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LED特性和白光LED的基础知识与驱动

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LED特性和白光LED


LED特性和白光LED的基础知识与驱动

许多年来,发光二极管(LED)广泛的运用于状况显现与点阵显现板。现在,不只能够挑选近期刚刚研宣布来的蓝光和白光产品(遍及用于便携设备),而且也能在已有的绿光、红光和黄光产品中挑选。例如,白光LED被认为是彩色显现器的抱负背光源。可是,有必要留意这些新式LED 产品的固有特性,需求为其规划恰当的供电电源。本文描绘了新、旧类型LED的特性,以及对驱动电源的功用要求。


规范红光、绿光和黄光LED


使LED作业的最简略的办法是,用一个电压源经过串接一个电阻与LED 相连。只需作业电压(VB)坚持稳定,LED 就能够宣布稳定强度的光(虽然跟着环境温度的升高光强会减小)。经过改动串联电阻的阻值能够将光强调理至所需求的强度。


关于5mm直径的规范LED,图1给出了其正导游通电压(VF)与正向电流(IF)的函数曲线。[1] 留意LED的正向压降跟着正向电流的增大而添加。假定作业于10mA正向电流的绿光LED应该有5V 的稳定作业电压,那么串接电阻RV 等于(5V -VF,10mA)/10mA = 300 。如数据表中所给出的典型作业条件下的曲线图(图2)所示,其正导游通电压为2V。



图1、规范红光、绿光和黄光LED 具有1.4V 至2.6V 的正导游通电压规模。当正向电流低于10mA时,正导游通电压只是改动几百毫伏。



图2、串联电阻和稳压源供给了简略的LED 驱动办法。



这类商用二极管选用GaAsP (磷砷化镓)制成。易于操控,而且被绝大多数工程师所熟知,它们具有如下长处:


所发生的颜色(发射波长)在正向电流、作业电压以及环境温度改动时坚持适当的稳定性。规范绿光LED 发射大约565nm 的波长,容差仅有25nm。因为颜色差异十分小,在一起并联驱动几个这样的LED 时不会出现问题(如图3 所示)。正导游通电压的正常改动会使光强发生弱小的差异,但这是非有必要的。一般能够疏忽同一厂商、同一批次的LED 之间的差异。 •正向电流高至大约10mA时,正向电压改动很小。红光LED 的改动量大约为200mV, 其它颜色大约为400mV (如图1 所示)。 •相比之下,关于低于10mA 的正向电流,蓝光和白光LED 的正向电压改动更小。能够直接运用廉价的锂电池或三节NiMH 电池驱动。



图3. 该图给出了一起并联驱动几个红光、黄光或许绿光LED 的结构,具有很小的颜色差异或亮度差异。


因而,驱动规范LED的电流耗费十分低。假如LED的驱动电压高于其最大的正向电压,则并不需求升压转化器或许杂乱贵重的电流源。


LED乃至能够直接由锂电池或许3节NiMH电池来驱动,只需因电池放电而导致的亮度削弱能够满意该运用的要求即可。


蓝光LED


在很长的一段时刻内都无法供给发射蓝光的LED。规划工程师仅能选用已有的颜色:赤色、绿色和黄色。前期的“蓝光”器材并不是真实的蓝光LED,而是围住有蓝色散射资料的白炽灯。


几年前,运用纯洁的碳化硅(SIC)资料研宣布了第一个“真实的蓝光”LED,可是它们的发光功率十分低。下一代器材运用了氮化镓基料,其发光功率能够到达开始产品的数倍。当时制作蓝光LED的晶体外延资料是氮化铟镓(InGaN)。发射波长的规模为450nm至470nm,氮化铟镓LED能够发生五倍于氮化镓LED的光强。


白光LED


真实发射白光的LED是不存在的。这样的器材十分难以制作,因为LED的特点是只发射一个波长。白色并不出现在颜色的光谱上;一种代替的办法是,运用不同波长组成白色光。


白光LED规划中选用了一个小窍门。在发射蓝光的InGaN基料上掩盖转化资料,这种资料在遭到蓝光鼓励时会宣布黄光。所以得到了蓝光和黄光的混合物,在肉眼看来便是白色的(如图4所示)。


 



