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?qiáng)調(diào)節(jié)至所需要的強(qiáng)度。

對于5mm直徑的標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)紅光、綠光和黃光LED具有1.4V至2.6V的正向?qū)妷悍秶?，?dāng)正向電流低于10mA時(shí)，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(diǎn)：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(shí)保持相當(dāng)?shù)姆€(wěn)定性。

標(biāo)準(zhǔn)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(shí)并聯(lián)驅(qū)動幾個(gè)這樣的LED時(shí)不會出現(xiàn)問題(如圖3所示)。正向?qū)妷旱恼Ｗ兓瘯构鈴?qiáng)產(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(shí)，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(lán)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(biāo)準(zhǔn)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(fù)雜昂貴的電流源。

圖3：該圖給出了同時(shí)并聯(lián)驅(qū)動幾個(gè)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(dǎo)致的亮度減弱可以滿足該應(yīng)用的要求即可。

藍(lán)光LED

在很長的一段時(shí)間內(nèi)都無法提供發(fā)射藍(lán)光的LED。設(shè)計(jì)工程師僅能采用已有的色彩：紅色、綠色和黃色。早期的“藍(lán)光”器件并不是真正的藍(lán)光LED，而是包圍有藍(lán)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(gè)“真正的藍(lán)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(dá)到最初產(chǎn)品的數(shù)倍。當(dāng)前制造藍(lán)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(qiáng)。

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?yàn)長ED的特點(diǎn)是只發(fā)射一個(gè)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(jì)中采用了一個(gè)小竅門。在發(fā)射藍(lán)光的InGaN基料上覆蓋轉(zhuǎn)換材料，這種材料在受到藍(lán)光激勵(lì)時(shí)會發(fā)出黃光。于是得到了藍(lán)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(shí)線)包括藍(lán)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(biāo)定義。X和Y坐標(biāo)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(jì)算得到。白光LED的數(shù)據(jù)資料通常會詳細(xì)說明隨著正向電流增加而引起的色彩坐標(biāo)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(biāo)，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(biāo)準(zhǔn)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(lán)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(biāo)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(lán)光LED的色彩。

當(dāng)正向電流高至10mA時(shí)，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?yàn)楣ぷ麟妷旱淖兓淖兞苏螂娏鳌?

在10mA正向電流時(shí)，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?yàn)榻^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?