第1章 LED应用基础
1.1 LED的结构及性能应用
1.1.1 LED的基本结构及原理
1.LED的名称由来
LED即发光二极管，是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件，它可以直接把电能转化为光能，其英文为Light Emitting Diode，习惯上用其英文首写字母LED来表示该器件的名称。
2.LED的结构
传统发光二极管（LED）一般是用透明环氧树脂将LED芯片与导线架（lead frame）包覆封装，封装后的镜片状外形可将芯片产生的光线集中照射至预期的方向，由于圆柱状形状类似炮弹，因此被称为炮弹型LED。这种LED芯片主要由支架、银胶、晶片、金线和环氧树脂等5种物料所组成，如图1-1所示。
图1-1 传统LED的结构
友情提示
常用来制造LED的半导体材料主要有砷化镓、磷化镓、镓铝砷、磷砷化镓、铟镓氮、铟镓铝磷等Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料，其他还有Ⅳ族化合物半导体碳化硅、Ⅱ-Ⅵ族化合物硒化锌等。
应用技巧
LED的内部结构是PN结半导体，芯片的P型半导体一侧为正极，N型半导体一侧为负极。因此在使用时，“+”的一端接正极，“-”的一端接负极。如图1-2所示，一般炮弹型的正极稍长，而大功率LED和SMD（表面贴装）型LED的负极有标记。但须注意，产品在不同情况下，可能有所变化。安装时，若正、负两极接错，不但灯不亮，而且还会损坏LED。
图1-2 LED引脚极性的识别
3.LED的发光原理
LED的基本结构主要由PN结芯片、电极和光学系统组成，是一种电致发光光源。当外加一足够高的正向直流电压，电子和空穴将克服在P-N结处的势垒，分别流向P区和N区。在P-N结处，电子和空穴相遇、复合，产生发光。如图1-3所示为LED的发光原理图。
图1-3 LED发光原理示意图
1.1.2 LED的种类
1.LED发光管的分类
目前，应用日渐普及的LED发光管品种很多，业界对LED分类的方法也比较多。LED的几种常用分类方法见表1-1。
2.LED显示屏的分类
（1）根据应用场所的不同，LED显示屏分为室内与室外两种。
1）室内屏。室内屏主要用于室内，在制作工艺上首
表1-1 LED发光管的分类
先是把发光晶粒做成点阵模块（或数码管），再由模块拼接为一定尺寸的显示单元板，根据用户要求，以显示单元板为基本单元拼接成用户所需要的尺寸。根据像素点的大小，室内屏分为ϕ3mm、ϕ3.75mm、ϕ5mm、ϕ8mm、ϕ10mm等。
2）户外屏。户外屏主要用于室外，在制作工艺上首先是把发光晶粒封装成单个的发光二极管，称之为单灯，用于制作户外屏的单灯一般都采用具有聚光作用的反光杯来提高亮度；再由多只LED单灯封装成单只像素管或像素模组，而由像素管或像素模组成点阵式的显示单元箱体，根据用户需要及显示应用场所，以一个显示单元箱体为基本单元组成所需要的尺寸。箱体在设计上应密封，以达到防水防雾的目的，使之适应户外环境。根据像素点的大小，户外屏分为ϕ10mm、ϕ12mm、ϕ16mm、ϕ18mm、ϕ21mm、ϕ26mm等规格。
（2）根据采用LED的颜色不同，可分为单基色、双基色、全彩色三种。
1）单基色。单基色的每个像素点只有一种颜色，多数用红色，因为红色的发光效率较高，可以获得较高的亮度，也可以用绿色，还可以是混色，即一部分用红色，一部分用绿色，一部分用黄色。
2）双基色。双基色的每个像素点有红绿两种基色，可以叠加出黄色，在有灰度控制的情况下，通过红绿不同灰度的变化，可以组合出最多65535种灰度颜色。
3）全彩色。全彩色也称三基色，每个像素点有红绿蓝三种基色，在有灰度控制的情况下，通过红绿蓝不同灰度的变化，可以很好地还原自然界的色彩，组合出16，777，216种颜色。
（3）根据屏幕所具有的功能，可分为条屏、图文屏、视屏以及数码混合屏四种。
1）条屏。条屏主要用于显示文字，可用遥控器输入，也可与计算机联机使用，通过计算机发送信息。也可以脱机工作。因为这类屏幕多做成条形，故称为条屏，如图1-4所示。
图1-4 LED条屏
2）图文屏。图文显示屏主要用于显示文字和图形，一般无灰度控制。它通过与计算机通讯输入信息。与条屏相比，图文屏的优点是显示的字体字型丰富，并可显示图形，与视屏相比，图文屏最大的优点是一台计算机可以控制多块屏，且可以脱机显示，如图1-5所示。
3）数码屏。数码屏是最廉价的LED显示屏，广泛用于证券交易所股票行情显示、银行汇率、利率显示、酒店海鲜价目表、客房价目表等，如图1-6所示。多数情况下，在数码屏上加装条屏来显示欢迎词、通知、广告等。数码屏支持遥控器输入。
图1-5 LED图文显示屏
图1-6 LED数码屏
4）视屏。LED视屏有256级灰度控制，其表现力极为丰富，配置多媒体卡，可播放视频信号。视屏开放性好，对操作系统没有限制，软件也没有限制，能实时反映计算机监视器的显示，如图1-7所示。
图1-7 LED视屏
知识窗
白光LED的种类和原理见表1-2。
