LED調(diào)光的方法以及對(duì)發(fā)射出光的色彩穩(wěn)定性影響分析

本文探討提供發(fā)光二極體（LED）調(diào)光的方法，分析LED調(diào)光對(duì)其長(zhǎng)期性能及所發(fā)射出光的色彩穩(wěn)定性之影響，并特別探討如何結(jié)合使用線性恒流穩(wěn)流器（CCR）及數(shù)位電晶體來(lái)提供脈沖寬度調(diào)變（PWM）調(diào)光。

PWM為改變LED光輸出首要方法

光要多少才足夠？要求的發(fā)光量通常由所處環(huán)境與用途決定。就會(huì)議室而言，一般圓桌會(huì)議時(shí)的照明可能非常亮;但若使用投影系統(tǒng)來(lái)觀看會(huì)議材料，會(huì)議室的光就可能會(huì)調(diào)暗很多;起居室的照明通常會(huì)被調(diào)節(jié)從而營(yíng)造恰當(dāng)?shù)姆諊?而汽車儀表板的背光則通常根據(jù)日間或夜間駕駛來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)。

光源已從非常易于調(diào)節(jié)的白熾燈轉(zhuǎn)向要求以特殊電路提供不同光等級(jí)的螢光燈。LED是業(yè)界出現(xiàn)的最新一代光源，要求采用新的電子電路來(lái)改變光等級(jí)。改變LED光輸出的方法有兩種，第一種是減小流經(jīng)LED的電流，而LED發(fā)射的光量與流經(jīng)LED的電流成正比;第二種方法是為L(zhǎng)ED提供脈波電流，LED發(fā)射出的光與工作周期（Duty Cycle）成正比。

使用減小電流的方法進(jìn)行LED調(diào)光類似于大多數(shù)白熾燈泡使用的調(diào)光方法。這種減小電流的方法在為數(shù)不多的應(yīng)用中可以接受，但隨著光等級(jí)降低，LED發(fā)出的光色彩也根據(jù)電流而變化。電流較小時(shí)，色度（Chromaticity）朝向黃色變化。圖1顯示不同電流時(shí)的典型色度變化。

圖1 LED不同正向電流時(shí)的典型色度變化

白熾燈泡的亮度能夠藉減小電流的方法來(lái)調(diào)光至低于完整亮度的1%，因?yàn)榘谉霟羰墙逵呻娏髁鬟^燈絲，使燈絲發(fā)熱進(jìn)而發(fā)光。但使用減小電流的方法，極難將LED亮度調(diào)至低于完整亮度的5%，因?yàn)樗璧碾妷簞?shì)會(huì)導(dǎo)致矽結(jié)點(diǎn)破裂并開始導(dǎo)電。LED是二極體，隨著結(jié)點(diǎn)破裂，它就像是電子雪崩，電阻急速下降。要提供足夠電壓，使LED以極低電流導(dǎo)電非常困難。圖2顯示LED在不同正向電壓（V）條件下的典型正向電流的曲線。

LED在不同正向電壓條件下的典型正向電流

圖2 LED在不同正向電壓條件下的典型正向電流

為L(zhǎng)ED提供脈波電流的方法也稱作PWM，這種方法已經(jīng)成為改變光等級(jí)的首選方法。LED本身是矽元件，對(duì)應(yīng)流經(jīng)它們的電流導(dǎo)通及關(guān)閉而快速地導(dǎo)通和關(guān)閉。開關(guān)時(shí)間在100奈秒（ns）等級(jí)，相當(dāng)于最大頻率10MHz。應(yīng)用通常以100Hz～100kHz的頻率工作。頻率低于100Hz時(shí)，人眼會(huì)觀察到LED光閃爍。頻率在500Hz～20kHz之間時(shí)，電路可能產(chǎn)生能聽到的雜訊。調(diào)光是通過在單個(gè)開關(guān)周期的某部分時(shí)間內(nèi)將LED導(dǎo)通;而在此開關(guān)周期的其余部分時(shí)間內(nèi)，將LED關(guān)閉來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種導(dǎo)通關(guān)閉周期稱作工作周期（D），其表達(dá)方式為L(zhǎng)ED導(dǎo)通時(shí)間（TON）除以整個(gè)開關(guān)/導(dǎo)通周期時(shí)間（TS）（圖3）。

圖3 LED的開關(guān)周期示意圖及工作周期計(jì)算公式

LED導(dǎo)通時(shí)間與光輸出息息相關(guān)

在LED導(dǎo)通期間，流經(jīng)LED的電流保持恒定，使LED發(fā)射的光恒定，且無(wú)色度（色彩）變化。亮度與LED導(dǎo)通時(shí)間所占的百分比成正比。

可以在LED的串列使用安森美半導(dǎo)體（On Semiconductor）的雙端CCR（如NSI45020AZT1G）及雙極結(jié)晶體管（BJT）（如MMBT3904LT1G）來(lái)配置圖4所示的簡(jiǎn)單電路，用于汽車儀表板背光。由兩顆4.7kΩ電阻（R1，R2）構(gòu)成的簡(jiǎn)單偏置電路置于雙極結(jié)晶體管的基極。電阻值10Ω、精度1%的電阻（R3）置于雙極結(jié)晶體管的射極腳，用來(lái)感測(cè)電流。測(cè)量電阻R3兩端的電壓即可簡(jiǎn)單地得出對(duì)應(yīng)的電流（200毫伏特=20毫安培），R3僅用于測(cè)量電路電流，設(shè)計(jì)完成后即不需要它。電路的供電電壓范圍為直流5～20伏特。由微控制器（MCU）提供的5伏特控制電壓，通過電阻R1施加在雙極結(jié)晶體管的基極，并將雙極結(jié)晶體管導(dǎo)通。CCR會(huì)自動(dòng)地將流經(jīng)LED的電流維持在20毫安培。

圖4 在汽車儀表板背光應(yīng)用中使用雙端CCR及BJT所組成的控制電路

可以恰當(dāng)選擇R1和R2的電阻值，使其匹配驅(qū)動(dòng)電路。雙極結(jié)晶體管通常在0.5伏特電壓時(shí)開始導(dǎo)通。若R1=R2（圖4中均為4.7kΩ），那么這分壓電路就要求大于1伏特的電壓來(lái)將雙極結(jié)晶體管導(dǎo)通。若R1=10kΩ且R2=47kΩ，這電路就只需要大于0.6伏特的電壓來(lái)導(dǎo)通。

控制訊號(hào)的工作頻率為300Hz，脈波寬度為30微秒（μs）。隨著脈波寬度增加，LED導(dǎo)通的總時(shí)間也會(huì)延長(zhǎng)，并提升光輸出。在脈波接近零電平時(shí)，光輸出也將接近零。圖5顯示不同工作周期條件下的流明輸出曲線。