LED的結構與原理

在設計帶LED的電路時，務必記住這些器件不是白熾燈泡，而是恰好能發(fā)光的半導體器件（二極管）。作為二極管，它們通常只允許電流主要流向一個方向（二極管并不理想，因此在反向偏置時會產(chǎn)生少量電流）。

普通LED的發(fā)光部分是位于組件中心的簡單半導體二極管，由單個p－n結構成（圖1）。電流從連接到P型硅的LED陽極流向連接到N型硅的LED陰極。在普通二極管中，p－n結通常是鍺 （Ge） 或硅 （Si）。然而，對于LED而言，這個結通常是透明的磷砷化鎵 （GaAsP） 或磷化鎵 （GaP） 半導體材料。

圖1：LED組件含有半導體p－n結芯片，可使電流從陽極流到陰極。帶透鏡的透明外殼可以讓用戶輕松看到產(chǎn)生的發(fā)射光。（圖片來源：維基百科）

利用透明的GaAsP或GaP，施加在p－n結上的正向電壓會從半導體釋放出光子。p－n結安裝在反射鏡腔上，而該鏡腔可將光子聚集到LED透鏡。LED的透鏡和本體由透明環(huán)氧樹脂組成，而樹脂可選擇性地進行著色，以匹配發(fā)射光的顏色。

反射鏡腔位于稱為鐵砧的引線框上，陰極通過接合線連接到稱為極柱的引線框上。鐵砧和極柱的形狀可使它們與LED環(huán)氧樹脂本體形成牢固連接，從而無法將陽極或陰極引腳從LED環(huán)氧樹脂本體上拉出，造成LED損壞。

單色LED

LED有多種顏色可供選擇，包括紅色、綠色、黃色、琥珀色、青色、橙色、粉色、紫色以及最近出現(xiàn)的白色和藍色。單色LED配備的半導體芯片由可產(chǎn)生所需光線波長的材料組成，并且LED環(huán)氧樹脂殼體組件通常具有相同的顏色。雖然不需要使透鏡具有與發(fā)射光相同的顏色，但重要的是，要容易識別LED元件的顏色，防止與其他LED混淆。

多色LED

對于某些空間、成本和功耗受限的系統(tǒng)而言，最好使用一個能發(fā)出多種顏色的LED。通常情況下，這種多色LED在一個透明環(huán)氧樹脂外殼內(nèi)部配備三個LED，分別是紅色、綠色和藍色 （RGB）。Adafruit Industries的2739 RGB LED就是一個很好的例子（圖2）。該LED專為多色指示燈而設計，配有一個寬2．5mm、高5 mm的矩形透鏡發(fā)光表面，以及四根可在PC板上進行通孔安裝的徑向引線。

圖2：Adafruit的2739 RGB LED采用寬2．5mm、高5mm的透明環(huán)氧樹脂矩形透鏡，并帶有四根徑向引線，用于在PC板上進行通孔安裝。（圖片來源：Adafruit Industries）

通常情況下，三個內(nèi)部LED中的任何一個均可以單獨使用，也可與其他LED結合使用，以產(chǎn)生不同的顏色。

多色RGB LED通常有三種引腳布局：

1）所有LED共用一個陽極，每個LED有一個陰極，總共四個引腳

2）所有LED共用一個陰極，每個LED有一個陽極，總共四個引腳

3）每個陽極和陰極都分配引腳，總共六個引腳

使用多色LED進行設計

Adafruit的2739 RGB LED具有一個共陽極，紅色、綠色和藍色LED的每個陰極都分配引腳，總共四個引腳（圖 3）。共陽極連接到正極電源，而每個紅色、綠色和藍色LED通過接地來接通。

圖3：Adafruit的2739 RGB LED具有一個共陽極，而紅色、綠色和藍色LED分別配有一個單獨的陰極。（圖片來源：Adafruit Industries）

