白光发光二极管LED的基础知识与驱动

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白光发光二极管LED的基础知识与驱动

  很多年来,发光二极管(LED)广泛的应用于状态显示与点阵显示板。现在,不仅可以选择近期刚刚研发出来的蓝光和白光产品(普遍用于便携设备),而且也能在已有的绿光、红光和黄光产品中选择。例如,白光LED被认为是彩色显示器的理想背光源。但是,必须注意这些新型LED产品的固有特性,需要为其设计适当的供电电源。本文描述了新、旧类型LED的特性,以及对驱动电源的性能要求。


标准红光、绿光和黄光LED
  使LED工作的最简单的方式是,用一个电压源通过串接一个电阻与LED相连。只要工作电压(VB)保持恒定,LED就可以发出恒定强度的光(尽管随着环境温度的升高光强会减小)。通过改变串联电阻的阻值能够将光强调节至所需要的强度。
  对于5mm直径的标准LED,图1给出了其正向导通电压(VF)与正向电流(IF)的函数曲线。 注意LED的正向压降随着正向电流的增大而增加。假定工作于10mA正向电流的绿光LED应该有5V的恒定工作电压,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工作条件下的曲线图(图2)所示,其正向导通电压为2V。 

标准和白光发光二极管LED的基础知识与驱动


  图1. 标准红光、绿光和黄光LED具有1.4V至2.6V的正向导通电压范围。当正向电流低于10mA时,正向导通电压仅仅改变几百毫伏。

标准和白光发光二极管LED的基础知识与驱动


  图2. 串联电阻和稳压源提供了简单的LED驱动方式。
  这类商用二极管采用GaAsP (磷砷化镓)制成。易于控制,并且被绝大多数工程师所熟知,它们具有如下优点:
  所产生的色彩(发射波长)在正向电流、工作电压以及环境温度变化时保持相当的稳定性。标准绿光LED发射大约565nm的波长,容差仅有25nm。由于色彩差异非常小,在同时并联驱动几个这样的LED时不会出现问题(如图3所示)。正向导通电压的正常变化会使光强产生微弱的差异,但这是次要的。通常可以忽略同一厂商、同一批次的LED之间的差异。
  正向电流高至大约10mA时,正向电压变化很小。红光LED的变化量大约为200mV,其它色彩大约为400mV (如图1所示)。
  相比之下,对于低于10mA的正向电流,蓝光和白光LED的正向电压变化更小。可以直接使用便宜的锂电池或三节NiMH电池驱动。

标准和白光发光二极管LED的基础知识与驱动


  图3. 该图给出了同时并联驱动几个红光、黄光或者绿光LED的结构,具有很小的色彩差异或亮度差异。
因此,驱动标准LED的电流消耗非常低。如果LED的驱动电压高于其最大的正向电压,则并不需要升压转换器或者复杂昂贵的电流源。
  LED甚至可以直接由锂电池或者3节NiMH电池来驱动,只要因电池放电而导致的亮度减弱可以满足该应用的要求即可。
蓝光LED
  在很长的一段时间内都无法提供发射蓝光的LED。设计工程师仅能采用已有的色彩:红色、绿色和黄色。早期的“蓝光”器件并不是真正的蓝光LED,而是包围有蓝色散射材料的白炽灯。
  几年前,使用纯净的碳化硅(SIC)材料研制出了第一个“真正的蓝光”LED,但是它们的发光效率非常低。下一代器件使用了氮化镓基料,其发光效率可以达到最初产品的数倍。当前制造蓝光LED的晶体外延材料是氮化铟镓(InGaN)。发射波长的范围为450nm至470nm,氮化铟镓LED可以产生五倍于氮化镓LED的光强。
白光LED
  
真正发射白光的LED是不存在的。这样的器件非常难以制造,因为LED的特点是只发射一个波长。白色并不出现在色彩的光谱上;一种替代的方法是,利用不同波长合成白色光。
  白光LED设计中采用了一个小窍门。在发射蓝光的InGaN基料上覆盖转换材料,这种材料在受到蓝光激励时会发出黄光。于是得到了蓝光和黄光的混合物,在肉眼看来就是白色的(如图4所示)。

标准和白光发光二极管LED的基础知识与驱动


  图4. 白光LED的发射波长(实线)包括蓝光和黄光区域的峰值,但是在肉眼看来就是白色。肉眼的相对光敏感性(虚线)如图所示。
  白光LED的色彩由色彩坐标定义。X和Y坐标的数值根据国际照明委员会(CIE)的15.2规范的要求计算得到。 白光LED的数据资料通常会详细说明随着正向电流增加而引起的色彩坐标的变化(如图5所示)。 

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  图5. 正向电流的变化改变了白光LED (OSRAM Opto SEMIconductors的LE Q983)的色彩坐标,并因此改变了白光质量。
  不幸的是,采用InGaN技术的LED并不像标准绿光、红光和黄光那样容易控制。InGaN LED的显示波长(色彩)会随着正向电流而改变(如图6所示)。例如,白光LED所呈现的色彩变化产生于转换材料的不同浓度,以及蓝光发光InGaN材料随着正向电压的变化而产生波长变化。从图5可以看到色彩的变化,X和Y坐标的移动意味着色彩的改变(如前所述,白光LED没有明确的波长。) 

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  图6. 增加的正向电流通过改变其发射波长而改变了蓝光LED的色彩。
  当正向电流高至10mA时,正向电压的变化很大。变化量的范围大约为800mV (有些二极管型号变化会更大一些)。电池放电引起的工作电压的变化因此会改变色彩,因为工作电压的变化改变了正向电流。在10mA正向电流时,正向电压大约为3.4V (该数值会随供应商的不同而有所不同,范围从3.1V至4.0V)。同样,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,因为绝大数电池会随着放电使电压低于LED所需要的最小正向导通电压。

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