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。现在就让我们走近它的世界,了解它的历 史,应用它的力量。

  1907年,英国马可尼(Maroni)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,俄国科学家奥列佛拉基洛谢夫(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(Radio Corporation 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(Tl)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。

  1962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.George Craford)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1O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—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(Nichia Corporation)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?φ3还是φ5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—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《LED进化史》之后再来买吧!”作者:杜洋 来源:《无线电》 日期:2009-04-13

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φ3、φ5、φ8、φ10,指的是直插式LED帽身的直径尺寸(单位是mm)。其中最常见的是φ5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。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—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,(3528,5050)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.O×1.25(单位是mm)。

 

型号

长度与宽度尺寸(mm)

0603

1.6×0.8

0805

2.0×1.25

1206

3.2×1.6

1208

3.0×2.0

1210

3.5×2.8

  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。

  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“O”到“9”十位数字,发明这个的人简直大有才了。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7段、8段、lO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,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。

  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: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—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。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、VCCZ)。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”的断码(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。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.Omm、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、l6×16点、5×7点等等。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—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元件了。还是那个微笑的阿姨,我说想买一款8×8、单红色、普通亮度、φ3.Omm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。而单色屏因为没有公共端,所以不存在这个概念。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,—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)。8×8双色共阴或共阳的点阵屏有24个引脚。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—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。

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