LED知识

LED基础知识LED 是取自Light Emitting Diode 三个字的缩写，中文译为“发光二极管”，顾名思义发光二极管是一种可以将电能转化为光能的电子器件具有二极管的特性。

目前不同的发光二极管可以发出从红外到蓝间不同波长的光线，目前发出紫色乃至紫外光的发光二极管也已经诞生。

除此之外还有在蓝光LED 上涂上荧光粉，将蓝光转化成白光的白光LED。

LED的色彩与工艺：制造LED的材料不同，可以产生具有不同能量的光子，借此可以控制LED所发出光的波长，也就是光谱或颜色。

历史上第一个LED所使用的材料是砷(As)化镓(Ga) ,其正向PN结压降(V F，可以理解为点亮或工作电压)为1.424V，发出的光线为红外光谱。

另一种常用的LED材料为磷(P)化镓(Ga)，其正向PN结压降为2.261V，发出的光线为绿光。

基于这两种材料，早期 LED工业运用GaAs1-x P x材枓结构，理论上可以生产从红外光一直到绿光范围内任何波长的LED，下标X代表磷元素取代砷元素的百分比。

一般通过PN结压降可以确定LED的波长颜色。

其中典型的有GaAs0.6P0.4 的红光 LED，GaAs0.35P0.65 的橙光LED，G aAs0.14P0.86 的黃光 LED等。

由于制造采用了鎵、砷、磷三种元素，所以俗称这些LED为三元素发光管。

而GaN（氮化镓）的蓝光 LED 、GaP 的绿光 LED和GaAs红外光LED，被称为二元素发光管。

而目前最新的工艺是用混合铝(Al)、钙(Ca) 、铟(In)和氮(N)四种元素的AlGaInN 的四元素材料制造的四元素LED，可以涵盖所有可见光以及部份紫外光的光谱范围。

发光强度：发光强度的衡量单位有照度单位（勒克司Lux）、光通量单位（流明Lumen）、发光强度单位（烛光Candle power）1CD（烛光）指完全辐射的物体，在白金凝固点温度下，每六十分之一平方厘米面积的发光强度。

（以前指直径为2.2厘米，质量为75.5克的鲸油烛，每小时燃烧7.78克，火焰高度为4. 5厘米，沿水平方向的发光强度）1L（流明）指1 CD烛光照射在距离为1厘米，面积为1平方厘米的平面上的光通量。

1Lux（勒克司）指1L的光通量均匀地分布在1平方米面积上的照度。

一般主动发光体采用发光强度单位烛光CD，如白炽灯、LED等；反射或穿透型的物体采用光通量单位流明L，如LCD投影机等；而照度单位勒克司Lux，一般用于摄影等领域。

三种衡量单位在数值上是等效的，但需要从不同的角度去理解。

比如：如果说一部LCD投影机的亮度（光通量）为1600流明，其投影到全反射屏幕的尺寸为60英寸（1平方米），则其照度为1600勒克司，假设其出光口距光源1厘米，出光口面积为1平方厘米，则出光口的发光强度为1600CD。

而真正的LCD投影机由于光传播的损耗、反射或透光膜的损耗和光线分布不均匀，亮度将大打折扣，一般有50％的效率就很好了。

实际使用中，光强计算常常采用比较容易测绘的数据单位或变向使用。

对于LED显示屏这种主动发光体一般采用CD／平方米作为发光强度单位，并配合观察角度为辅助参数，其等效于屏体表面的照度单位勒克司；将此数值与屏体有效显示面积相乘，得到整个屏体的在最佳视角上的发光强度，假设屏体中每个像素的发光强度在相应空间内恒定，则此数值可被认为也是整个屏体的光通量。

一般室外LED显示屏须达到4000CD／平方米以上的亮度才可在日光下有比较理想的显示效果。

普通室内LED，最大亮度在700～2000 CD／平方米左右。

单个LED的发光强度以CD为单位，同时配有视角参数，发光强度与LED的色彩没有关系。

单管的发光强度从几个mCD到五千mCD不等。

LED生产厂商所给出的发光强度指LED在20mA电流下点亮，最佳视角上及中心位置上发光强度最大的点。

封装LED时顶部透镜的形状和LED芯片距顶部透镜的位置决定了LED视角和光强分布。

一般来说相同的LED视角越大，最大发光强度越小，但在整个立体半球面上累计的光通量不变。

当多个LED较紧密规则排放，其发光球面相互叠加，导致整个发光平面发光强度分布比较均匀。

在计算显示屏发光强度时，需根据LED视角和LED的排放密度，将厂商提供的最大点发光强度值乘以30％～90％不等，作为单管平均发光强度。

一般LED的发光寿命很长，生产厂家一般都标明为100,000小时以上，实际还应注意LED的亮度衰减周期，如大部分用于汽车尾灯的UR红管点亮十几至几十小时后，亮度就只有原来的一半了。

亮度衰减周期与LED生产的材料工艺有很大关系，一般在经济条件许可的情况下应选用亮度衰减较缓慢的四元素LED。

配色、白平衡：白色是红绿蓝三色按亮度比例混合而成，当光线中绿色的亮度为69%，红色的亮度为21％，蓝色的亮度为10％时，混色后人眼感觉到的是纯白色。

但LED红绿蓝三色的色品坐标因工艺过程等原因无法达到全色谱的效果，而控制原色包括有偏差的原色的亮度得到白色光，称为配色。

当为全彩色LED显示屏进行配色前，为了达到最佳亮度和最低的成本，应尽量选择三原色发光强度成大致为3:6:1比例的LED器件组成像素。

白平衡要求三种原色在相同的调灰值下合成的仍旧为纯正的白色。

原色、基色：原色指能合成各种颜色的基本颜色。

色光中的原色为红、绿、蓝，下图为光谱表，表中的三个顶点为理想的原色波长。

如果原色有偏差，则可合成颜色的区域会减小，光谱表中的三角形会缩小，从视觉角度来看，色彩不仅会有偏差，丰富程度减少。

LED发出的红、绿、蓝光线根据其不同波长特性和大致分为紫红、纯红、橙红、橙、橙黄、黄、黄绿、纯绿、翠绿、蓝绿、纯蓝、蓝紫等，橙红、黄绿、蓝紫色较纯红、纯绿、纯蓝价格上便宜很多。

