第1章 LED應用基礎
1.1 LED的結構及性能應用
1.1.1 LED的基本結構及原理
1.LED的名稱由來
LED即發光二極管，是一種能夠將電能轉化為可見光的固態的半導體器件，它可以直接把電能轉化為光能，其英文為Light Emitting Diode，習慣上用其英文首寫字母LED來表示該器件的名稱。
2.LED的結構
傳統發光二極管（LED）一般是用透明環氧樹脂將LED芯片與導線架（lead frame）包覆封裝，封裝后的鏡片狀外形可將芯片產生的光線集中照射至預期的方向，由于圓柱狀形狀類似炮彈，因此被稱為炮彈型LED。這種LED芯片主要由支架、銀膠、晶片、金線和環氧樹脂等5種物料所組成，如圖1-1所示。
圖1-1 傳統LED的結構
友情提示
常用來制造LED的半導體材料主要有砷化鎵、磷化鎵、鎵鋁砷、磷砷化鎵、銦鎵氮、銦鎵鋁磷等Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體材料，其他還有Ⅳ族化合物半導體碳化硅、Ⅱ-Ⅵ族化合物硒化鋅等。
應用技巧
LED的內部結構是PN結半導體，芯片的P型半導體一側為正極，N型半導體一側為負極。因此在使用時，“+”的一端接正極，“-”的一端接負極。如圖1-2所示，一般炮彈型的正極稍長，而大功率LED和SMD（表面貼裝）型LED的負極有標記。但須注意，產品在不同情況下，可能有所變化。安裝時，若正、負兩極接錯，不但燈不亮，而且還會損壞LED。
圖1-2 LED引腳極性的識別
3.LED的發光原理
LED的基本結構主要由PN結芯片、電極和光學系統組成，是一種電致發光光源。當外加一足夠高的正向直流電壓，電子和空穴將克服在P-N結處的勢壘，分別流向P區和N區。在P-N結處，電子和空穴相遇、復合，產生發光。如圖1-3所示為LED的發光原理圖。
圖1-3 LED發光原理示意圖
1.1.2 LED的種類
1.LED發光管的分類
目前，應用日漸普及的LED發光管品種很多，業界對LED分類的方法也比較多。LED的幾種常用分類方法見表1-1。
2.LED顯示屏的分類
（1）根據應用場所的不同，LED顯示屏分為室內與室外兩種。
1）室內屏。室內屏主要用于室內，在制作工藝上首
表1-1 LED發光管的分類
先是把發光晶粒做成點陣模塊（或數碼管），再由模塊拼接為一定尺寸的顯示單元板，根據用戶要求，以顯示單元板為基本單元拼接成用戶所需要的尺寸。根據像素點的大小，室內屏分為?3mm、?3.75mm、?5mm、?8mm、?10mm等。
2）戶外屏。戶外屏主要用于室外，在制作工藝上首先是把發光晶粒封裝成單個的發光二極管，稱之為單燈，用于制作戶外屏的單燈一般都采用具有聚光作用的反光杯來提高亮度；再由多只LED單燈封裝成單只像素管或像素模組，而由像素管或像素模組成點陣式的顯示單元箱體，根據用戶需要及顯示應用場所，以一個顯示單元箱體為基本單元組成所需要的尺寸。箱體在設計上應密封，以達到防水防霧的目的，使之適應戶外環境。根據像素點的大小，戶外屏分為?10mm、?12mm、?16mm、?18mm、?21mm、?26mm等規格。
（2）根據采用LED的顏色不同，可分為單基色、雙基色、全彩色三種。
1）單基色。單基色的每個像素點只有一種顏色，多數用紅色，因為紅色的發光效率較高，可以獲得較高的亮度，也可以用綠色，還可以是混色，即一部分用紅色，一部分用綠色，一部分用黃色。
2）雙基色。雙基色的每個像素點有紅綠兩種基色，可以疊加出黃色，在有灰度控制的情況下，通過紅綠不同灰度的變化，可以組合出最多65535種灰度顏色。
3）全彩色。全彩色也稱三基色，每個像素點有紅綠藍三種基色，在有灰度控制的情況下，通過紅綠藍不同灰度的變化，可以很好地還原自然界的色彩，組合出16，777，216種顏色。
（3）根據屏幕所具有的功能，可分為條屏、圖文屏、視屏以及數碼混合屏四種。
1）條屏。條屏主要用于顯示文字，可用遙控器輸入，也可與計算機聯機使用，通過計算機發送信息。也可以脫機工作。因為這類屏幕多做成條形，故稱為條屏，如圖1-4所示。
圖1-4 LED條屏
2）圖文屏。圖文顯示屏主要用于顯示文字和圖形，一般無灰度控制。它通過與計算機通訊輸入信息。與條屏相比，圖文屏的優點是顯示的字體字型豐富，并可顯示圖形，與視屏相比，圖文屏最大的優點是一臺計算機可以控制多塊屏，且可以脫機顯示，如圖1-5所示。
3）數碼屏。數碼屏是最廉價的LED顯示屏，廣泛用于證券交易所股票行情顯示、銀行匯率、利率顯示、酒店海鮮價目表、客房價目表等，如圖1-6所示。多數情況下，在數碼屏上加裝條屏來顯示歡迎詞、通知、廣告等。數碼屏支持遙控器輸入。
圖1-5 LED圖文顯示屏
圖1-6 LED數碼屏
4）視屏。LED視屏有256級灰度控制，其表現力極為豐富，配置多媒體卡，可播放視頻信號。視屏開放性好，對操作系統沒有限制，軟件也沒有限制，能實時反映計算機監視器的顯示，如圖1-7所示。
圖1-7 LED視屏
知識窗
白光LED的種類和原理見表1-2。
表1-2 白光LED的種類和原理
（續）