如何生成多種顏色

如果某種應用只需要顯示三種狀態(tài)中的一種，那么使用2739 RGB LED的最簡單方法是一次打開一個LED，用戶可以選擇紅色、綠色或藍色中的一種。

對于多種顏色，設計人員可以簡單地將兩種顏色組合在一起，提供以下六種顏色選項：

紅色

綠色

藍色

黃色（紅色 ＋ 綠色）

青色（綠色 ＋ 藍色）

洋紅色（紅色 ＋ 藍色）

為了編制清晰的項目文檔，顯示的顏色應該清晰易辨，并且易于口頭確認。例如，具有全電流的綠色LED可以在LED規(guī)格書中記錄為“綠黃色”。然而，當LED亮起時，大多數(shù)消費者和開發(fā)人員在被問及時，都會將顏色識別為“綠色”。無論顏色的實際名稱如何，用戶都應該能夠通過視覺和標簽輕松區(qū)分出不同的顏色。很少有人能夠輕易地識別出“綠色”和“綠黃色”之間的區(qū)別，如果這兩種顏色并排呈現(xiàn)，則可能將綠黃色識別為“綠色”，將綠色識別為“深綠色”。

對于更復雜的應用，可以按不同的強度組合RGB，從而產(chǎn)生多達1600萬種顏色。實現(xiàn)這一目的的可靠方法是：將脈沖寬度調(diào)制 （PWM） 信號應用于每個LED，其中占空比與強度相對應。人眼可以識別出200赫茲 （Hz） 或更慢的閃爍頻率，因此，為了避免閃爍，應使用1000Hz或更快的PWM頻率。

顏色可通過RGB色碼輕松選擇。這基于RGB加色模型，其中紅光、綠光和藍光在強度上各不相同，組合在一起幾乎可以重新生成任何顏色。該模型適用于光線，是電視和顯示屏中色彩再現(xiàn)的依據(jù)，還可用于呈現(xiàn)網(wǎng)頁上的顏色。

RGB色碼的簡寫用 （R，G，B） 表示，其中R、G和B是紅色、綠色和藍色強度的十進制值，范圍介于0到255之間。例如，藍色的十進制RGB色碼為 （0，0，255），紫色為 （128，0，128），銀色為 （192，192，192）。在確定每種顏色的PWM占空比時，需將這些值除以255，因此藍色的占空比為 （0，0，100％），紫色的占空比為 （50％，0，50％），銀色的占空比為 （75％，75％，75％）。

從理論上講，白光由 （255，255，255） 表示，并且可通過同時打開全強度的紅色、綠色和藍色LED來生成。然而，在實踐中，通過該方法產(chǎn)生的顏色通常是帶有偏藍色調(diào)的白色。出現(xiàn)這種色調(diào)是因為，生成的LED顏色與理想的紅色、綠色和藍色的精確波長不完全匹配。

微控制器很容易生成所需的PWM信號。Microchip Technology的ATSAMC21J18A就是一個合適的例子（圖4）。該微控制器是一款用于物聯(lián)網(wǎng)端點的低功耗器件，是該公司SAM C21微控制器系列產(chǎn)品之一。它配有48MHz Arm＆reg； Cortex＆reg；－M0＋內(nèi)核，支持5伏I／O電壓。

圖4：ATSAMC21J18A微控制器具有定時器／計數(shù)器單元，能夠自動生成三個同步PWM信號。（圖片來源：Microchip Technology）

為了驅(qū)動LED，ATSAMC21J18A配有定時器／計數(shù)器單元，能夠自動生成三個同步PWM信號。SAM C21系列產(chǎn)品配有高電流阱選件，可使連接各電流阱的四個I／O引腳的最大電流為20毫安 （mA）。

使用LED時，選擇正確的串聯(lián)電阻器來限制電流非常重要。電阻值太小的電阻器會破壞LED，而電阻值過高的電阻器會導致光線昏暗或無光。串聯(lián)電阻器的值由每個LED的正向電壓和所需的電流決定。

LED是電流控制的半導體。此外，值得注意的是，由于材料的物理特性，LED的工作電壓會隨著發(fā)射光波長的減小而增加，這是使用多個LED時要考慮的重要因素。

當Adafruit的2739 RGB LED正向電流為20 mA時，Adafruit 圖表中規(guī)定的LED典型正向電壓為2伏（紅色）和3．2伏（綠和藍色）。