图4. 白光LED 的发射波长(实线)包含蓝光和黄光区域的峰值,可是在肉眼看来便是白色。肉眼的相对光敏感性(虚线)如图所示。


白光LED的颜色由颜色坐标界说。X和Y坐标的数值依据世界照明委员会(CIE)的15.2规范的要求核算得到。白光LED 的数据资料一般会具体阐明跟着正向电流添加而引起的颜色坐标的改动(如图5所示)。



图5. 正向电流的改动改动了白光LED (OSRAM Opto SemIConductors 的LE Q983)的颜色坐标,并因而改动了白光质量。


不幸的是,选用InGaN 技能的LED 并不像规范绿光、红光和黄光那样简略操控。InGaN LED的显现波长(颜色)会跟着正向电流而改动(如图6所示)。例如,白光LED所出现的颜色改动发生于转化资料的不同浓度,以及蓝光发光InGaN 资料跟着正向电压的改动而发生波长改动。从图5能够看到颜色的改动,X和Y坐标的移动意味着颜色的改动(如前所述,白光LED没有清晰的波长。)



图6. 添加的正向电流经过改动其发射波长而改动了蓝光LED 的颜色。


当正向电流高至10mA 时,正向电压的改动很大。改动量的规模大约为800mV (有些二极管类型改动会更大一些)。电池放电引起的作业电压的改动因而会改动颜色,因为作业电压的改动改动了正向电流。在10mA正向电流时,正向电压大约为3.4V (该数值会随供货商的不同而有所不同,规模从3.1V至4.0V)。相同,不同LED之间的电流-电压特性也有较大差异。直接用电池驱动LED是很困难的,因为绝大数电池会跟着放电使电压低于LED所需求的最小正导游通电压。


驱动并联白光LED


许多便携式或选用电池供电的设备运用白光LED 作为背光。特别是PDA 彩色显现器需求白色布景光,以康复所期望的颜色,康复颜色要与原物很挨近。未来的3G 手机支撑图片和视频数据,这也需求白色背光。数码照相机、MP3 播放器和其它视频、音频设备也包含需求白色背光的显现器。在绝大多数运用中,单个白光LED是不行的,需求一起驱动几个LED。有必要选用特定的操作,以保证它们的强度和颜色一起,即使是在电池放电或其它条件改动时。



图7给出了一组随机挑选的白光LED的电流-电压曲线。


在这些LED上加载3.3V电压(上端虚线)会发生2mA 至5mA 规模的正向电流,导致不同亮度的白光。该区域中(如图5 所示)Y坐标改动很剧烈,会导致显现颜色的不真实。相同,LED也具有不同的光强,这会发生不均匀的亮度。别的一个问题是所需的最小供电电压,LED要求高于3V的电压驱动,若低于该电压,几个LED或许会彻底变暗。



图7. 曲线显现了不同白光LED 的电流-电压特性之间的适当大的差异,乃至是从同一产品批次中随机挑选的LED。因而,用稳定的3.3V驱动这样几个并联的LED会导致不同亮度的白光(上虚线)。


锂电池在彻底充满电时能够供给4.2V的输出电压,在很短的一段作业时刻内会下降到标称的3.5V。因为电池放电,其输出电压会进一步下降到3.0V。假如白光LED直接由电池驱动,如图3所示,则会发生如下问题:


首要,当电池充满电时,一切的二极管都被点亮,但会具有不同的光强和颜色。当电池电压下降至其标称电压时,光强削弱,而且白光间的差异变得更大。因而,规划人员有必要考虑电池电压和二极管正向电压的数值,而需求核算串联电阻的阻值。(跟着电池彻底放电,部分LED将会彻底平息。)带有电流操控的电荷泵


LED 供电电源的方针是供给一个满足高的输出电压,而且在并联衔接的LED 上加载相同的电流。留意(如图5 所示),假如并联装备的一切LED 具有一起的电流,那么一切的LED 将会具有相同的颜色坐标。Maxim 供给带有电流操控的电荷泵,以完成这一方针(MAX1912)。图8所示的三个并联的LED,电荷泵具有较大量程,能够进步输入电压至1.5倍。前期的电荷泵只能简略的使输入电压倍压,而新的技能则供给了更好的功率。将输入电压升高至刚好能够驱动LED 作业的电平。衔接至SET(10 引脚)的电阻网络保证一切LED 的电流一起。内部电路坚持SET 电平在200mV,这样就能够核算出流经每个LED 的电流ILED = 200mV/10 = 20mA。假如某些二极管需求较低的电流,能够一起并联驱动3个以上的LED,MAX1912的输出电流可达60mA。 