1.1.3 LED照明的特點
（1）發光效率高。
傳統的白熾燈、鹵鎢燈的光效為12～24lm/W，熒光燈為50～70lm/W，鈉燈為90～140lm/W，大部分的耗電變成了熱量損耗。從理論上分析，LED光效經改良后將達到50～200lm/W，而且其光的單色性好、光譜窄，無需過濾可直接發出有色可見光。目前通過現有技術對LED進行結構優化、材料優化、工藝優化，再進行優化組合，發光效率做到了161lm/W，商品化問題不大，但效率再提高則需要有新的技術突破。
（2）耗電量少。
LED電能利用率高達80%以上。單管功率為0.03～0.06W，采用直流驅動；單管驅動電壓為1.5～3.5V，電流為15～18mA。也就是說，LED是一種非常節電的光源。
研究資料表明，由于LED是冷光源，與目前普遍使用的白熾燈、熒光燈相比，節電效率可以達到90%以上。以橋梁護欄燈為例，同樣效果的一支熒光燈40W，若采用LED，每支的功率只有8W，而且顏色可以七彩變化。
（3）固體光源，抗震，堅固耐用，使用壽命長，可靠性高。
LED是半導體元件，與白熾燈不同，沒有玻璃、鎢絲等易損可動部件，故障極低，可以免維修。其體積小、重量輕，環氧樹脂封裝，可承受高強度機械沖擊和震動，不易破碎。
在可靠性方面，LED的半衰期（即光輸出量減少到最初值一半的時間）大概是（1～10）萬h，其平均壽命達10萬h，LED燈具的使用壽命可達5～10年，可大大降低燈具的維護費用，避免經常換燈的麻煩。相反，小型指示用白熾燈的半衰期（此處的半衰期指的是有一半數量的燈失效的時間）典型值是10萬到數千小時不等，具體時間取決于燈的額定工作電流。
（4）安全性好，屬于綠色照明光源。
LED發熱量低，無熱輻射，冷光源，可以安全觸摸，能精確控制光型及發光角度，光色柔和，無眩光；不含汞、鈉元素等可能危害健康的物質，熱量、輻射都很少。LED內置微處理系統，可以控制發光強度和調整發光方式，實現光與藝術的完美結合。
LED為低壓供電，防觸電保護等級為Ⅲ類，安全。直流供電，無頻閃。
（5）不含汞，無污染，無紫外輻射。
LED為全固體發光體，耐震、耐沖擊，不易破碎，廢棄物可回收，沒有污染。光源體積小，可以隨意組合，易開發成輕便薄短的小型照明產品，也便于安裝和維護。
（6）單色性好、色彩鮮艷豐富。
LED器件發出的光純度非常高，在光譜上的表現就是光線集中在某一小段波長上，其顏色飽和度可達到130%，全彩色，使燈光更加清晰柔和。可通過化學修飾方法，調整制造LED材料的能帶結構和帶隙，實現紅、黃、綠、藍、橙多色發光。改變電流可使LED變色，如小電流時為紅色的LED，隨著電流的增加，可以依次變為橙色，黃色，最后為綠色。
（7）冷啟動，無需預熱時間，瞬間再啟動，響應時間短。
白熾燈的響應時間為毫秒級，LED燈的響應時間為納秒級，其響應時間只有60ns。LED反應速度快，可在高頻下操作，特別適合用作汽車燈具的光源，可為司機爭取寶貴時間以減少事故。
（8）平面發光，指向性好。
LED與點光源白熾燈不同，視角度≤180°，設計時一定要注意，利用LED光源有不同的視角度和視角不能大于180°這一特點。
（9）發光效率受溫度影響大。
LED的發光效率隨溫度升高而下降，一般情況下，芯片溫度超過120℃將失效。在燈具總成設計和制造工藝設計時，一定要考慮散熱設計。
（10）適用性強。
LED芯片的體積很小，可以制備成各種形狀的器件，并且適合于易變的環境。
友情提示
LED的使用壽命，一般認為在理想狀態下有10萬h。實際在使用過程中，其光強會隨使用時間的推移逐漸衰減，即電能轉化為光能的效率逐漸降低。我們能真正使用的有效光強范圍應在其衰減到初始光強的70%以上時。
LED的使用壽命與其芯片的質量和封裝技術、工藝直接相關，據某LED封裝廠的試驗數據，有些芯片在20mA條件下連續點亮4000h后，其光亮度衰減已達50%。但是隨著技術、工藝的提高，光衰時間越來越緩慢，即壽命也越長。
此外，LED驅動器的性能對LED的可靠性也有很大的影響。
知識窗
LED的極限參數
LED的極限參數主要有允許功耗、最大正向直流電流、最大反向電壓和工作溫度，在設計和使用LED產品時，不能突破這些極限參數，否則就會損壞LED。
（1）允許功耗Pm
當流過LED的電流為IF、管壓降為UF，則功率消耗為
P=UFIF
LED工作時，外加偏壓、偏流會促使載流子復合發出光，還有一部分變為熱，使結溫升高。所以LED承受的功耗有一閾值，稱為允許功耗。允許功耗用于描述允許加于LED兩端最大功率，即正向直流電壓與流過它的電流之積的最大值。如果超過此值，可導致LED發熱以致損壞。
（2）最大正向直流電流IFm
允許加在LED兩端的最大正向直流電流，稱為最大正向直流電流。超過此值，會損壞二極管。
（3）最大反向電壓URm
允許加在LED兩端的最大反向電壓，稱為最大反向電壓。超過此值，LED可能被擊穿而導致損壞。
（4）工作溫度topm
LED可正常工作的環境溫度范圍，稱為工作溫度。低于或高于此溫度范圍，LED將不能正常工作，效率會大大降低。