如果共陽極連接到5伏電壓，那么LED和I／O引腳之間的電阻值由以下等式確定：

其中：

VDD ＝ 5伏

VOL ＝ ATSAMC21J18A 的輸出低壓 ＝ 0．1 x VDD ＝ 0．5伏

VF ＝ 正向電壓（典型值）

I ＝ 正向電流，單位：安培

R ＝ 電阻值，單位：歐姆 （＆Omega；）

在I ＝ 20mA的情況下使用該公式，結果是：RRED （VF ＝ 2 V） ＝ 125＆Omega；，RGREEN ＝ RBLUE （VF ＝ 3．2V） ＝ 65＆Omega；。

如果計算出的電阻不能作為標準電阻值，開發(fā)人員可以選擇下一個較低值，或者下一個較高值（首選）。如果選擇較低值，則必須注意，不得超過該LED的最大正向電壓或ATSAMC21J18A I／O端口的最大電流灌入能力。雖然在超過這些最大值時LED仍然可以工作，但可能會降低LED的使用壽命，也可能隨著時間的推移，降低I／O端口的性能或損壞該端口?；蛘?，如果應用仍能接受較暗光線，則可以降低正向電流。例如，當正向電流為15mA時，Adafruit的2739 RGB LED指定正向電壓會降至1．9伏（紅色）和3．1伏（綠色和藍色），這樣會導致電阻值RRED ＝ 173．3＆Omega；，RGREEN ＝ RBLUE ＝ 93．3＆Omega；。

由于ATSAMC21J18A可通過控制接地連接來控制LED，當I／O端口為邏輯低電平時，單個LED亮起；當I／O端口為邏輯高電平時，單個LED熄滅。因此，必須倒置計算出的RGB色碼占空比。例如，如果顏色需要25％的占空比，則PWM必須能產(chǎn)生75％的占空比，才能使LED在25％的周期時間內(nèi)工作。此外，如果LED必須在上電時熄滅，則微控制器啟動代碼必須能使三個引腳處于邏輯高電平。

ATSAMC21J18A配備256Kb閃存、32Kb RAM和各種模擬外設。該微控制器還配有六個串行通信模塊 （SERCOM），每個模塊都可以作為USART、SPI、LIN從器件或I2C接口

智能RGB LED設計

使用RGB LED生成多種顏色的另一種方法是對其進行編程。智能LED是一個術語，用來描述這種帶有可編程串行接口的多色LED。American Bright Optoelectronics的BL－HBGR32L－3－TRB－8就是一個很好的例子。它是一款5mm方形RGB LED，可以使用800千赫 （kHz） I2C接口進行編程，從而產(chǎn)生任何顏色（圖5）。

圖5： American Bright的BL－HBGR32L－3－TRB－8是一款尺寸為5mm的方形六引腳數(shù)字RGB LED，配有I2C直通引腳布局，可使多個器件以菊花鏈方式連接在同一I2C接口上。

I2C接口不僅可以節(jié)省板空間，而且可以簡化微控制器代碼，這種便利性極大簡化了設計。ATSAMC21J18A上的一個SERCOM端口可配置為I2C串行接口，以便輕松連接到BL－HBGR32L－3－TRB－8。參考圖5中的引腳布局，來自ATSAMC21J18A微控制器的I2C數(shù)據(jù)信號連接到引腳1數(shù)據(jù)輸入信號，I2C時鐘連接到引腳2時鐘輸入。

在對BL－HBGR32L－3－TRB－8 LED的顏色進行編程時，需要發(fā)送四個代表全局亮度設置和RGB色碼的字節(jié)，作為一個32位字。這款智能LED在引腳6上配有數(shù)據(jù)輸出直通，在引腳5上配有I2C時鐘直通，這樣可使多個LED能夠以菊花鏈方式連接在一起，以便每個LED可以顯示不同的顏色。

總結

了解多色RGB LED的驅(qū)動方式之后，不僅可以節(jié)省空間、成本和功耗，還可以增強終端系統(tǒng)、設備、狀態(tài)指示燈或照明系統(tǒng)的美觀性及用戶界面。開發(fā)人員既可以選擇能對每個LED進行完全控制的標準RGB LED，也可以選擇能對顏色進行編程控制的智能LED。此外，當涉及到通常用于產(chǎn)生PWM控制信號的微控制器時，目前有許多低功耗、低成本選項可供選擇。