基于单片机的led霓虹灯控制器设计

基于单片机的led霓虹灯控制器设计内容摘要：

45176。 ～ 90176。 或更大，散射剂的量较大。 、按发光二极管的结构分 按发光二极管的结构分有全环氧包封、金属底座环氧封装、陶瓷底座环氧封装及玻璃封装等结构。 、按发光强度和工作电流分 按发光强度和工作电流分有普通亮度的 LED（发光强度 100mcd）；把发光强度在 10～100mcd间的叫高亮度发光二极管。 一般 LED 的工作电流在十几 mA至几十 mA，而低电流LED 的工作电流在 2mA以下（亮度与普通发光管相同）。 LED 的基本原理 目前使用的大部分 灯具 是白炽钨丝灯或者采取气体放电，而半导体发光二极管（ LED） 的发光原理则与 大部分灯迥然不同。 发光二极管自发性（ Spontaneous）的发光是由于电子与空穴的复合而产生的。 一般的半导体发光二极管，多以 Ⅲ Ⅴ 、 Ⅱ Ⅵ 族化合物半导体为材料。 图 1示出的是 Ⅲ Ⅴ 及 Ⅱ Ⅵ 族元素的带隙（ Bandgap）与晶格常数（ Lattice Constant）的关系。 由图可知，这些材料的发光范围由红光到紫外线，目前红光的材料主要有 AlGaInP，而蓝绿光及紫外线的主要材料则有 AlGaInN。 虽然 Ⅱ Ⅵ 族材料也可以得到红光和绿光，但是这族材料极为不稳定，所以目前使用的发光材料大部分是 Ⅲ Ⅴ 族。 发光效率与材料是否为直接带隙（ Direct Bandgap）有关，图 2(a)是直接带隙材料，包括 GaNInNAlN、 GaAs、 InP、 InAs及 GaAs等，这些材料的导带最低点与价带最高点在同一 K空间。 所以电子与空穴可以有效地再复合（ Rebination）而发光。 而图 2(b)的材料均是间接带隙（ Indirect Bandgap），其带隙即导带最低点与价带最高点不在同一 K 空间，以致电子与空穴复合时除了发光外，还需要声子（ Phonon）的配合，所以发光效率 低。 目前发光二极管用的都是直接带隙的材料。 在直接带隙材料中，电子与空穴复合时，其发光跃迁（ Radiative Transition）有多种可能性，如图 3所示。 图 3（ a）是带间复合，图 3(b)是自由激子 (Exciton)相互抵消，图 3(c)是在能带势能波动 区域低势能区局部束缚激子的再复合。 图 3(a)及 (b)是一般AlGaInP红光 LED产生光的原理，而图 3(c)则是 AlGaInN的蓝光及绿光 LED 产生光的原理。 上述的 “ 复合 ” 是由于本身内部（ Intrinsic）产生的，但是假设将杂质（ Impurity）掺入半导体，则会在带隙中产生施主（ Donor）及受主 （ Acceptor）的能级，因此又可能产生不同的复合而发出光如图 4所示。 图 4(a)是受主与导带复合，图 4(b)是施主与价带复合，图 4(c)是施主 与受主的再复合，图 4(d)是激子再复合。 当电子与空穴复合而产生光时，这些光被称为自发辐射（ Spontaneous Emission），其光的方向如图 5(a)所示，是多方向的，这是发光二极管的发光特性。 但是，如果发出的光是激发辐射（ Stimulated）的，如 图 5(b)所示其方向一致，则此种元件被称为半导体激光二极管（ LD： Laser Diode）。 目前要得到高功率 LED就是要得到非常高的自发辐射。 图 6所示为发光二极管 pn结（ Junction）的能带结构， p型半导体是掺杂了受主杂质，而 n型则是掺杂了施主杂质，将两种材料放在一起即得到 pn结。 n型半导体中产生电子， p型半导体中产生空穴，在其中间产生耗尽层（ Depletion Layer）。 当正向偏压 (Forward Bias)加在 pn 结时，多余的载流子（ Carrier）会经过 耗尽至而渗透至对方。 图 6所示的是pn 结能带，其中，图 6(a)表示在平衡状态，图 6(b)表示在正向偏压时，图 6(c)表示在注入高密度电流时的电子与空穴复合产生光的情况，至于不发光的复合，则有通过禁带中央深能级（ Deep Trap Center）的复合以及在晶体中产生的热能损失。 当电子与 空穴复合时产生不同波长的光，而光波 λ 与能量 E间的关系是 其中， h是普朗克常数； c是光速。 