【導(dǎo)讀】使用LED的過(guò)程中，需要在電路中設(shè)計(jì)有限流電路（可以是限流電阻，或者恒流電路）以保證LED流過(guò)的電流不要超過(guò)LED最大工作電流。使用限流電阻是在普通的LED應(yīng)用中的最常見(jiàn)方便的電路。現(xiàn)在還存在著 一些更加復(fù)雜，集成有更多功能的LED芯片可以使用。本文討論了為什么早期單個(gè)LED內(nèi)部不直接集成限流電阻的原因。
01 LED限流電阻
1.1 限流電阻
我們知道，在使用 LED的過(guò)程中，不要直接將LED連接在電源兩端[1] ，因?yàn)檫@存在過(guò)大的電流將LED燒壞的危險(xiǎn)。通常情況下需要在LED的管腳上連接一個(gè)限流電阻，控制流過(guò)LED的電流在合適的工作范圍。
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這個(gè)電流電阻的大小需要根據(jù)：
● 供電的電壓：
；
● LED管壓降
，這由LED的顏色確定；
● 驅(qū)動(dòng)電流范圍：
；
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三個(gè)因素來(lái)確定限流電阻
的大小。
圖1.1 不同顏色的LED
1.2 LED導(dǎo)通電壓
在 幾款不同顏色LED的伏安特性[2] 給出了實(shí)際測(cè)量到的幾種不同顏色的LED的伏安特性。可以看到LED的V-A特性與普通的二極管很相似，只是導(dǎo)通電壓隨著不同的顏色LED而不同。
圖1.2 不同顏色的LED的V-A 特性
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在一些特殊的情況下，如果LED的導(dǎo)通電壓與施加的電壓基本相同，而且電池的內(nèi)阻相對(duì)比較大，也可以直接將電池驅(qū)動(dòng)LED。
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比如下面的電路來(lái)自于 Interactive digital whiteboard with a Nintendo Wii remote controler and infrared LED pen. For schools HOWTO[3] 顯示了直接將紅外LED連接在五號(hào)電池上的應(yīng)用情況。
圖1.2.2 直接將LED連接在電池兩端
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既然在大多數(shù)情況下，使用LED都需要連接限流電阻，那么為什么市面上沒(méi)有直接內(nèi)部集成有限流電阻的LED出售呢？
02 為什么呢？
在 Why dont LEDs have built-in resistors?[4] 中有人提出了這個(gè)疑問(wèn)，后面的回答倒是非常豐富。
A night of struggling to fit 16 current limiting resistors into a small breadboard for a uni project made me wonder why LEDs don't have any kind of internal resistance? I can't think of any downsides. I've never connected an LED without a resistor in series so it makes a lot of sense to me.
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這個(gè)提問(wèn)者是在自己焊接了16個(gè)限流電阻之后發(fā)出怨念，提問(wèn)為什么LED中部直接集成限流電阻呢？
2.1 存在集成限流電阻的LED
首先，市面上還是存在這種集成有內(nèi)部限流電阻的LED的。比如在 6.5 V Red LED 3mm Through Hole, Kingbright L-934SRD-5V給出了一款 應(yīng)用在5V電壓下內(nèi)部集成有限流電阻的LED[5] ，LED直徑3mm，工作在5V下，電流大約14mA。
圖2.1.1 內(nèi)部集成有電阻的+5V工作紅色LED
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在 LP377GWH1-40G[6] 中給出了中國(guó)深圳YunSun公司出品的工作在+5V下5mm直徑綠色LED的規(guī)格，在+5V下工作電流20mA。
