石家莊學(xué)院 張明軒 賈 誠

河北潤達(dá)石化工程公司 張 達(dá)

隨著LED（Light Emitting Diode發(fā)光二極管）技術(shù)的飛速發(fā)展，由LED構(gòu)成的單色光源在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中被越來越多的應(yīng)用。LED單色光源在功能上不僅可以取代鈉光燈、低壓水銀燈及氦氖激光器等傳統(tǒng)氣體光源，不增加任何附件的條件下，可以直接構(gòu)成點(diǎn)、線、面等實(shí)驗(yàn)用光源。而且，由于半導(dǎo)體光源構(gòu)造的特殊性，其實(shí)驗(yàn)效果更優(yōu)于傳統(tǒng)的氣體光源。當(dāng)多個(gè)LED組成單色面光源時(shí)，通常采用串聯(lián)加并聯(lián)的混聯(lián)方式。但由于半導(dǎo)體器件的離散性，即使同一批次的LED的正向特性也會(huì)有一定的差異。在LED采用并聯(lián)方式后，只要正向特性稍有差異，就會(huì)導(dǎo)致電流分配上產(chǎn)生很大的不同。通過電流較大的LED結(jié)溫會(huì)更高，從而引起發(fā)光波長變長，顏色發(fā)生紅移。為避免這種現(xiàn)象的發(fā)生，必須對(duì)LED并聯(lián)電路的每一路電流進(jìn)行平均分配，并保持恒流供電，使LED單色光源具有良好的顏色穩(wěn)定性，以滿足物理實(shí)驗(yàn)的要求。

1.LED正向特性的差異

選擇同一批次中兩支正向?qū)妷翰煌腖ED并聯(lián)，將電源的電壓擋調(diào)至O位置，當(dāng)LED接入電源后緩慢增加正向電壓，并分別測量兩支路中的電流。實(shí)際測試表明，當(dāng)這兩支LED并聯(lián)時(shí)，由于LED的端電壓相同，正向?qū)妷旱偷腖ED電流要比正向電壓高的大的多。如圖1所示，D點(diǎn)的電流要比C電流大一倍以上。這種差異隨著LED的結(jié)溫度升高而進(jìn)一步加大，流過電流大的LED結(jié)溫更高，它的正向電壓會(huì)相對(duì)更低，流入的電流也更大。

對(duì)于一個(gè)LED器件，發(fā)光區(qū)材料的禁帶寬度直接決定了器件發(fā)光的波長。當(dāng)溫度升高時(shí)，材料的禁帶寬度將減小，導(dǎo)致LED器件的發(fā)光波長變長，顏色發(fā)生紅移。為保持LED光源良好的單色性，避免由LED正向特性差異導(dǎo)致電流分配上的不同，在LED組成平面光源時(shí)，不能采取直接并聯(lián)的方式。而是需要用技術(shù)手段對(duì)并聯(lián)LED的每一路電流進(jìn)行平均分配，并保持恒流供電，使單色平面光源中的每一個(gè)LED始終保持良好的顏色穩(wěn)定性。

圖1 LED正向?qū)妷号c工作電流的關(guān)系

2.LED電流均分電路

并聯(lián)LED的電流均分方式有多種，如電阻均流、恒流源控制均流等。電阻均流是在每個(gè)LED并聯(lián)支路中再串入一個(gè)電阻，這個(gè)電阻除了“限流”外，還同時(shí)起到“均流”效果。電阻的阻值越大，效果越好，但是損耗也隨之增大。采用恒流源控制的均流方式是最佳的選擇?？梢赃x用專用的LED均流芯片，電路元器件少，可靠性高，均流效果好。SP7615/6系列正是適合這種應(yīng)用的芯片。

