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LED进化史
发表日期:2010-07-21 14:05:46 来源:《无线电》杂志 2009.04 作者:杜洋 【 】 浏览:5364次 评论:0

大家好,我是杜洋。经过一年多的学习与实践,我又有了新的知识和经验要与各位朋友分享了。欣悉《无线电》杂志牛年一开年就“挂了彩”,可喜可贺,特此拙文一篇,聊表心意。读者朋友如果有什么疑问或需要我帮助的地方,请通过编辑部与我联系,相信我们会成为志同道合的好朋友。

 

 

                      

 

LED发展史:一个世纪的等待

LED(Light Emitting Diode),中文名为发光二极管,它同时具备两种性能:一是二极管的单向导电性,二是正向导通时会发光。现代电子产品中随处可见它的光芒,它在你的电脑前面板上闪烁,它在你的右手下方为你的光电鼠标指明了方向,它是黑暗中新型手电里的一束光,它们中的一群组成了广场中央的电视墙。现在就让我们走进它的世界,了解它的历史,应用它的力量。

这话要从头说起,作为一名电子爱好者不只是学习技术上的知识,同时也应该了解电子行业的历史和发展,必竟我们属于这个群体,我们不应该忘记前辈们的努力。我花了九牛二虎之力,找到并整理了LED发展的历史资料,希望大家从中能概括了解LED在一个世纪中的演变。

1907年,英国马可尼(Marconi)实验室的科学家Henry Round第一次推论半导体PN结在一定的条件下可以发出光。这个发现奠定了LED被发明的物理基础。

1927年前后,俄国科学家奥列弗拉基洛谢夫(Oleg Vladimirovich Losev)独立制作了世界上第一颗LED,其研究成果曾先后在俄国、德国和英国的科学杂志上发表,可惜当时并没有人理睬他。天意弄人,1942年,39岁的洛谢夫在列宁格勒城被德军封锁时因饥饿而死。后来这段故事淡出了历史舞台,并把LED的“发明权”让位给了美国人尼克·何伦亚克。

1955年,美国无线电公司(RadioCorporation of America)33岁的物理学家鲁宾·布朗石泰(Rubin Braunstein)首次发现了砷化镓(GaAs)及其他半导体合金的红外放射作用并在物理上实现了二极管的发光,可惜发出的光不是可见光而是红外线,但这个贡献也很大了。1961年,德州仪器公司(TI)的科学家鲍勃·布莱德(Bob Biard)和加里·皮特曼(Gary Pittman)发现砷化镓在施加电子流时会释放红外光辐射。他们率先生产出了用于商业用途的红外LED并获得了砷化镓红外二极管的发明专利。不久,红外LED就被广泛应用于传感及光电设备当中。现在我们家里的电视机遥控器就是用红外LED来实现遥控的。

 

1 9 6 2 年, 美国通用电气公司(GE)一名34岁的普通研究人员尼克·何伦亚克(Nick Holonyak Jr.)发明了可以发出红色可见光的LED,他的名字也随LED的红光一起红了起来。因为何伦亚克的发明后来得到了广泛的应用,所以一般称他为“发光二极管之父”,后来也获得了N多奖项。当时的LED还只能手工制造,而且每只的售价需要10美元。1963年,他离开通用电气公司,出任其母校美国伊利诺大学电机工程系教授,培养自己的接班人去了。

果然名师出高徒,1972年,何伦亚克的学生乔治·克劳福德(M. GeorgeCraford)踏着前辈们的脚步发明了第一颗橙黄光LED,其亮度是先前红光LED的10倍,这标志着LED向着提高发光效率方向迈出的第一步。克劳福德现在任职飞利浦Lumileds公司技术总监,算是功成名就见好就收了,把更多的机会留给了下一代儿童。