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實(shí)際上，現(xiàn)在已經(jīng)存在集成有更復(fù)雜內(nèi)部電路的LED，它們不僅僅集成有限流電路，可能還會(huì)有閃爍控制電路，調(diào)光電路等等。比如 WS2812串行可控彩色LED燈珠[7] 就集成有串行接口電路以及三色PWM控制電路，使得僅僅使用一個(gè)IO端口就可以控制多達(dá)1024個(gè)LED燈的顏色和亮度。
圖2.1.2 WS2812燈帶點(diǎn)亮后的效果
2.2 LED集成限流電阻問(wèn)題
前面我們看到集成有限流電阻的LED產(chǎn)品實(shí)際上已經(jīng)誕生很長(zhǎng)時(shí)間，但在市場(chǎng)反應(yīng)來(lái)看這是一個(gè)失敗的產(chǎn)品（從使用百分比和市場(chǎng)滲透率），主要問(wèn)題包括：
● 發(fā)光效率問(wèn)題： 實(shí)際上用于照明的LED大都工作在沒(méi)有限流電阻的情況，通過(guò)特殊的恒流電路使得LED發(fā)光效率達(dá)到最大。
● LED串聯(lián)問(wèn)題： 很多應(yīng)用場(chǎng)合需要將多個(gè)LED串聯(lián)形成更大面積的顯示燈，如果帶有限流電阻則需要更大的驅(qū)動(dòng)電壓才行。此時(shí)往往使用恒流電路來(lái)驅(qū)動(dòng)這些串聯(lián)的LED；
● 不同的工作電壓和電流： 前面我們知道決定LED限流電阻大小是由多個(gè)因素組成，一旦按照某種條件集成有限流電阻，則就限制了LED使用的場(chǎng)合；
● 散熱問(wèn)題： 如何有效將限流電阻上的功耗散掉也是影響LED內(nèi)部集成限流電阻的因素；
● 低工作電壓： 現(xiàn)在的電路工作電壓 越來(lái)越低，從原來(lái)的5V逐步過(guò)渡到3.3V，甚至更低，這就使得集成有LED的器件無(wú)法適應(yīng)多種工作電壓；
● 使用表貼限流電阻很方便： 還是在現(xiàn)實(shí)中，電路中增加一個(gè)表貼限流電阻比較省事，就使LED可以適應(yīng)各種工作條件了。對(duì)于高電壓（比如+12V）可以串聯(lián)多個(gè)LED來(lái)工作。
圖2.2.1 LED串聯(lián)的限流電阻
※ 總??結(jié) ※
使用LED的過(guò)程中，需要在電路中設(shè)計(jì)有限流電路（可以是限流電阻，或者恒流電路）以保證LED流過(guò)的電流不要超過(guò)LED最大工作電流。使用限流電阻是在普通的LED應(yīng)用中的最常見(jiàn)方便的電路。現(xiàn)在還存在著 一些更加復(fù)雜，集成有更多功能的LED芯片可以使用。本文討論了為什么早期單個(gè)LED內(nèi)部不直接集成限流電阻的原因。
圖3.1 9V電池通過(guò)限流電阻點(diǎn)亮LED
參考資料
[1]LED的過(guò)程中，不要直接將LED連接在電源兩端: https://electronicsclub.info/leds.htm#:~:text=Never%20connect%20an%20LED%20directly%20to%20a%20battery,if%20your%20supply%20voltage%20is%2012V%20or%20less.
[2]幾款不同顏色LED的伏安特性: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/109716322
[3]Interactive digital whiteboard with a Nintendo Wii remote controler and infrared LED pen. For schools HOWTO: http://wyxs.net/web/wiimote/digital_whiteboard.html
[4]Why dont LEDs have built-in resistors?: https://electronics.stackexchange.com/questions/588345/why-dont-leds-have-built-in-resistors
[5]應(yīng)用在5V電壓下內(nèi)部集成有限流電阻的LED: https://docs.rs-online.com/1c01/0900766b80b79836.pdf
[6]LP377GWH1-40G: https://cdn.sparkfun.com/assets/b/a/1/b/6/YSL-R542G5C-5V.pdf
[7]WS2812串行可控彩色LED燈珠: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/120871808
來(lái)源：TsinghuaJoking
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