圖2 SP7616構(gòu)成的LED電流均分電路

其中SP7616特別適合單色面光源中的LED均流控制。它是工作電壓為4.5V～3OV的4通道恒流線性LED驅(qū)動(dòng)器，每條通道支持的最大電流為6OmA。內(nèi)置均流匹配電路，使每條通道之間的電流差異小于1.5%。如果輸入電壓VIN＞N×Vf+VDROP，則流過4個(gè)通道LED的電流都是恒流且匹配的。其中N是每串LED的數(shù)量，Vf是LED的正向?qū)▔航担╒f=1.4V～3V），VDROP是芯片本身的截止電壓（VDROP≤O.5V）。電阻R1被用來設(shè)定每一通道的最大電流，R1=1.OV×95O/IOUT，1.OV是ISET腳的對(duì)地電壓，95O是芯片對(duì)電流的放大倍數(shù)，即流過LED串的電流是流過R1電流的95O倍，IOUT是每串LED的輸出電流。設(shè)：N=3，Vf=1.8V，VDROP=O.5V，則VIN=3×1.8＋O.5V≈6V。若取IOUT=2OmA，則R1=1.OV×95O/2OmA≈47K。

平面電源的發(fā)光陣列由3×4個(gè)單一顏色的LED組成，根據(jù)實(shí)驗(yàn)照度的需要可以調(diào)整串聯(lián)電路中LED的數(shù)量，同時(shí)由VIN＞N×Vf+VDROP調(diào)整輸入電壓。電路還可以通過用PWM信號(hào)來實(shí)現(xiàn)調(diào)光。另外，當(dāng)某一通道不用時(shí)，可以將其短路到地，但要注意LED2腳不能短路到地，因?yàn)長ED2腳是電流設(shè)定基準(zhǔn)，其它幾個(gè)通道與LED2是鏡像電流源的關(guān)系。由于SP7616的輸入電壓最高支持到3OV，所以每串的LED數(shù)量最大支持到29/Vf顆。

3.結(jié)論

綜上所述，LED單色平面光源往往是采用多支LED混聯(lián)的方式組成一個(gè)發(fā)光陣列，以滿足光源功率和實(shí)驗(yàn)照明的要求。由于半導(dǎo)體器件的離散性，LED的正向特性會(huì)有一定的差異。這種差異會(huì)導(dǎo)致電流分配產(chǎn)生很大的不同，從而使LED的發(fā)光顏色發(fā)生變化，導(dǎo)致LED平面光源的顏色不均勻。為保證光源良好的單色性，確保發(fā)光陣列中每個(gè)LED的發(fā)光顏色一致，滿足物理實(shí)驗(yàn)的需要，采用并聯(lián)方式的LED每路電流必須均等且保持不變。SP7616具有無電感、無電容、內(nèi)置均流電路、設(shè)計(jì)簡單、效率高、低成本的優(yōu)勢，能完全滿足目前LED單色平面光源對(duì)電流進(jìn)行均分需要。如果每個(gè)通道需要更大的電流，可以選用SP7615，它的工作電壓為4.5～16V，每通道最大電流為126mA。SP7615工作原理和設(shè)計(jì)方法與SP7616類似。

[1]劉星云,胡德敬.高亮度高純度發(fā)光二極管在光學(xué)實(shí)驗(yàn)中的若干應(yīng)用[J].大學(xué)物理,2003,7.

[2]莊榕榕,陳家鈺,魏婷婷.LED光學(xué)特性的測量與研究[J].物理實(shí)驗(yàn),2008,28(11):9-11.

[3]鄧劍平,馬鴻洋.高亮度LED在物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2003,22(3).

[4]董飛,蔣孝平.高亮度功率發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)器及應(yīng)用電路[J].光源與照明,2009(1).

[5]楊清德,康婭.LED及其工程應(yīng)用[M].北京:人民郵電出版社,2007.

[6]Hariharn P.Optical Holography[M].Cambridge:The Press Syndicate of the University,1984.

[7]Huang K.F,Lee F.M,Hu C.W.et al.1.32 mm InAs/GaAs quantum-dot resonant-cavity lightemitting diodes grown by metalorganic chemical vapor deposition[J].Vac.Sci.Technol.,2006,B24(4):1922.

[8]陳傳虞,劉明,陳家楨.LED驅(qū)動(dòng)芯片工作原理與電路設(shè)計(jì)[M].北京:人民郵電出版社,2011.

[9]陳永真,陳之勃.實(shí)用LED驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)詳解[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010.