壓數字，您還可以進行像使用歐姆定律計算元件上的電流等事情。簡而言之，您希望您的系統電壓等於預期的電路元件的正向電壓。

計算限流電阻

如果您需要計算與LED串聯的確切限流電阻值，請查看限流電阻教程中的一個示例應用，以獲取更多信息。

用於計算限流電阻的方程式

資源和更多信息

你已經掌握了幾乎所有關於LED的知識。現在，去將LED應用到你想要的地方吧！現在，讓我們來一次戲劇性的再現，展示了一個沒有電流限制電阻的LED被過度供電而燒毀的過程：

是的……這並不壯觀。

如果你想更多了解LED相關主題，可以參考以下其他教程...（以下略，請參考原文）