所有的发光元件都需要具有高的内部量子效率（ Internal Quantum Efficiency），即产生的光子（ Photon）与进入 pn 结内的载流子之比，同时也要有高的外部量子效率（ External Quantum Efficiency），即产生的发光光子数目与越过 pn结的载流子数目之比，外部量子效率比内部量子效率低，原因之一是有些光在材料表面辐射之前被吸收，而且光到达表面时只有低于临界角（ Critical Angle）的光才能辐射。 要得到高的内部量子效率，一部分与结构有关，简单的 pn 结用同质结构（ HomoStructure）不易得到高效率，因为 pn结材料间折射率之差低，光 的阈值也低，其结果如图 7(a)所示。 用图 7(b)所示的双异质结构（ DH： DoubleHetero Structure），可以提高效率。 在双异质结构中， pn结材料与中间活性层（ Active Region）的材料不同，带隙较高，可以得到较高的折射率之差，所辐射的光不但强而且半高宽较窄，如图 7(b)所示，所以此种结构已完全取代同质结构。 目前， LED的活性层也采用了半导体激光器所用的量子 阱 (Quantum Well)结构，图 8所示是量子阱能带图。 当活性层的厚度减小到与德布罗意（ de Broglie）波长相近时，量子力学现象出现，这些薄的活性层就是量子阱，量子阱的数目可以是一个到数十个，量子阱的带隙是不连续的 （ Discrete），也是分离的。 用量子阱可以得到小的临界电流（ Threshold Current），同时量子阱的材料可以改变晶格不匹配以产生压缩性或者伸张性应变（ Strain），这些应变可以改变波长并减少临界电流。 用 AlGaAs及 AlGaInP均可得到红光，用 AlGaInN可以得到蓝光、绿光及紫外线，一般都用 MOCVD(Metalanic Chemical Vapor Deposition)法或 OMVPE（ Organic Metal Vapor Phase Epitaxial）法生长 AlGaInP及 AlGaInN材料，用不同量子阱材料得到不同颜色的 LED。 图 9(a)所示是一些例子，例如用 AlGaAs 得到 649nm红光，用 AlGaInP得到 594nm的琥珀色光，用 AlGaInN得到 517nm的绿光及 465nm与 427nm的蓝光等。 这些 LED的 IV（电流 电压）特性示于图 9(b)。 由图可见， AlGaAs DH LED 及 AlGaInP DH LED 的 IV特性相近，效率 r=2 表示电流主要是用作发光的再复合， AlGaInN DH LED 则不同，低电流主要是隧道（ Tunnelling）电流，但是 AlGaInN SQW（单量子阱）低电流时 r=2，高电 流时有高电阻。 图 10所示是可见光 LED的发展史，自 1970年左右开始红光 LED的光功率不断上升，但是蓝光 LED的特性到 1992年后才 突飞猛进。 LED 指标 、 LED的电学指标 、 LED 的电流 电压特性图 下 图所示为 LED工作的电流 电压（ IV）特性图。 发光二极管具有与一般半导体三极管相似 的输入伏安特性曲线。 我们分别对图中 所示的各段进行说明。 LED工作的电流 电压特性图 OA段：正向死区 VA为开启 LED发光的电压。 红色（黄色） LED的开启电压一般为 ~,绿色（蓝色） LED的开启电压一般为 ~。 AB段：工作区 在这一区段，一般是随着电压增加电流也跟着增加，发 光亮度也跟着增大。 但在这个区段内要特别注意，如果不加任何保护，当正向电压增加到一定值后，那么发光二极管的正向电压会减小，而正向电流会加大。 如果没有保护电路，会因电流增大而烧坏发光二极管。 OC段：反向死区 发光二极管加反向电压是不发光的（不工作），但有反向电流。 这个反向电流通常很小，一般在几 μA 之内。 在 1990~1995年，反向电流定为 10μA ， 1995~2020年为 5μA ；目前一般是在 3μA 以下，但基本上是 0μA。 CD段：反向击穿区 发光二极管的反向电压一般不要超过 10V，最大不得超过 15V。 超 过这个电压，就会出现反向击穿，导致 LED报废。 、 LED 的电学指标 ： 正向电压 VF： LED正向电流在 20mA时的正向电压。 