到了20世纪70年代末期,LED已经出现了红、橙、黄、绿、翠绿等颜色,但依然没有蓝色和白色光的LED。因为只有发明出蓝光LED才可能实现全彩色LED显示,蓝光LED的市场价值巨大,也是当时世界性的攻关难题。科学家们转而将重点放在了提高LED的发光效率上面。20世纪70年代中期,LED可产生绿、黄、橙色光时,发光效为1流明/瓦,到了20世纪80年代中期对砷化镓和磷化铝的使用使得第一代高亮度红、黄、绿色光LED诞生,发光效率已达到10流明/瓦。

1993年,在日本日亚化工(NichiaCorporation)工作的、39岁的中村修二(Shuji Nakamura)终于发明了基于氮化镓和铟氮化镓的具有商业应用价值的蓝光LED。凭借此项发明,他荣获2006年千禧科技奖,这相当于科技界的诺贝尔呀!不久后,人们在蓝光LED的基础上加入黄色荧光粉,就可以得到白色光LED,利用这种荧光粉技术可以制造出任何颜色光的LED(如紫色光和粉红色光)。蓝色和白色光LED的出现拓宽了LED的应用领域,使全彩色LED显示、LED照明等应用成为可能。中村修二现在任职美国加州大学教授,因为和日亚化工在专利权问题上打官司赚了一大笔钱,现在算是名利双收了。看来有重大发明的人,后来的下场都很不错,除了可惜的洛谢夫。

 

 

21世纪初,LED已经可以发出任何可见光谱颜色的光(还包括有红外线和紫外线)。其发光效率已经达到100流明/瓦以上。也许正在你阅读这篇文章的时候,就有一款更高性能的LED产品问世。从1907年半导体PN结发光理论的提出,到今天LED技术的无处不在,期间经历了整整一个世纪。在这个LED的世纪里,有不计其数的研究人员为LED的发展付出了心力,LED所带来的经济效益和科技发展是无比巨大的。当我们有幸在电子市场可以花几毛钱买到一款LED的时候,请别忘记前辈们的卓越贡献。

种类与规格:五花八门

突然你眼前跳出一位阿姨,微笑着问你需要什么,两旁是密密麻麻、各式各样的元器件。你说你想买LED,她会问你是不是要发光二极管呀?要什么型号的?什么颜色的?国产的还是进口的?φ 3还是φ 5的?普通的还是高亮的?1W的还是3W的?单色的还是双色的?共阴的还是共阳的?红发红的还是白发红的?贴片的还是直插的?……如果你面对这一大堆问题而回答不知道的话,她一定会白你一眼然后对你说:“你还是先去看一下杜洋写的《LED总结报告》之后再来买吧!”

 

是呀,如果你真的不清楚,你是应该仔细看看我下面的文章。LED发展到今天,已经形成许多种类和规格,本文我将选取市场上常见、爱好者常用的LED产品来详细介绍一下,希望对初学者有所帮助。LED的化学材料、生产工艺等内容因为与实际应用涉及不多,所以本文不作介绍,有兴趣的朋友请参考其他资料。

LED的核心只是一个小小的PN结,普通的LED的核心只有一粒沙子的大小。而我们在市场上买到的LED已根据不同应用需要而外加了封装。最常用的LED封装形式有两种——直插式和贴片式(SMD),其中直插式的目前应用最广,以至于有些爱好者一提到LED就马上想到高高的草帽下面长着两条脚的东西。但随着贴片技术的发展,产品不断精小化之后,贴片LED封装将会成为主流。

