LED是發(fā)光二極管( Light Emitting Diode, LED)的簡(jiǎn)稱，也被稱作發(fā)光二極管，這種半導(dǎo)體組件發(fā)展以來(lái)一般是作為指示燈、顯示板，但目前隨著技術(shù)增加，已經(jīng)能作為光源使用，它不但能夠高效率地直接將電能轉(zhuǎn)化為光能，而且擁有最長(zhǎng)達(dá)數(shù)萬(wàn)小時(shí)～10 萬(wàn)小時(shí)的使用壽命，同時(shí)具備不若傳統(tǒng)燈泡易碎，并能省電，同時(shí)擁有環(huán)保無(wú)汞、體積小、可應(yīng)用在低溫環(huán)境、光源具方向性、造成光害少與色域豐富等優(yōu)點(diǎn)。

1、非照明應(yīng)用場(chǎng)合下LED驅(qū)動(dòng)方式

早期LED主要應(yīng)用在儀器儀表、交通信號(hào)燈等上面，充當(dāng)指示燈的作用。在這幾種非照明應(yīng)用場(chǎng)合下，LED工作的最簡(jiǎn)單方法是把電壓源通過(guò)一個(gè)串聯(lián)電阻加到LED上。只要工作電壓(VB)保持恒定，LED會(huì)發(fā)射恒定強(qiáng)度的光(雖然光強(qiáng)隨環(huán)境溫度增高會(huì)減弱)。可以根據(jù)要求改變電阻值來(lái)變化光強(qiáng)。

圖1示出5mm直徑標(biāo)準(zhǔn)LED的正向電壓(VF)與正向電流(IF)的關(guān)系。注意，跨接在LED上的壓降隨正向電流增加。假定單個(gè)綠光LED在5V恒定工作電壓下具有10mA正向電流，則串聯(lián)電阻器KV=(5V-VF,10mA)/10mA=300W。

       圖1標(biāo)準(zhǔn)紅光、綠光和黃光LED的正向電壓(范圍1.4V~2.6V)與正向電流的關(guān)系

如圖2所示，典型工作條件下數(shù)據(jù)手冊(cè)給出正向電壓是2V。像這種商用二極管是用鎵-砷化物-磷化物制造的。大多數(shù)的設(shè)計(jì)工作師了解和容易處理它們，這種LED具有如下特點(diǎn)：

發(fā)射的彩光(發(fā)射波長(zhǎng))在正向電流、工作電壓和環(huán)境溫度變化時(shí)能相對(duì)保持恒定。標(biāo)準(zhǔn)綠光LED發(fā)射波長(zhǎng)為565nm左右，容差只有25nm。因此，幾個(gè)這樣的LED并聯(lián)工作(圖3)不會(huì)成問(wèn)題。其色差是很小的。正向電壓的正常變化會(huì)導(dǎo)致光強(qiáng)略有變化，但這種差別也是較小的。通常，可以忽略來(lái)自同一廠家和同一批號(hào)的LED的差別。

在正向電流接近10mA時(shí)正向電壓隨正向電流有小的變化。紅光LED變化大約200mV，其他LED變化400mV左右(見圖1)。

在正向電流低于10mA時(shí)，其正向電壓比藍(lán)光或白光LED小很多，這樣可直接用Li+電池或一個(gè)3節(jié)NiMH電池對(duì)它們供電。

因此，在早期充當(dāng)指示燈應(yīng)用的場(chǎng)合中，標(biāo)準(zhǔn)LED工作的供電成本是相當(dāng)?shù)偷摹Ｔ贚ED工作電壓大于其最大正向電壓時(shí)不需要升壓變換器或復(fù)雜昂貴的電流源。只要應(yīng)用允許隨電池放電所導(dǎo)致光強(qiáng)減弱的容限，LED甚至可直接工作在Li+或3節(jié)NiMH電池。