图8. IC内部包含电荷泵和电流操控,电荷泵为白光LED供给满足的驱动电压,而电流操控经过给每个LED加载相同的电流来保证均匀的白光。


简略电流操控


假如体系供给高于二极管正导游通电压的电平,白光LED 能够很简略的被驱动。例如,数码照相机一般包含一个+5V 供电电源。假如那样的话,就不需求升压功用,因为供电电压足以驱动LED。关于图8 所示电路,应该挑选一个匹配的电流源。比方,MAX1916 能够一起驱动3 个并联的LED (如图9 所示)。



图9. 单个外部电阻(RSET)设定流经每个LED 的电流数值。在IC 的使能引脚(EN)上加载脉宽调制信号能够完成简略的亮度操控(调光功用)。


作业简略:电阻RSET设定加载至所连LED的电流。这种办法占用很少的PCB空间。除IC (细巧的6引脚SOT23封装)和几个旁路电容之外,仅需求一个外部电阻。IC具有极好的电流匹配,不同LED之间不同0.3%。这种结构供给了相同的颜色区域,因而每个LED具有一起的白光亮度。


调光改动光强


某些便携式设备依据环境光线条件来调理其光输出亮度,有些设备在一段较短的闲暇时刻之后经过软件下降其光强。这都要求LED 具有可调光强,而且这样的调理应该以相同的办法去影响每路正向电流,以防止或许的颜色坐标偏移。运用小型数模转化器操控流经RSET 电阻的电流能够得到均匀的亮度。


6位分辩率的转化器,比方带有I2C接口的MAX5362或许带有SPI接口的MAX5365,能够供给32级亮度调理(如图10所示)。因为正向电流会影响颜色坐标,因而LED白光会跟着光强的改动而改动。可是这并不是问题,因为相同的正向电流会使得这个组里的每个二极管都宣布相同的光。



图10. 数模转化器经过一起改动LED 的正向电流来操控LED 的调光。


使颜色坐标不发生移动的调光计划叫做脉宽调制。它能够由绝大多数能够供给使能或许关断操控的电源器材完成。例如,经过拉低EN电平制止器材作业时,MAX1916能够将流经LED的走漏电流限定在1μA,使发射光为零。拉高EN电平能够办理可控的LED正向电流。假如给EN引脚加脉宽调制信号,那么亮度就与该信号的占空比成正比。


因为流经每个LED的正向电流继续坚持一起,因而颜色坐标不会偏移。可是,肉眼会感觉到占空比改动带来的光强改动。人眼无法分辩超越25Hz的频率,因而200-300Hz的开关频率是PWM调光的很好挑选。更高的频率会发生问题,用来切换LED开关的时刻短时刻距离内颜色


坐标会发生改动。PWM信号能够由微处理器的I/O引脚或其外设供给。可供给的两度等级取决于所用的计数寄存器的字节长度。


开关形式升压转化器,具有电流操控


除了前面所说到的电荷泵(MAX1912)之外,还能够完成带有电流操控的升压转化器。比方,开关形式电压转化器MAX1848,能够发生最高至13V 的输出电压,足以驱动三个串联的LED (如图11 所示)。这种办法也许是最简练的,因为一切串接的LED 具有彻底相同的电流。LED 电流由RSENSE 与加载在CTRL 输入上的电压一起决议。



图11. 开关形式升压转化器能够驱动几个串联的LED。这些LED 都具有相同的正向电流,该电流(比方)由数模转化器经过CTRL输入来操控。


MAX1848 能够依据前面所描绘的任一办法来完成调光功用。经过LED 的正向电流与加载在CTRL 引脚的电压成正比。因为当加载在CTRL 上的电压低于100mV 时MAX1848 会进入关断形式,这样也能够完成PWM 调光功用。


概述


假如能够经过使LED 正向电流持平而保证白光发射的均匀性,则能够并联驱动白光LED 。为驱动LED,应该挑选可控的电流源或许带有电流操控的步进转化器。选用电荷泵或许开关升压转化器能够完成这样的与几个规范产品的结合。

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