1. 直插式LED—始终很流行,从未被取代

常用的直插封装LED规格有φ 3、φ5、φ8、φ10,指的是直插式LED帽身的直径尺寸(单位是mm)。其中最最常见的是φ 5型LED产品。因为直插式LED的造型是根据最终产品需要的LED指示灯在外壳上的孔径大小决定的,所以你在选择时,要视你的应用来选择。直插式封装有几处设计是用来在外观上区分LED极性的。如图5所示,单色直插式LED帽沿的切边一面下方的引脚是LED的负极;在未焊接之前,引脚短针一边是LED的负极;单色直插式LED的外壳颜色一般有带颜色的和透明的两种例如一款红色光直插式LED,如果外壳也是红色则称为红发红LED,如果外壳是透明的则称为白发红LED。依此说法就有了绿发绿、白发绿、白发蓝、白发白等规格。有色外壳一般直接用作指示灯,透明外壳多用于聚光照明或需要光学传导的场合。台式电脑机箱上的电源指示灯是有色外壳,光电鼠标底部的红光LED是透明外壳的,因为LED前面还有一块折射镜结构的组件,将光导向指定的区域。

2. 贴片式LED——微型电子产品的必备之物

常用的贴片式LED封装规格有0603、0805、1206,指的是贴片LED基座PCB板的长宽尺寸,如0805指贴片LED的基座PCB板的长宽尺寸是2.0×1.25(单位是mm),详见表1。

因为贴片LED是直接贴装在电路板上,不能延伸到外壳上,需要由导光组件将光引导至外壳上指定位置,所以一般的贴片LED封装都是透明壳体。还有一些设计者把贴片LED排成阵列来制作小型的LED显示屏,这也是一种用法。单色贴片LED封装中,有绿色(或蓝色)小点的一侧引脚为LED的负极,如图5所示。

3. LED显示屏——动静“显”中求

前面所讲的是将LED封装成点光源,用于照明和状态指示。下面介绍几种常见的将LED封装成阵列,用于信息显示的器件。许多初学者朋友都会在LED数码管和点阵屏的原理上晕倒,所以下面我重点介绍一下它们。

 

首先我们来说一下LED数码管,这是我小时候最早见过的LED显示器件,还记得那是在一台水泥搅拌机的控制面板上,一个会发光的数字吸引了我,我惊奇地发现就在那7个条条所组成的“8”字上,可以显示出从“0”到“9”十位数字,发明这个的人简直太有才了。后来才知道,我看到的那种叫LED八段数码管(其中七段显示数字,一段显示小数点),除了数字之外还可以显示A、b、c、d、E、F等英文字母,如图6所示。后来又知道了还有一种17段数码管可以显示数字、字母和特殊符号,我见过用17段数码管作为显示屏的“大哥大”,现在想起来挺搞笑的。LED数码管从段码数量上分为7段、8段、15段和17段;从位数上分有1位、2位、4位、8位等;从极性上分为共阴型和共阳型,从显示方式上可以分为静态显示和动态显示,从颜色上分为单色、双色和三色等,从尺寸上分类则各式各样、应有尽有,如图7所示。

 

 

 

LED数码管不管是多少位连在一起的,都会有一个共阳或共阴的问题。如图8所示,为了节约数码管模块的引脚数量,就将每一个段码的所有阳极或阴极并联在一起,形成一个公共的阳极或阴极。在制作电路和购买元器件的时候一定要了解你所用的数码管是共阳还是共阴。如果购买2位或2位以上的数码管时,除了极性问题外还要考虑驱动方式的问题。我们以共阳的数码管为例,将2个共阳数码管的阳极端并联在一起,把每个数码管的所有段码的阴极都引出来,这样就形成了静态显示所需要的数码管结构,如图9所示。静态显示方式适合在采用数字集成电路来驱动显示的电路中使用,只要将共阳极接到电源上,然后分别用数字集成电路来控制各段码的阴极接地,就可以实现数字的显示了。还有一种显示方式,是将各对应段码的阴极并联在一起,而将每个位码的公共端阳极分开(VCC1、VCC2)。如图10所示,当希望第1位数码管显示数字“3”的时候,只要在VCC1端加高电平(VCC2端断开),并在公共阴极端对应“3”的段码(a、b 、c 、d 、g )接地即可。当希望第2 位数码管显示数字“ 7 ”的时候,只要在VCC2 端加高电平( VCC1 端断开),并在公共阴极端对应“7”的段码(a、b、c ) 接地即可。当用单片机或其他处理器控制,将切换速度变得足够快时, 我们的眼睛就会感觉“3”和“7”是同时显示的了。因为这种显示方式需要高速的切换显示,所以得名“动态显示”,相对的前一种方式被称为“静态显示”。动态显示方式不论是多少位的数码管,在同一时间内只有其中一位被点亮,所以比较省电。但却需要高速度的电路来驱动,不过在单片机技术盛行的今天,用单片机或是专用的动态显示驱动芯片来驱动数码管已经不是问题(常用的LED数码管显示驱动芯片有MAX7219、CS7219等)。注意在购买数码管时要问清数码管的公共极性,第一次使用的数码管应先用万用表测试各段码和引脚的对应关系。

