【Arduino Lesson 4】LED原理與結構及應用

　　※本篇牽涉較多電子工程學的知識，若只是想做實作的朋友們，可以略過本篇。



　　這篇原本應該是要實驗LED的閃爍，不過在「Arduino Lesson 2」就已經有了，而「Arduino Lesson 2」原本廠商給的課程內容是使「Arduino板子上的LED閃爍」，後來我自行修改內容為讓外接LED閃爍，導致本篇Lesson 4無主題可講，為此還煩惱了一陣子，所以我們今天拐一個彎，講一下比較細節的部分，就是LED(發光二極體，Light emitted-diode)的原理和結構。

LED(發光二極體)

二極體(Diode)：

在講LED(發光二極體)之前，必須先簡單了解一下何謂「二極體」，二極體是一個雙電極的電子元件(正極和負極)，當二極體因順向偏壓而導通的時候，雙極(兩端)的阻抗為0，電流則順利流過；反之逆向導通則雙極的阻抗無窮大。所以二極體也可以視為一個開關。

然而二極體有很多種，因為LED在二極體的分屬比較偏向為「PN二極體」，所以只著重介紹PN二極體。

PN二極體：

利用P型和N型這兩種半導體合而為一之二極體，在講P型和N型半導體之前，要先有一個概念，就是矽晶體本身是由「四價」的共價鍵結構所組成，這是一個極其穩定的結構，不會有任何導電的可能性，也就是我們常說的「半導體」〈不懂請自己去翻國中自然課本〉。

• N型半導體：由「五價電子」加到矽晶體所組成，而矽晶體又被四個價電子所包圍，所以會多出一個電子，此電子被稱為「自由電子」，用來增加電子濃度，也增加強其導電性，所以N型半導體的多數載子又為「電子」。

  

  N型半導體結構

• P型半導體：由「三價電子」加到矽晶體所組成，而矽晶體又被四個價電子所包圍，因為三價電子要跟四個價電子的矽晶體結合，但最終無法完全結合，會形成一個不完整的共價鍵而多出一個電洞，所以P型半導體的多數載子為「電洞」。

  

  P型半導體結構

※我們的主角LED本身是一個PN二極體的結構。

再來我們談一下二極體做為一個開關的基本功能，也就是「順向偏壓」和「逆向偏壓」的概念，簡而言之，順向偏壓的話會使二極體短路，形成一個通路讓電流流過，如果LED被順像導通就會發亮，反支逆向偏壓是使二極體開路，套用至LED就是不會亮，下面來詳談順向偏壓和逆向偏壓。

• 順向偏壓：因給PN二極體施與之電壓正負極之關係，N型半導體被注入電子，P型半導體被注入電洞，多數載子超多(過剩)，空乏區因此縮減或消滅，電流導通。

  

  順向偏壓導通

• 逆向偏壓：因給PN二極體施與之電壓正負極之關係，N型半導體備注入電洞，P型半導體被注入電子，PN兩區域的主要載子不足，導致空乏區變大，電流因此難以通過。
  

  

  逆向偏壓不導通

LED(Light emitting-diode，發光二極體)：

• 結構：

  

  LED結構

• 特性和優點：

1. 工作電壓：1.8~2.4V。
2. 工作電流：10mA ~ 20mA。
3. 不同顏色的LED有不同的價錢，因為LED顏色的配置是因化學材料的使用，目前我知道最貴的顏色為藍色。
4. 最近還有一種高亮度LED，也是稍微貴一些。
5. 能量轉換效率頗高(電轉光的效率)，所以省電。
6. 反應時間短，不像日光燈要等待一下，LED一開即亮。
7. 壽命長。
8. 體積小。

• 應用：
1. 狀態顯示，如捷運上的顯示器。
2. 紅綠燈。
3. 電視螢幕，現在有一種叫做「LED背光液晶顯示電視」的產品〈不要跟LCD搞混，LCD叫做液晶顯示器〉。
4. 高亮度手電筒。
5. 紅外線〈使用紅外線LED〉。

LED的實作：

• 硬體電路：

  

  LED硬體電路

• 程式碼：

　　int ledPin = 10 ;

　　void setup()

　　{

  　　pinMode(ledPin, OUTPUT) ;

　　}

　　void loop()

　　{

  　　digitalWrite(ledPin, HIGH) ;

  　　delay(1000) ;

  　　digitalWrite(ledPin, LOW) ; 

  　　delay(1000) ;

　　}

• 實作成果：

• 研究討論─關於限流電阻：

眼尖的人可能會發現，在「Arduino Lessson 2」的篇章裡，裡面的LED硬體電路是沒有接電阻的，但是本篇有接電阻，所以在此說明一下此顆電阻的功用；接在LED後面的電阻其實是用來限制電流的大小，根據歐姆定律〈V = I * R〉可以知道，阻抗越大，電流越小，而在電路導通的瞬間，通常有一個很大的瞬間電流，這個瞬間電流有可能超過LED的承載量而燒毀，所以必須使用一顆電阻來限制電流大小，一般的限流電阻是使用330歐姆，避免過大的瞬間電流破壞LED。

　　而為什麼在「Arduino Lesson 2」裡沒有使用電阻？其實LED本身有一個內阻，可以有機率的避免掉瞬間電流過大的而燒毀的風險，不過一般來說LED的內阻都不會很大〈不然就不用另外加限流電阻了嘛~〉，所以才會特別加上一顆限流電阻，而我沒使用限流電阻的原因不外乎就是偷懶 + 賭他不會燒壞 XDD〈其實做過多次實驗，根據經驗法則，十之八九不會被燒壞〉，不過這不是一個很好的舉動就是了，為求實驗的安全和元件的良好，還是多加一顆限流電阻吧！