探析容易被忽略的LED燈

現(xiàn)今人們看到最多的顯示裝置是什么？大家的回答想必都是顯示屏，其實(shí)有一個(gè)已經(jīng)融入我們生活各個(gè)角落的重要顯示裝置，那就是常見的小LED，他們是如何實(shí)現(xiàn)顯示呢？

上期我們從“藍(lán)黑白金裙”之爭(zhēng)說到屏幕圖形格式轉(zhuǎn)換，但顯示裝置除了屏幕外，還有很多不起眼但卻融入我們生活各個(gè)角落的重要小角色，比如我們常見的LED，想要點(diǎn)亮他們其實(shí)可以更簡(jiǎn)單。

LED大家族簡(jiǎn)述

LED是Light Emitting Diode的縮寫，即發(fā)光二極管，是一種應(yīng)用非常廣泛的半導(dǎo)體發(fā)光/顯示元件。發(fā)光二極管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化鎵）、GaP（磷化鎵）、GaAsP（磷砷化鎵）等半導(dǎo)體制成的，其核心是PN結(jié)。因此它具有一般P-N結(jié)的I-N特性，即正向?qū)?，反向截止、擊穿特性。在正向電壓下?a target="_blank">電子由N區(qū)注入P區(qū)，空穴由P區(qū)注入N區(qū)，進(jìn)入對(duì)方區(qū)域的少數(shù)載流子（少子）一部分與多數(shù)載流子（多子）復(fù)合而發(fā)光。通過使用不同的材料及工藝，LED可以發(fā)出紅色、綠色、黃色、白色、藍(lán)色、橙色等光。

在市面上，LED產(chǎn)品有發(fā)光二極管、數(shù)碼管、米字管、符號(hào)管、點(diǎn)陣顯示屏、LED背光、LED照明燈等，參考如下圖1所示。事實(shí)上，數(shù)碼管、米字管、符號(hào)管、點(diǎn)陣顯示屏……當(dāng)中的每個(gè)發(fā)光單元都是一個(gè)發(fā)光二極管。

圖1常見LED顯示模塊

LED特性分析

使用不同材料(管芯材料)的LED，其正向電壓也有所不同，在設(shè)計(jì)電路前要先了解一下它們的基本特性，參考如表1所列。

表1 常用發(fā)光二極管基礎(chǔ)特性表

注意：設(shè)計(jì)LED電路時(shí)，工作電流最好小于0.6 IFM，這樣LED使用壽命會(huì)更長(zhǎng)。

獨(dú)立LED燈驅(qū)動(dòng)電路

1、電源指示燈

圖2 5V和3.3V電源指示燈電路

D1采用紅色LED燈(GaAsp管芯)，封裝形式由產(chǎn)品要求決定。工作電流計(jì)算如下：

常規(guī)設(shè)計(jì)，If要在0.5～3mA范圍內(nèi)，減少電源指示燈對(duì)電能的消耗。對(duì)于5V電源，限流電阻R1推薦采用3K；對(duì)于3.3V電源，限流電阻R1推薦采用1K。

2、狀態(tài)指示燈

對(duì)于單片機(jī)，其I/O灌電流可達(dá)20mA(具體芯片要以數(shù)據(jù)手冊(cè)為準(zhǔn))，可以直接使用I/O控制LED燈作為狀態(tài)指示。

圖3 獨(dú)立LED燈驅(qū)動(dòng)—灌電流方式

當(dāng)相應(yīng)的I/O輸出0時(shí)LED燈點(diǎn)亮，輸出1時(shí)LED燈熄滅。電流計(jì)算公式如下：

常規(guī)設(shè)計(jì)，If要在2～15mA范圍內(nèi)。當(dāng)驅(qū)動(dòng)多個(gè)LED時(shí)要注意，由于CPU對(duì)總電流限制，比如100mA，所以要保證多個(gè)LED同時(shí)點(diǎn)亮的電流要小于總電流。如果使用了綠色的LED燈，由于綠色LED正向壓降比紅色的大，所以其限流電阻要小一點(diǎn)。

對(duì)于單片機(jī)，其I/O可以設(shè)置為推挽輸出模式，驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)20mA，這類CPU可以采用拉電流的方式驅(qū)動(dòng)，如圖4所示。

圖4 獨(dú)立LED燈驅(qū)動(dòng)—拉電流方式

當(dāng)相應(yīng)的I/O輸出1時(shí)LED燈點(diǎn)亮，輸出0時(shí)LED燈熄滅。電流計(jì)算公式如下：

通常設(shè)I/O的Voh等于VCC。常規(guī)設(shè)計(jì)，If要在2～15mA范圍內(nèi)。當(dāng)驅(qū)動(dòng)多個(gè)LED時(shí)要注意，由于CPU對(duì)總電流限制，比如100mA，所以要保證多個(gè)LED同時(shí)點(diǎn)亮的電流要小于總電流。對(duì)于其它類型的CPU(如3.3V的ARM)，根據(jù)其I/O特性，也可以采用這兩種驅(qū)動(dòng)方式。

對(duì)于2引腳的雙色LED，其驅(qū)動(dòng)方式如圖5所示。對(duì)于I/O可以設(shè)置為推挽輸出模式的CPU，可以直接使用I/O直接驅(qū)動(dòng)；對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)51單片機(jī)，則需要外加驅(qū)動(dòng)電路，如2個(gè)非門。當(dāng)一個(gè)口輸出1，另一個(gè)口輸出0時(shí)，其中一個(gè)LED燈點(diǎn)亮；如果兩個(gè)控制口均輸出1或均輸出0，則LED燈熄滅。

圖5 2引腳雙色LED燈驅(qū)動(dòng)電路

總結(jié)

本文僅是簡(jiǎn)單的介紹了嵌入式硬件設(shè)計(jì)中LED驅(qū)動(dòng)，但整體嵌入式硬件設(shè)計(jì)對(duì)于技術(shù)指標(biāo)的要求是較高的，若產(chǎn)品設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)可以選用合適核心板進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)。ZLG致遠(yuǎn)電子嵌入式產(chǎn)品經(jīng)過近二十年的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)積累，從產(chǎn)品的RTC時(shí)鐘，電源管理，ESD防護(hù)電路，各類通訊接口等方面全面保證產(chǎn)品的穩(wěn)定性。

ZLG致遠(yuǎn)電子從2001年從8位單片機(jī)方案設(shè)計(jì)開始，逐步掌握ARM7、ARM9、Cortex-A7、A8、A9、M7以及最前沿的A53等ARM體系的處理器應(yīng)用技術(shù)，擁有全系列的工業(yè)級(jí)ARM核心板與工控機(jī)。

同時(shí)，基于對(duì)嵌入式技術(shù)的理解與積累，ZLG自主研發(fā)下一代軟件開發(fā)平臺(tái)-Aworks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，幫助用戶基于穩(wěn)定的軟硬件平臺(tái)快速實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)，基于ZLG工業(yè)級(jí)核心板/工控板開發(fā)的產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于電力、軌道交通、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)、醫(yī)療等對(duì)產(chǎn)品可靠性要求較為苛刻的場(chǎng)合，并不斷深入為各行業(yè)提供整套行業(yè)應(yīng)用解決方案。