 

 

 

下面说说LED点阵屏,LED点阵屏由多只LED以阵列的形式封装在一块平面上,通过对应点的点亮和熄灭来组合出各种字符和图形,如图11所示。它的应用就很常见了,比如城市广场上经常会看到的电视墙、地铁和公共汽车上的信息显示屏,都是使用LED阵列显示屏模块组成的。LED点阵屏有各种颜色(常用的有红色、绿色、蓝色),也分为单色、双色(常见的是红、绿组合)、三色(红、绿、蓝组合实现全彩显示),有普通亮度和高亮度之分。尺寸规格一般按LED点阵屏中各点的直径区分,常用的单点直径有3.0mm、3.75mm、5.0mm等。同一模块上的点阵数量的不同也可分为8×8点、16×16点、5×7点等等。如图12所示,是单色LED点阵屏的内部结构,图中可以看出LED在内部的连接也是以阵列的方式连接,这种连接方式适合采用遂行扫描的方式来实现显示。LED点阵屏的驱动,也是单片机初学者必修的一课。当初我在学习单片机的时候,最有兴趣的就是LED点阵显示屏的制作,于是看了下它的结构和原理之后就去电子市场买件了。还是那个微笑的阿姨,我说想买一款8×8、单红色、普通亮度、φ 3.0mm的点阵屏。没想到她问我是共阴还是共阳的。我晕,我看过点阵屏的结构原理,它是阵列式接线方式,没有分共阴和共阳呀!我吱吱唔唔半天说不出话来。还算我聪明,最后说共阳和共阴的各买一片。也好回去研究一下是怎么回事。结果发现是一样的,我又一次晕倒。后来经过高手的指点才明白,LED点阵屏所谓的共阴和共阳是指双色和三色屏来说的,因为双色和三色屏需要在同一个点里多出1或2个颜色的LED,为了节省引脚数,就将同一点里的多个颜色按共阳或共阴方式并联,如图13所示。而单色屏因为没有公共端,所以不存在这个概念,如图14所示。原来阿姨也不太明白,改天告诉她一下。

 

 

 