       圖2串聯(lián)電阻器和恒壓源為L(zhǎng)ED工作提供一種簡(jiǎn)單方法

       圖3并聯(lián)工作的幾個(gè)紅光、黃光、綠光LED配置

2、照明應(yīng)用場(chǎng)合下LED驅(qū)動(dòng)方式

照明用LED有著和傳統(tǒng)光源以及指示燈用LED不一樣的電源驅(qū)動(dòng)要求。先來(lái)看看一個(gè)各種LED工作的特種曲線。如圖4所示，LED在加上電壓以后，當(dāng)電壓越過(guò)一臨界值后，就開始流出電流，發(fā)出光，LED開始工作。不同顏色的LED，其臨界電壓不一樣，這就是我們前面所提到的禁帶寬度相一致的。比如，紅光的波長(zhǎng)較長(zhǎng)，能量低，其對(duì)應(yīng)的LED臨界電壓也比較低，藍(lán)光的波長(zhǎng)較短，能量高，其臨界電壓也高。這一電壓，就是LED一個(gè)極其重要的參數(shù)，正向電壓：VF，forward voltage。我們還注意到，這些電壓都比較低，只有幾伏，如紅外光的1.1V左右，最高的藍(lán)光也只不到3V，即使到比較大的電流如30-40mA,其電壓值也只在3.5V左右。這個(gè)電壓和我們的日常使用電壓是要一定距離的，因此要對(duì)電源電壓進(jìn)行變換才能滿足LED驅(qū)動(dòng)要求。另外一個(gè)重要的現(xiàn)象是：一旦電壓超過(guò)VF之后，電流就變化比較快，而且不是線性關(guān)系，即電流增加和電壓增加不成比例。

       圖4 不同顏色LED的工作曲線

我們?cè)趤?lái)看另外一個(gè)圖。圖5顯示的是同一批生產(chǎn)出來(lái)LED，由圖可以看出，即使在同一批次生產(chǎn)出來(lái)的LED，其正向電壓也會(huì)偏差200-300mV.雖然，200-300mV的電壓偏差只相當(dāng)于10%的電壓變動(dòng)，但卻會(huì)使流經(jīng)LED的電流相差一倍以上。而我們知道，LED發(fā)光強(qiáng)度是由其PN結(jié)兩邊電子和空穴的復(fù)合數(shù)量，即流過(guò)PN結(jié)的電流決定的。這就意味著，即使在相同的電壓條件下，同一批次的LED，其表現(xiàn)的亮度會(huì)差上一倍，這會(huì)嚴(yán)重影響我們的視覺。因此說(shuō)LED是電流驅(qū)動(dòng)器件，要想保證LED一定的亮度，最直接最簡(jiǎn)便的方法就是給同一路中的LED提供一定的電流，而不是保證控制加在不同LED兩端的電壓一致。

       圖5同一批次LED的正向電壓和電流的關(guān)系曲線

(實(shí)線和虛線分別來(lái)自不同的廠)

另外，照明用LED如果不采用恒流電流驅(qū)動(dòng)，不僅照明度將不穩(wěn)定，還會(huì)影響其波長(zhǎng)，縮短其壽命。圖6顯示了藍(lán)光LED的正向電流和發(fā)射波長(zhǎng)間的關(guān)系。從圖中可以看出，隨著電流的增大，LED發(fā)光的中心波長(zhǎng)將會(huì)向短波長(zhǎng)方向移動(dòng)。當(dāng)電流從0增大到500mA時(shí)，其波長(zhǎng)偏移將近10nM,這會(huì)帶來(lái)明顯的色彩飄移。更為嚴(yán)重的是，如果LED在超過(guò)最大額定值長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，有可能被損壞。圖四是Philips公司的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，顯示了LED早衰，具體表現(xiàn)為亮度下降，平均期望壽命降低.如圖所示，在同樣的結(jié)溫下，電流越大，其期望壽命越短:在140度的結(jié)溫下，1.5A時(shí)(B50,L70)為17000小時(shí)，1A時(shí)為36000小時(shí)，700mA和350mA時(shí)，都會(huì)超過(guò)60000h.

       圖6 LED波長(zhǎng)和電流的關(guān)系

       圖四 LED壽命，驅(qū)動(dòng)電流，結(jié)溫和平均壽命(B50, L70)

因此，作為電流型器件的LED，當(dāng)其應(yīng)用于照明場(chǎng)合時(shí)，恒流驅(qū)動(dòng)是非常重要的，不僅能保證一定的亮度，還能延長(zhǎng)其使用時(shí)間。

【廈門大學(xué)物理與機(jī)電學(xué)院周珍富、廈門大學(xué)物理與機(jī)電學(xué)院王亞軍副教授、陳艷玲 、賈迎春、郭捷、倪斌等人對(duì)本文均有貢獻(xiàn)】