LED的基本结构与简单应用

LED的定义与结构组成：   

    LED（Light Emitting Diode），发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极， 另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这 边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个“P-N结”。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子 跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的。 

LED的发光原理

发光二极管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN结。因此它具有一般P-N结的I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光。 　　

假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获 后，再与空穴复合发光。除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心（这个中心介于导带、介带中间附近）捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不 能形成可见光。发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在靠近PN结面数μm以内产生。 

LED焊接技术要求及操作注意事项

1、生产时一定要戴防静电手套，防静电手腕，电烙铁一定要接地，严禁徒手触摸白光LED的两只引线脚。因为白光LED的防静电为100V,而在工作台上 工作湿度为60%-90%时人体的静电会损坏发光二极体的结晶层，工作一段时间后（如10小时）二极体就会失效（不亮），严重时会立即失效。 　　

2、焊接温度为260℃，3秒。温度过高，时间过长会烧坏芯片。为了更好地保护LED,LED胶体与PC板应保持2mm以上的间距，以使焊接热量在引脚中散除。 　　

3、LED的正常工作电流为20mA,电压的微小波动（如0.1V）都将引起电流的大幅度波动（10%-15%）。因此，在电路设计时应根据LED的压降配对不同的限流电阻，以保证LED处于最佳工作状态。电流过大，LED会缩短寿命，电流过小，达不到所需光强。 一般在批量供货时会将LED分光分色，即同一包产品里的LED光强、电压、光色都是的，并在分光色表上注明。

LED损坏的原因及LED电路保护的方法

白光LED属于电压敏感型的器件，在实际工作中是以20mA的电流为上限，但往往会由于在使用中的各种原因而造成电流增大，如果不采取保护措施，这种增大的电流超过一定的时间和幅度后LED就会损坏。
 
造成LED损坏的原因主要有：
①供电电压的突然升高。
②线路中某个组件或印制线条或其他导线的短路而形成LED供电通路的局部短路，使这个地方的电压增高。
③某个LED因为自身的质量原因损坏因而形成短路，它原有的电压降就转嫁到其他LED上。④灯具内的温度过高，使LED的特性变坏。
⑤灯具内部进了水，水是导电的。
⑥在装配的时候没有做好防静电的工作，使LED的内部已经被静电所伤害。尽管施加的是正常电压和电流值，也是极易造成LED的损坏。

那么，我该怎么样进行LED电路的保护呢？

1.保护电路中采用保险丝(管)

由于保险丝是一次性的，且反应速度慢，效果差、使用麻烦，所以保险丝不适宜用于LED灯成品中，因为LED灯现在主要是在城市的光彩工程和亮化工程。它要 求LED保护电路要很苛刻：在超出正常使用电流时能立即启动保护，让LED的供电通路就被断开，使LED和电源都能得到保护，在整个灯正常后又能够自动恢 复供电，不影响LED工作。电路不能太复杂体积不能太大，成本还要低。所以采用保险丝的方式实现起来很困难。

2.使用瞬态电压抑制二极管（简称TVS）

瞬态电压抑制二极管是一种二极管形式的高效能保护器件。当它的两极受到反向瞬态高能量冲击时，能以10的负12次方秒极短时间的速度，使自己两极间的高阻 立即降低为低阻，吸收高达数千瓦的浪涌功率，把两极间的电压箝位在一个预定的电压值，有效的保护了电子线路中的精密元器件。瞬态电压抑制二极管具有响应时 间快、瞬态功率大、漏电流低、击穿电压偏差一致性好、箝位电压较易控制、无损坏极限、体积小等优点。

但是在实际使用中发现要寻找满足要求电压值的TVS器件很不容易。LED光珠的损坏主要是因为电流过大使芯片内部过热造成的。TVS只能探测过电压不能探测过电流。要选择合适的电压保护点很难掌握，这种器件就无法生产也就很难在实际中使用。

3.选择自恢复保险丝

自恢复保险丝又称为高分子聚合物正温度热敏电阻PTC， 是由聚合物与导电粒子等构成。在经过特殊加工后，导电粒子在聚合物中构成链状导电通路。当正常工作电流通过（或组件处于正常环境温度）时，PTC自恢复保 险丝呈低阻状态；当电路中有异常过电流通过（或环境温度升高）时，大电流（或环境温度升高）所产生的热量使聚合物迅速膨胀，也就切断了导电粒子所构成的导 电通路，PTC自恢复保险丝呈高阻状态；当电路中过电流（超温状态）消失后，聚合物冷却，体积恢复正常，其中导电粒子又重新构成导电通路，PTC自恢复保 险丝又呈初始的低阻状态。在正常工作状态自恢复保险管的发热很小，在异常工作状态它的发热很高阻值就很大，也就限制了通过它的电流，从而起到了保护作用。 在具体的电路中，可以选择：