三个原色中绿色最为重要，因为绿色占据了白色中69％的亮度，且处于色彩横向排列表的中心。

因此在权衡颜色的纯度和价格两者之间的关系时，绿色是着重考虑的对象。

LED的亮度单位有关led的“亮度”单位：mcd描述光的常用物理量有4个，它们是：1、发光强度，为一光源在给定方向上的发光强度，单位candela，即坎德拉，简称坎、cd。

有人仍然用烛光来表示发光强度，那太老了，要知道1940年（又一说1948年）已经采用新烛光了，只不过“烛”＝candle 罢了。

1968年以后烛光被废除。

2、光通量，光源在单位时间内发射出的光量称为光源的发光通量，单位流明，lm3、光照度，1lm（流明）的光通量均匀分布在1m2表面上所产生的光照度，单位勒克斯，lx4、亮度，单位光源面积在法线方向上，单位立体角内所发出的光流，单位尼特，nt衡量手电筒和led一般用发光强度，但早期的led“亮度”低，因此都用毫cd来衡量，即mcd，后来出来了上千、上万mcd的，单位也不改了，因此10000mcd＝10cd。

同样管芯的led，5mm的mcd值就没有10mm的mcd值大（我这里避免使用亮度一词，因为意义太容易模糊了），原因是10mm的聚焦好、光点小。

实际它们发出的光通量显然是一样的。

衡量发光效率的一个指标，就是每瓦的电功率可以发出多少流明的光通量，理论极限是683流明（而且需要是0.54微米波长的黄绿色光）。

白炽灯是每瓦10流明左右，好的白色led应该可以达到200流明以上。

白色的led，本来就是篮色的led，在管芯周围加上了荧光粉。

因此，看看白色led的发射谱线，有两个峰值。

弄不好偏篮是很自然的。

发光强度的业余测量：找一个照度表（即lx表，我就有一个），探头放在地上向上，在暗处把手电或led距离1m向其照射，得到的lx最大读数就是cd值，乘上1000就是mcd值。

如何控制LED的亮度在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。

PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。

这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。

LED的发光颜色和发光效率与制作LED的材料和工艺有关，目前广泛使用的有红、绿、蓝三种。

由于LED工作电压低（仅1.5-3V），能主动发光且有一定亮度，亮度又能用电压（或电流）调节，本身又耐冲击、抗振动、寿命长（10万小时），所以在大型的显示设备中，目前尚无其他的显示方式与LED显示方式匹敌。

把红色和绿色的LED放在一起作为一个象素制作的显示屏叫双色屏或彩色屏；把红、绿、蓝三种LED管放在一起作为一个象素的显示屏叫三色屏或全彩屏。

制作室内LED屏的象素尺寸一般是2-10毫米，常常采用把几种能产生不同基色的LED管芯封装成一体，室外LED屏的象素尺寸多为12-26毫米，每个象素由若干个各种单色LED组成，常见的成品称象素筒，双色象素筒一般由3红2绿组成，三色象素筒用2红1绿1兰组成。

无论用LED制作单色、双色或三色屏，欲显示图象需要构成象素的每个LED的发光亮度都必须能调节，其调节的精细程度就是显示屏的灰度等级。

灰度等级越高，显示的图像就越细腻，色彩也越丰富，相应的显示控制系统也越复杂。

一般256级灰度的图像，颜色过渡已十分柔和，而16级灰度的彩色图像，颜色过渡界线十分明显。

所以，彩色LED屏当前都要求做成256级灰度的。

有两种控制LED亮度的方法。

一种是改变流过LED的电流，一般LED管允许连续工作电流在20毫安左右，除了红色LED有饱和现象外，其他LED亮度基本上与流过的电流成比例；另一种方法是利用人眼的视觉惰性，用脉宽调制方法来实现灰度控制，也就是周期性改变光脉冲宽度（即占空比），只要这个重复点亮的周期足够短（即刷新频率足够高），人眼是感觉不到发光象素在抖动。

由于脉宽调制更适合于数字控制，所以在普遍采用微机来提供LED显示内容的今天，几乎所有的LED屏都是采用脉宽调制来控制灰度等级的。

LED的控制系统通常由主控箱、扫描板和显控装置三大部分组成。

主控箱从计算机的显示卡中获取一屏象素的各色亮度数据，然后重新分配给若干块扫描板，每块扫描板负责控制LED屏上的若干行（列），而每一行（列）上LED的显控信号则用串行的方式传送。

目前有两种串行传送显示控制信号的方式：一种是扫描板上集中控制各象素点灰度，扫描板将来自控制箱的各行象素的亮度值进行分解（即脉宽调制），然后将各行LED的开通信号以脉冲形式（点亮为1，不亮为0）按行用串行方式传输到相应的LED上，控制其是否点亮。

这种方式使用器件较少，但串行传输的数据量较大，因为在一个重复点亮的周期内，每个象素在16级灰度下需要16个脉冲，在256级灰度下需要256个脉冲，由于器件工作频率限制，一般只能使LE D屏做到16级灰度。

另一种方法是扫描板串行传输的内容不是每个LED的开关信号而是一个8位二进制的亮度值。

每个LED都有一个自己的脉宽调制器来控制点亮时间。