最简单的电阻限流LED 驱动电路如图2.1所示,把电阻R 与LED 串联,并在两端加上适当的电压,回路中就会有电流I 流过,发光二极管D 发光,发光的强度与电流I 的大小成比例,而电流I 的大小则取决于所加的电压E 以及限流电阻R 的阻值。对于给定的LED 以及供电电源,调节电阻R 的阻值,就能得到流经LED 的期望电流值,从而达到控制LED 发光强度的目的。

图2.1　最简单的电阻限流LED 驱动电路

需要注意的是,上述电路中所加的电压必须高于LED 的正向导通阈值电压,电阻R 的阻值计算也需要考虑到LED 正向导通电压UF,不同LED 的正向导通电压不尽相同,它主要取决于生产LED 所使用的半导体材料。每种发光二极管都有各自的技术指标,了解特定LED 的这些技术指标,对于正确使用它们很有帮助。应用时需要注意两种参数,即极限参数与典型参数。设计与应用时必须保证不会超出LED 厂家提供的极限参数指标,并参照典型参数来设计驱动电路。例如,表2.1所列的是某些型号LED 的极限参数,在使用时需要保证所有的参数不会超出该表所列的数值,不然可能造成LED 永久损坏。这里有两个指标需要做一些说明,即直流正向电流与脉冲正向电流。直流正向电流是指连续施加的正向电流,而脉冲正向电流一般是以10%的占空比施加的宽度为0.1ms的脉冲来表述的。可见,在脉冲形式的驱动方式下,可以适当增加正向电流而不至于损坏LED。

表2.1　LED的极限参数

表2.2所列的则是相应LED 的一些典型应用参数,可以发现不同颜色(材料)的LED,它们的正向导通电压的阈值是有差别的。例如,最小的红光与最大的蓝光LED 的正向压降会差1.5V 左右,在设计驱动电路时应该充分考虑。此外,同样的导通电流产生的发光强度也不一样,这不仅是由于不同材料的发光效率上的差异,还由于人眼对于不同波长视觉灵敏度的差异,应用时同样必须考虑,以免有些灯珠看上去亮得刺眼,而另一些则显得很黯淡。例如,对于同样为20mA 的工作电流,表中所列蓝光LED 的发光强度会是黄光的6倍多。

表2.2　LED的典型应用参数

在LED 的性能指标中与波长相关的指标通常有三个,分别是：主波长λD(dominant wavelength)、峰值波长λP(peak wavelength)以及半峰带宽(FWHM,full width at half maximum)的波长范围Δλ。初次接触上述指标的读者可能会对峰值波长与主波长之间的差别感到疑惑。峰值波长是指LED 在这个波长上产生的光子数最多,所以被称为峰值。然而,由于人眼对于不同波长的视觉灵敏度是不同的,即便在两个不同波长上产生的光子数相同,我们看上去的亮度也是不同的。因此,LED 的指标参数中就引入了另一个参数——主波长λD,即人眼所感知的LED 色彩。LED 所发出的光不是完全纯色,而是有一个分布。图2.2所示的是一个LED 光谱特性示意图,图中给出了半峰带宽的波长范围Δλ,即连接两个半峰值功率点线段之宽度,该参数反映了LED 的色纯度与亮度。理解了表2.2所列的参数,就能帮助我们确定适合于应用要求的LED。

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图2.2　LED 光谱特性图

前面反复提到,LED 的发光颜色与电流相关。为了给读者一个清晰的概念,表2.3所列的是一种蓝光LED 分别流过20mA 及5mA 正向电流时的特性比较。可以发现,随着正向电流变小,除了发光强度变小外,波长变长,无论是主波长还是峰值波长均如此,都向红光方向偏移了2nm。

表2.3　蓝色LED在不同正向电流时的特性

根据图2.1所示的电阻限流LED 驱动电路,下面给出一个具体的计算实例。假设图中采用了蓝色LED 以及5V 的供电电源,期望的驱动电流为10mA。从表2.2可知,图中蓝光LED 的典型正向导通电压为3.3V,于是可以确定所需要的限流电阻的典型值为

其中,U 为电源电压,UF为正向导通电压,IF为正向导通电流。代入具体数值,可以求得限流电阻的阻值应该取为170Ω。

需要注意的是,上述过程在实际的情形中还要考虑到以下因素。首先,每个LED的正向导通电压都是不同的,表2.2所列的是典型值与最大值：典型值可用于求限流电阻数值,但其确切数值对于不同LED 元件是变化的；最大值则可用来定性确定所设计的LED 驱动是否是可实现的,如上述蓝光LED 若是被用于3.3V 供电的单片机系统中,很大可能LED 无法点亮。其次,在选定具体LED 元件之后,它的正向导通特性虽然确定,但其正向导通电压事实上是正向电流的函数。图2.3给出了一个典型的LED 的正向电压-电流特性曲线,可见不同的驱动电流下正向电压会有差异。最后,所使用的电阻因存在容差,也会引入不确定性。另外,所有的电子器件几乎无一例外地会受环境温度的影响,包括LED 的各种性能参数同样如此。综上所述,使用限流电阻的方式来驱动LED 会引入各种不确定性,实际的驱动电流与期望值可能存在某些差异。对于一些简单应用,这是可以接受的,但若需要提高驱动电流的控制精度或要提升驱动效率等,可以考虑采用其他方法。

图2.3　蓝色LED 与绿色LED 的正向电压-电流曲线