不同应用场合下LED的驱动方式简析

LED是发光二极管( Light Emitting Diode, LED)的简称，也被称作发光二极管，这种半导体组件发展以来一般是作为指示灯、显示板，但目前随着技术增加，已经能作为光源使用，它不但能够高效率地直接将电能转化为光能，而且拥有最长达数万小时～10 万小时的使用寿命，同时具备不若传统灯泡易碎，并能省电，同时拥有环保无汞、体积小、可应用在低温环境、光源具方向性、造成光害少与色域丰富等优点。

1、非照明应用场合下LED驱动方式

早期LED主要应用在仪器仪表、交通信号灯等上面，充当指示灯的作用。在这几种非照明应用场合下，LED工作的最简单方法是把电压源通过一个串联电阻加到LED上。只要工作电压(VB)保持恒定，LED会发射恒定强度的光(虽然光强随环境温度增高会减弱)。可以根据要求改变电阻值来变化光强。

图1示出5mm直径标准LED的正向电压(VF)与正向电流(IF)的关系。注意，跨接在LED上的压降随正向电流增加。假定单个绿光LED在5V恒定工作电压下具有10mA正向电流，则串联电阻器KV=(5V-VF,10mA)/10mA=300W。

图1标准红光、绿光和黄光LED的正向电压(范围1.4V~2.6V)与正向电流的关系

如图2所示，典型工作条件下数据手册给出正向电压是2V。像这种商用二极管是用镓-砷化物-磷化物制造的。大多数的设计工作师了解和容易处理它们，这种LED具有如下特点：

发射的彩光(发射波长)在正向电流、工作电压和环境温度变化时能相对保持恒定。标准绿光LED发射波长为565nm左右，容差只有25nm。因此，几个这样的LED并联工作(图3)不会成问题。其色差是很小的。正向电压的正常变化会导致光强略有变化，但这种差别也是较小的。通常，可以忽略来自同一厂家和同一批号的LED的差别。

在正向电流接近10mA时正向电压随正向电流有小的变化。红光LED变化大约200mV，其他LED变化400mV左右(见图1)。

在正向电流低于10mA时，其正向电压比蓝光或白光LED小很多，这样可直接用Li 电池或一个3节NiMH电池对它们供电。

因此，在早期充当指示灯应用的场合中，标准LED工作的供电成本是相当低的。在LED工作电压大于其最大正向电压时不需要升压变换器或复杂昂贵的电流源。只要应用允许随电池放电所导致光强减弱的容限，LED甚至可直接工作在Li 或3节NiMH电池。

图2串联电阻器和恒压源为LED工作提供一种简单方法

图3并联工作的几个红光、黄光、绿光LED配置

2、照明应用场合下LED驱动方式

照明用LED有着和传统光源以及指示灯用LED不一样的电源驱动要求。先来看看一个各种LED工作的特种曲线。如图4所示，LED在加上电压以后，当电压越过一临界值后，就开始流出电流，发出光，LED开始工作。不同颜色的LED，其临界电压不一样，这就是我们前面所提到的禁带宽度相一致的。比如，红光的波长较长，能量低，其对应的LED临界电压也比较低，蓝光的波长较短，能量高，其临界电压也高。这一电压，就是LED一个极其重要的参数，正向电压：VF，forward voltage。我们还注意到，这些电压都比较低，只有几伏，如红外光的1.1V左右，最高的蓝光也只不到3V，即使到比较大的电流如30-40mA,其电压值也只在3.5V左右。这个电压和我们的日常使用电压是要一定距离的，因此要对电源电压进行变换才能满足LED驱动要求。另外一个重要的现象是：一旦电压超过VF之后，电流就变化比较快，而且不是线性关系，即电流增加和电压增加不成比例。

图4 不同颜色LED的工作曲线

我们在来看另外一个图。图5显示的是同一批生产出来LED，由图可以看出，即使在同一批次生产出来的LED，其正向电压也会偏差200-300mV.虽然，200-300mV的电压偏差只相当于10%的电压变动，但却会使流经LED的电流相差一倍以上。而我们知道，LED发光强度是由其PN结两边电子和空穴的复合数量，即流过PN结的电流决定的。这就意味着，即使在相同的电压条件下，同一批次的LED，其表现的亮度会差上一倍，这会严重影响我们的视觉。因此说LED是电流驱动器件，要想保证LED一定的亮度，最直接最简便的方法就是给同一路中的LED提供一定的电流，而不是保证控制加在不同LED两端的电压一致。

图5同一批次LED的正向电压和电流的关系曲线

(实线和虚线分别来自不同的厂)

另外，照明用LED如果不采用恒流电流驱动，不仅照明度将不稳定，还会影响其波长，缩短其寿命。图6显示了蓝光LED的正向电流和发射波长间的关系。从图中可以看出，随着电流的增大，LED发光的中心波长将会向短波长方向移动。当电流从0增大到500mA时，其波长偏移将近10nM,这会带来明显的色彩飘移。更为严重的是，如果LED在超过最大额定值长期运行时，有可能被损坏。图四是Philips公司的实验结果，显示了LED早衰，具体表现为亮度下降，平均期望寿命降低.如图所示，在同样的结温下，电流越大，其期望寿命越短:在140度的结温下，1.5A时(B50,L70)为17000小时，1A时为36000小时，700mA和350mA时，都会超过60000h.

图6 LED波长和电流的关系

图四 LED寿命，驱动电流，结温和平均寿命(B50, L70)

因此，作为电流型器件的LED，当其应用于照明场合时，恒流驱动是非常重要的，不仅能保证一定的亮度，还能延长其使用时间。

【厦门大学物理与机电学院周珍富、厦门大学物理与机电学院王亚军副教授、陈艳玲 、贾迎春、郭捷、倪斌等人对本文均有贡献】