LED点阵屏的驱动方式和LED数码管动态显示的方式很相似。我们以8行×8列的LED点阵屏为例,当8行全部接入高电平,8列全部接地时,LED点阵屏上的所有点点亮。当我们只将第1行接入高电平,8列全部接地,则只有第1行的8个LED点亮。如果我们在这时只希望第1行的前4列点亮,就可以将前4列引脚接地,后4列引脚断开。按照动态显示的原理,要显示第2行的信息时,就将第2行对应的列引脚接地或断开,依此类推就可以任意控制8行、8列的64个LED的点亮和熄灭,当切换显示的速度足够快时,眼睛就会感觉所有点亮的LED是同时显示的。这种显示方式同样需要高速的单片机来实现动态切换,行列数量越多,需要的处理速度就越快。LED点阵屏封装的后面引脚数量不一,一般的8×8单色点阵屏有16个引脚(8个行引脚和8个列引脚),如图14所示。8×8双色共阴或共阳的点阵屏有24个引脚,如图13所示。LED点阵屏的引脚在封装上并不是按行列顺序排列的,所以在初次使用某一型号的LED点阵屏之前,应向商家索取LED点阵屏的资料。如果不是专业卖LED点阵屏的商家可能也没有什么资料,那就要靠我们自己灵巧的双手和万用表来测试了。以数字万用表为例,把万用表调整到二极管测试挡,将红表笔放在某个引脚上,黑表笔分别按顺序接在其他各引脚上测试,同时观察LED点阵屏是否有某点被点亮。如果发现没有任何LED被点亮,则调换红、黑表笔再如法炮制。如果发现有LED被点亮,则这时红、黑表笔对应的引脚正是被点亮LED所在的行列位置及正负极关系。把这个对应关系记下来,再测试下一个引脚。最后你会得到一张图表,如图13和14所示,黑色圆圈里的数据是引脚编号,它们和行、列的对应关系就一目了然了。双色屏的测试也是一样的方法,只是多了一个共阴、共阳关系而已。

大功率LED:照明产品的未来

如图15(a)所示,大功率LED器件是目前新兴的LED产品,主要被用在照明方面,希望可以打造新型的节能照明产品。目前这项技术还不是很成熟,主要是因为大功率LED虽然亮度高,但是发热量也大,价格也比较贵,除了高品质的大功率LED外,普通的大功率LED在同等亮度的情况下,其节能效果还不如荧光管节能灯。人们主要看重的还是它的体积小、寿命长、环保和性能不断提高等特点。由于全球正在逐步禁止白炽灯泡的使用,所以LED成为未来照明新光源的发展潜力不容小视。

 

 

 

 

 

目前在电子市场上可以买到各种型号和规格的大功率LED,有0.5W、1W、3W、5W、10W等,颜色也是五彩斑斓的,最常见的还是白色光的。大功率LED是比较难伺候的,我们要考虑散热问题、驱动电路问题和光线处理问题。要想弄明白,就得再写一篇文章来细谈了,这里仅简单介绍一下。

大功率LED的散热问题是很重要的,散热问题处理不好就会大大降低LED的使用寿命,所以需要给LED加装散热片。可能有的朋友不理解了,LED不是不会发热吗?怎么会有散热的问题呢?是的,普通的LED是不存在散热问题的,而大功率LED就不同了,因为里面复杂的一大堆技术原理推导出来的结论是大功率LED会发热,而且不及时散热就会影响寿命。如图15(b)所示,像日本电影中黑衣忍者甩出的飞镖一样造型的东西就是LED的散热片,大功率LED封装的底部金属基座与散热片紧密连接,散热片上还有一片简单的PCB结构,用来焊接LED引脚和接线焊盘。就一般环境下的使用而言,加装了这种散热 片之后,就可以解决散热问题,下面还要考虑的是驱动问题。普通的LED只需要保证1.4~3.8V的驱动电压,并保证流过LED的电流在10~30mA左右即可(LED生产标准不同,参数也有所不同,此处仅给出一般参数)。而大功率LED的驱动电压各不相同,有3.8V、12V等,一般多采用恒流源来驱动,市场上已经有成熟的专用于驱动大功率LED的恒流源驱动芯片和电路板产品,根据性能不同,价格在10到50元不等。这部分内容较多,细讲起来就得到后半夜了,所以还是留到以后和大家分享吧!

