白光LED的基礎(chǔ)知識與驅(qū)動（一）

通過改變串聯(lián)電阻的阻值能夠?qū)⒐鈴娬{(diào)節(jié)至所需要的強度。

對于5mm直徑的標準LED，圖1給出了其正向?qū)妷?VF)與正向電流(IF)的函數(shù)曲線。

注意LED的正向壓降隨著正向電流的增大而增加。

假定工作于10mA正向電流的綠光LED應(yīng)該有5V的恒定工作電壓，那么串接電阻RV等于(5V-VF,10mA)/10mA=300。如數(shù)據(jù)表中所給出的典型工作條件下的曲線圖(圖2)所示，其正向?qū)妷簽?V。

圖1：標準紅光、綠光和黃光LED具有1.4V至2.6V的正向?qū)妷悍秶斦螂娏鞯陀?0mA時，正向?qū)妷簝H僅改變幾百毫伏。

這類商用二極管采用GaAsP(磷砷化鎵)制成。易于控制，并且被絕大多數(shù)工程師所熟知，它們具有如下優(yōu)點：所產(chǎn)生的色彩(發(fā)射波長)在正向電流、工作電壓以及環(huán)境溫度變化時保持相當?shù)姆€(wěn)定性。

標準綠光LED發(fā)射大約565nm的波長，容差僅有25nm。由于色彩差異非常小，在同時并聯(lián)驅(qū)動幾個這樣的LED時不會出現(xiàn)問題(如圖3所示)。正向?qū)妷旱恼Ｗ兓瘯构鈴姰a(chǎn)生微弱的差異，但這是次要的。

圖2：串聯(lián)電阻和穩(wěn)壓源提供了簡單的LED驅(qū)動方式。

通?？梢院雎酝粡S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，對于低于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(jié)NiMH電池驅(qū)動。

因此，驅(qū)動標準LED的電流消耗非常低。如果LED的驅(qū)動電壓高于其最大的正向電壓，則并不需要升壓轉(zhuǎn)換器或者復雜昂貴的電流源。

圖3：該圖給出了同時并聯(lián)驅(qū)動幾個紅光、黃光或者綠光LED的結(jié)構(gòu)，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(jié)NiMH電池來驅(qū)動，只要因電池放電而導致的亮度減弱可以滿足該應(yīng)用的要求即可。

藍光LED

在很長的一段時間內(nèi)都無法提供發(fā)射藍光的LED。設(shè)計工程師僅能采用已有的色彩：紅色、綠色和黃色。早期的“藍光”器件并不是真正的藍光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)材料研制出了第一個“真正的藍光”LED，但是它們的發(fā)光效率非常低。下一代器件使用了氮化鎵基料，其發(fā)光效率可以達到最初產(chǎn)品的數(shù)倍。當前制造藍光LED的晶體外延材料是氮化銦鎵(InGaN)。發(fā)射波長的范圍為450nm至470nm，氮化銦鎵LED可以產(chǎn)生五倍于氮化鎵LED的光強。

白光LED

真正發(fā)射白光的LED是不存在的。這樣的器件非常難以制造，因為LED的特點是只發(fā)射一個波長。白色并不出現(xiàn)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(shè)計中采用了一個小竅門。在發(fā)射藍光的InGaN基料上覆蓋轉(zhuǎn)換材料，這種材料在受到藍光激勵時會發(fā)出黃光。于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(fā)射波長(實線)包括藍光和黃光區(qū)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(shù)值根據(jù)國際照明委員會(CIE)的15.2規(guī)范的要求計算得到。白光LED的數(shù)據(jù)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，并因此改變了白光質(zhì)量。

不幸的是，采用InGaN技術(shù)的LED并不像標準綠光、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(xiàn)的色彩變化產(chǎn)生于轉(zhuǎn)換材料的不同濃度，以及藍光發(fā)光InGaN材料隨著正向電壓的變化而產(chǎn)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(fā)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。變化量的范圍大約為800mV(有些二極管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。

在10mA正向電流時，正向電壓大約為3.4V(該數(shù)值會隨供應(yīng)商的不同而有所不同，范圍從3.1V至4.0V)。同樣，不同LED之間的電流-電壓特性也有較大差異。直接用電池驅(qū)動LED是很困難的，因為絕大數(shù)電池會隨著放電使電壓低于LED所需要的最小正向?qū)妷骸?