①分路保护。一般LED灯是分成很多串接支路。我们可以在每个支路的前面加一支PTC组件分别进行保护。这种方式的好处是精确性高，保护的可靠性好。

②总体保护。在所有光珠的前面加接一支PTC组件，对整灯进行保护。这种方式的好处是简单，不占体积。对于民用产品来说，这种保护在实际使用中的结果还是令人满意的。
LED在光电鼠标中的应用

    一般我们常见的光电鼠标通常是指使用光电组件，根据对移动表面图像的逻辑判断来生成移动数据的鼠标。

    光电鼠标的工作原理是：在光电鼠标内部有一个发光二极管，通过该发光二极管发出的光线，照亮光电鼠标底部表面（这就是为什么鼠标底部总会发光的原因）。然后将光电鼠标底部表面反射回的一部分光线，经过一组光学透镜，传输到一个光传感器件（微成像器）内成像。 

    这样，当光电鼠标移动时，其移动轨迹便会被记录为一组高速拍摄的连贯图像。最后利用光电鼠标内部的一块专用图像分析芯片（DSP，即数字微处理器）对移动轨迹上摄取的一系列图像进行分析处理，通过对这些图像上特征点位置的变化进行分析，来判断鼠标的移动方向和移动距离，从而完成光标的定位。

    光电鼠标通常由以下部分组成：光学传感器、光学透镜、发光二极管、接口微处理器、轻触式按键、滚轮、联机、PS/2或USB接口、外壳等。下而我们重点来了解下发光二极管（LED）在光电鼠标中的应用情况。

    我们知道，光电鼠标在使用过程当中底部会发出淡红色光芒。这是鼠标中的发光二极管发出的，它在鼠标中起什么作用呢？发光二极管发出的高亮（这主要是为了可以获得足够的光照度）光线，一部分通过鼠标底部的光学透镜(即其中的棱镜)来照亮鼠标底部；另一部分则直接传到了光学传感器的正面。通俗一点来讲，就是发光二极管的作用就是发出光芒产生鼠标工作中所需要的光源。

但是为什么常见的光电鼠标使用的LED是红色的呢？
    为什么会选择红色呢？其实原因比较简单，因为红色光源的LED技术比较成熟，而且成本上算来也是比较便宜的。这就使得红色高亮LED的使用寿命最长。而光 电引擎的成像是单色的，无论什么颜色的光源都不会产生影响。所以在这种情况下，除了少数厂商为了制造卖点以外，大多数厂商当然会选择红色的产品，使如许多 光电鼠标也采用蓝色LED，显得与众不同，但本质上是一样的。

    另外，结合直插式LED和SMD LED还可以用来装饰鼠标，使其发出七色炫彩光芒，更吸引人的眼球。更符合时尚一族的审美需求。全球每年光电鼠标的生产量数以亿计，以每个鼠标消耗1颗~7颗LED计算，所产生的经济效益有效地支撑了部份LED产业的出货量。

    展望未来，即使雷射鼠标大有普及之势，但仍离不开LED的辅助发光。尽管如此，以目前的光电鼠标普及状况来看，LED在鼠标中的应用仍然占据绝对主导地位，不可撼动。
LED与LCD的主要区别  

LCD 液晶显示器是 Liquid Crystal Display 的简称，LCD 的构造是在两片平行的玻璃当中放置液态的晶体，两片玻璃中间有许多垂直和水平的细小电线，透过通电与否来控制杆状水晶分子改变方向，将光线折射出来产生画面。

LED与LCD有着根本的区别，首先是发光光源的不同，其次是显示效果的区别，LCD可显示精致画面，LED确不能。LED理论上可做成很大的任意尺寸的显示屏，LCD目前的技太还只能做到100英寸左右。

LED照明前景
    美国能源部（DOE）对LED做出了如此的评价：没有其它照明技术可以具有像LED这样大的节能潜力和提升我们建筑环境品质。针对LED封装而言，2010年增长率超过了50%，超过了80亿美金，到2014年，LED市场的复合年增长率将超过30%，金额超过200 亿美金。据DisplaySearch的最新报告显示，由于 LED芯片功率提升和成本缩减，每台液晶电视背光所使用LED器件将相应减少，预计到2014年 LED照明应用将取代液晶电视背光应用成为LED应用主流。