表1-2 白光LED的种类和原理
（续）
1.1.3 LED照明的特点
（1）发光效率高。
传统的白炽灯、卤钨灯的光效为12～24lm/W，荧光灯为50～70lm/W，钠灯为90～140lm/W，大部分的耗电变成了热量损耗。从理论上分析，LED光效经改良后将达到50～200lm/W，而且其光的单色性好、光谱窄，无需过滤可直接发出有色可见光。目前通过现有技术对LED进行结构优化、材料优化、工艺优化，再进行优化组合，发光效率做到了161lm/W，商品化问题不大，但效率再提高则需要有新的技术突破。
（2）耗电量少。
LED电能利用率高达80%以上。单管功率为0.03～0.06W，采用直流驱动；单管驱动电压为1.5～3.5V，电流为15～18mA。也就是说，LED是一种非常节电的光源。
研究资料表明，由于LED是冷光源，与目前普遍使用的白炽灯、荧光灯相比，节电效率可以达到90%以上。以桥梁护栏灯为例，同样效果的一支荧光灯40W，若采用LED，每支的功率只有8W，而且颜色可以七彩变化。
（3）固体光源，抗震，坚固耐用，使用寿命长，可靠性高。
LED是半导体元件，与白炽灯不同，没有玻璃、钨丝等易损可动部件，故障极低，可以免维修。其体积小、重量轻，环氧树脂封装，可承受高强度机械冲击和震动，不易破碎。
在可靠性方面，LED的半衰期（即光输出量减少到最初值一半的时间）大概是（1～10）万h，其平均寿命达10万h，LED灯具的使用寿命可达5～10年，可大大降低灯具的维护费用，避免经常换灯的麻烦。相反，小型指示用白炽灯的半衰期（此处的半衰期指的是有一半数量的灯失效的时间）典型值是10万到数千小时不等，具体时间取决于灯的额定工作电流。
（4）安全性好，属于绿色照明光源。
LED发热量低，无热辐射，冷光源，可以安全触摸，能精确控制光型及发光角度，光色柔和，无眩光；不含汞、钠元素等可能危害健康的物质，热量、辐射都很少。LED内置微处理系统，可以控制发光强度和调整发光方式，实现光与艺术的完美结合。
LED为低压供电，防触电保护等级为Ⅲ类，安全。直流供电，无频闪。
（5）不含汞，无污染，无紫外辐射。
LED为全固体发光体，耐震、耐冲击，不易破碎，废弃物可回收，没有污染。光源体积小，可以随意组合，易开发成轻便薄短的小型照明产品，也便于安装和维护。
（6）单色性好、色彩鲜艳丰富。
LED器件发出的光纯度非常高，在光谱上的表现就是光线集中在某一小段波长上，其颜色饱和度可达到130%，全彩色，使灯光更加清晰柔和。可通过化学修饰方法，调整制造LED材料的能带结构和带隙，实现红、黄、绿、蓝、橙多色发光。改变电流可使LED变色，如小电流时为红色的LED，随着电流的增加，可以依次变为橙色，黄色，最后为绿色。
（7）冷启动，无需预热时间，瞬间再启动，响应时间短。
白炽灯的响应时间为毫秒级，LED灯的响应时间为纳秒级，其响应时间只有60ns。LED反应速度快，可在高频下操作，特别适合用作汽车灯具的光源，可为司机争取宝贵时间以减少事故。
（8）平面发光，指向性好。
LED与点光源白炽灯不同，视角度≤180°，设计时一定要注意，利用LED光源有不同的视角度和视角不能大于180°这一特点。
（9）发光效率受温度影响大。
LED的发光效率随温度升高而下降，一般情况下，芯片温度超过120℃将失效。在灯具总成设计和制造工艺设计时，一定要考虑散热设计。
（10）适用性强。
LED芯片的体积很小，可以制备成各种形状的器件，并且适合于易变的环境。
友情提示
LED的使用寿命，一般认为在理想状态下有10万h。实际在使用过程中，其光强会随使用时间的推移逐渐衰减，即电能转化为光能的效率逐渐降低。我们能真正使用的有效光强范围应在其衰减到初始光强的70%以上时。
LED的使用寿命与其芯片的质量和封装技术、工艺直接相关，据某LED封装厂的试验数据，有些芯片在20mA条件下连续点亮4000h后，其光亮度衰减已达50%。但是随着技术、工艺的提高，光衰时间越来越缓慢，即寿命也越长。
此外，LED驱动器的性能对LED的可靠性也有很大的影响。
知识窗
LED的极限参数
LED的极限参数主要有允许功耗、最大正向直流电流、最大反向电压和工作温度，在设计和使用LED产品时，不能突破这些极限参数，否则就会损坏LED。
（1）允许功耗Pm
当流过LED的电流为IF、管压降为UF，则功率消耗为
P=UFIF
LED工作时，外加偏压、偏流会促使载流子复合发出光，还有一部分变为热，使结温升高。所以LED承受的功耗有一阈值，称为允许功耗。允许功耗用于描述允许加于LED两端最大功率，即正向直流电压与流过它的电流之积的最大值。如果超过此值，可导致LED发热以致损坏。
（2）最大正向直流电流IFm
允许加在LED两端的最大正向直流电流，称为最大正向直流电流。超过此值，会损坏二极管。
（3）最大反向电压URm
允许加在LED两端的最大反向电压，称为最大反向电压。超过此值，LED可能被击穿而导致损坏。
（4）工作温度topm
LED可正常工作的环境温度范围，称为工作温度。低于或高于此温度范围，LED将不能正常工作，效率会大大降低。