关于LED的其他介绍

1. LED与限流电阻

自从认识LED以来,在每一个有LED的电路中都会发现一只与LED串联的电阻,经过打听得知这是一只限流电阻,是为了保护LED不被过高的电流烧坏而设计的。普通的LED应保证其工作在最小驱动电压值以上,工作电流在10~30mA之间。所以严格来讲,限流电阻的阻值也是需要计算的。电阻值计算公式是:R =(V CC-V F)/I F,其中V CC为电源电压,V F为LED正向驱动电压,I F为LED正向工作电流。例如我们常用的5V电源LED指示灯要用的限流电阻的值是多少呢?假定我们所用的LED正向驱动电压是3V,工作电流希望保持在20mA,则R =(5V-3V)/0.02A=100Ω。我们到市场上购买阻值为100Ω、功率在1/8W或1/4W的碳膜电阻就可以了。当驱动多只LED的时候,根据串联或并联的方式不同,VF或I F需要积加后计算。

2. LED驱动

一只LED的驱动是比较容易的事情,只要将LED和限流电阻串联到电源和控制端即可。而多只LED需要驱动时,控制端口就不能承受如此大的电流了,所以需要为多只LED的应用专门设计驱动电路。如图16所示是多只LED串、并联的驱动电路。制作电路时应根据串联或并联的LED数量来计算各元器件的参数。

还有一种情况,是用低电压来驱动多支白色光LED,这种情况多出现在手机液晶屏背光灯、LED手电照明等电池供电的设备中。因为电池供电设备的电压低,而白色LED的驱动要求又较高,所以人们多采用专用的LED低压驱动芯片来实现设计。在《无线电》杂志2009年第1期的手电专题中有这方面的介绍。

3. LED与温度

一般情况下, L E D 的存放温度在- 4 0 ℃ ~ 8 5 ℃ , 工作温度在-20℃~70℃。在焊接LED时最好选择30W以下的电烙铁,焊接温度不得超过300℃,一次焊接的时间不得超过3秒钟,焊接点的位置至少离胶体外壳2mm以上。贴片LED在焊接时最好不要用热风枪来焊接或拆卸,不然很容易损坏。

4. LED的创新应用

许多电子元器件都具有其原理的反向应用,比如我们发现动圈式扬声器可以当作话筒,电动机可以当作发电机等等。前不久,我在网上发现了有人竟然将LED当作光电二极管来使用。光电二极管是可以根据外界射入的光线强度而输出不同阻值的元件。这个创新的设计是将LED与微处理器相连,使LED以高速亮、灭闪烁。在LED点亮时,将LED当作普通的发光二极管使用,微处理器提供电流使之点亮。在LED熄灭时将LED当作光电二极管使用,微处理器中的AD转换器检测LED的反向电流大小。当LED阵列屏上没有非透明物体时,LED(作为发光二极管)点亮时的光不会反射给熄灭状态时的LED(作为光电二极管)。当LED阵列屏上有非透明物体时,LED(作为发光二极管)点亮时的光将会反射给熄灭状态时的LED(作为光电二极管),产生反向电流并送到微处理器。物体的反射能力与距离所导致的反射强度也将被送入微处理器。这样的设计就可以实现用普通LED达到输入、输出功能。但该项技术还有待成熟,灵敏度差和环境光线的干扰是需要进一步解决的问题(大家可以到以下链接观看其演示视频:cs.nyu.edu/~jhan/ledtouch/)。

5. 特殊LED

现在市场上的LED产品种类已经丰富到不得了。出现了一些将专用的控制芯片直接和LED封装在一起,可以实现自动变色、自动闪烁功能的LED产品。通过特殊的导光材料将LED制作成条形、带形,用来取代传统的霓虹灯。如图17所示,将LED镶嵌在传统日光灯管中,可以代替传统的日光灯管。如图18所示,还有一种有机发光二极管(OLED),它可以实现将发光体制作在很薄的薄膜上,这项技术可以让未来的显示器可以像纸一样折起来放在口袋里,需要用的时候再展开,OLED的前景巨大,但还有待研发。在未来,LED将更小、更亮、更节能,它将会进入到我们生活的方方面面。说不定几年之后我们就会在家里用着LED的电灯,戴着LED的眼镜,穿着LED的睡衣,看着LED制作的《无线电》杂志。诸君莫笑,在LED技术高速发展的今天,一切皆有可能!

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