標準和白光LED的基礎知識與驅動(一)

使LED工作的最簡單的方式是，用一個電壓源通過串接一個電阻與LED相連。

只要工作電壓(VB)保持恆定，LED就可以發出恆定強度的光(儘管隨著環境溫度的升高光強會減小)。

通過改變串聯電阻的阻值能夠將光強調節至所需要的強度。

對於5mm直徑的標準LED，圖1給出了其正嚮導通電壓(VF)與正向電流(IF)的函數曲線。

注意LED的正向壓降隨著正向電流的增大而增加。

假定工作於10mA正向電流的綠光LED應該有5V的恆定工作電壓，那麼串接電阻RV等於(5V-VF,10mA)/10mA=300。如數據表中所給出的典型工作條件下的曲線圖(圖2)所示，其正嚮導通電壓為2V。

圖1：標準紅光、綠光和黃光LED具有1.4V至2.6V的正嚮導通電壓範圍，當正向電流低於10mA時，正嚮導通電壓僅僅改變幾百毫伏。

這類商用二極體採用GaAsP(磷砷化鎵)製成。易於控制，並且被絕大多數工程師所熟知，它們具有如下優點：所產生的色彩(發射波長)在正向電流、工作電壓以及環境溫度變化時保持相當的穩定性。

標準綠光LED發射大約565nm的波長，容差僅有25nm。由於色彩差異非常小，在同時並聯驅動幾個這樣的LED時不會出現問題(如圖3所示)。正嚮導通電壓的正常變化會使光強產生微弱的差異，但這是次要的。

圖2：串聯電阻和穩壓源提供了簡單的LED驅動方式。

通常可以忽略同一廠商、同一批次的LED之間的差異。

正向電流高至大約10mA時，正向電壓變化很小。紅光LED的變化量大約為200mV，其它色彩大約為400mV(如圖1所示)。

相比之下，對於低於10mA的正向電流，藍光和白光LED的正向電壓變化更小。可以直接使用便宜的鋰電池或三節NiMH電池驅動。

因此，驅動標準LED的電流消耗非常低。如果LED的驅動電壓高於其最大的正向電壓，則並不需要升壓轉換器或者複雜昂貴的電流源。

圖3：該圖給出了同時並聯驅動幾個紅光、黃光或者綠光LED的結構，具有很小的色彩差異或亮度差異。

LED甚至可以直接由鋰電池或者3節NiMH電池來驅動，只要因電池放電而導致的亮度減弱可以滿足該應用的要求即可。

藍光LED

在很長的一段時間內都無法提供發射藍光的LED。設計工程師僅能採用已有的色彩：紅色、綠色和黃色。早期的“藍光”器件並不是真正的藍光LED，而是包圍有藍色散射材料的白熾燈。

幾年前，使用純凈的碳化硅(SiC)材料研製出了第一個“真正的藍光”LED，但是它們的發光效率非常低。下一代器件使用了氮化鎵基料，其發光效率可以達到最初產品的數倍。當前製造藍光LED的晶體外延材料是氮化銦鎵(InGaN)。發射波長的範圍為450nm至470nm，氮化銦鎵LED可以產生五倍於氮化鎵LED的光強。

白光LED

真正發射白光的LED是不存在的。這樣的器件非常難以製造，因為LED的特點是只發射一個波長。白色並不出現在色彩的光譜上；一種替代的方法是，利用不同波長合成白色光。

白光LED設計中採用了一個小竅門。在發射藍光的InGaN基料上覆蓋轉換材料，這種材料在受到藍光激勵時會發出黃光。於是得到了藍光和黃光的混合物，在肉眼看來就是白色的(如圖4所示)。

圖4：白光LED的發射波長(實線)包括藍光和黃光區域的峰值，但是在肉眼看來就是白色，肉眼的相對光敏感性(虛線)如圖所示。

白光LED的色彩由色彩坐標定義。X和Y坐標的數值根據國際照明委員會(CIE)的15.2規範的要求計算得到。白光LED的數據資料通常會詳細說明隨著正向電流增加而引起的色彩坐標的變化(如圖5所示)。

圖5：正向電流的變化改變了白光LED(OSRAMOptoSemiconductors的LEQ983)的色彩坐標，並因此改變了白光質量。

不幸的是，採用InGaN技術的LED並不像標準綠光、紅光和黃光那樣容易控制。InGaNLED的顯示波長(色彩)會隨著正向電流而改變(如圖6所示)。例如，白光LED所呈現的色彩變化產生於轉換材料的不同濃度，以及藍光發光InGaN材料隨著正向電壓的變化而產生波長變化。從圖5可以看到色彩的變化，X和Y坐標的移動意味著色彩的改變(如前所述，白光LED沒有明確的波長。)

圖6：增加的正向電流通過改變其發射波長而改變了藍光LED的色彩。

當正向電流高至10mA時，正向電壓的變化很大。變化量的範圍大約為800mV(有些二極體型號變化會更大一些)。電池放電引起的工作電壓的變化因此會改變色彩，因為工作電壓的變化改變了正向電流。