正向电流 IF： 对于小功率 LED，目前全世界一致定为 20mA，这是小功率 LED的正常工作电流。 但目前出现了大功率 LED的芯片，所以 IF就要根据芯片的规格来确定正向工作电流。 反向漏电流 IR： 按 LED以前的常规规定，指反向电压在 5V时的反向漏电流。 如上面所说，随着发光二极管性能的提高，反向漏电流会越来越小，但大功率 LED芯片尚未明确规定。 工作时的耗散功率 PD： 即正 向电流乘以正向电压。 、 LED 的极限参数 最大允许耗散功率 Pmax=IFHVFH ： 一般按环境温度为 25℃ 时的额定功率。 当环境温度升高，则 LED 的最大允许耗散功率将会下降。 最大允许工作电流 IFM： 由最大允许耗散功率来确定。 参考一般的技术手册中给出的工作电流范围，最好在使用时不要用到最大工作电流。 要根据散热条件来确定，一般只用到最大电流 IFM的 60%为好。 最大允许正向脉冲电流 IFP： 一般是由占空比与脉冲重复频率来确定。 LED工作于脉冲状态时，可通过调节脉宽来实现亮度调节，例如 LED显示屏就是 利用这个手段来调节亮度的。 反向击穿电压 VR： 一般要求反向电流为指定值的情况下可测试反向电压 VR，反向电流一般为 5~100μA 之间。 反向击穿电压通常不能超过 20V，在设计电路时，一定要确定加到 LED的反向电压不要超过 20V。 、 电 光转换效率 电 光转换效率包括 以下两种 ：  光功率效率 η ：  流明效率 : 辐射过程的能量损失 电 光转换效率对 LED 的产品性能有很大影响，并且在发光过程中伴随有能量损失，同样影响 LED的发光效果。 在 LED的 pn结上加上 IFVF 电能后，可以转变成光功率辐射出来，在辐射光的过程中产生能量损失的原因有以下几种： 正向电压 VF下，载流子（电子 空穴）在 pn 结中复合发射出光子，会造成能量损失。 由于 pn结中有杂质、晶格缺陷等因素，每个电子渡越 pn结与空穴复合时，并不是都能激发产生出一个光子，即内量子效率不可能达到 100%。 每个电子渡越 pn 结耗能一定大于发射那个光子所具有的能量。 以上 两 种原因使 pn结发射出的光子总能量小于加在 pn结上的电能（即 IFVF ），减少部分的能量变成 pn结热能而产生温升。 封装时的能量损失 封装 LED时，由 LED芯片的折射率（一般折射率 ~3）与封装胶的折射率不同（一般封装胶的折射率 为 ），而封装胶的折射率与空气折射 率也不同（空气折射率一般为 1），所以不可能所有的光子都能辐射到空气中，即外量子效率也不可能达到 100%。 LED芯片发出的光遇到其他介质的交界面时会发生光反射现象，并被 LED芯片吸收，这部分被吸收的光子能量转化为芯片热量并产生温升。 当光线入射角大于全反射角时，则光线100%被反射。 激发过程的能量损失 对于白光 LED，由于用蓝光激发黄色 YAG 荧光粉，因此其激发过程中也存在能量损失 .蓝光对黄色 YAG 荧光粉并非 100%激发，这与黄色 YAG荧光粉的颗粒大小和均 匀度有关系。 减少了光子数将造成能量损失。 蓝色光子的能量大于激发出黄色光子能量，蓝色光子转换成黄色光子辐射出来，同样也造成了能量损失。 温度升高，蓝光太强，非辐射现象增加，蓝光转换成黄光的效率下降。 、 LED 的其他电学参数 在 高频电路中使用 LED时，还要考虑以下两个因素 ： 结电容 Cj 响应时间： 上升时间 tr，下降时间 t f 当 LED接在高频电路中使用时，要考虑到结电容和上升、下降时间，否则 LED无法正常工作。 、 LED的光学指标 人眼对自然界光的感知有两个方面：一是光的颜色，二是光 的辐射强度。 我们将从这两方面展开讨论，进而分析 LED的各种光学指标。 光的颜色的三种表示法 ： 国际照明委员会色品图表示法 光的颜色鲜艳度 色温或相关色温 下面将逐一对其进行介绍。 、 国际照明委员会色品图表示法 ： 国际照明委员会（ CIE）于 1931年研究提出了 XYZ色品图， 1960年又在 XYZ色品图的基础上提出了 UCS 色品图。 颜色感觉是光辐射源或被物体反射的光辐射作用于人眼的结果。 因此，颜色不仅取决于光刺激，而且取决于人眼的视觉特性。 关于颜色的测理和标准应该符合人眼的观测结果。 但 是。