为什么LED内部不集成限流电阻呢？

Posted 2022-02-07 卓晴

简 介： 使用LED的过程中，需要在电路中设计有限流电路（可以是限流电阻，或者恒流电路）以保证LED流过的电流不要超过LED最大工作电流。使用限流电阻是在普通的LED应用中的最常见方便的电路。现在还存在着 一些更加复杂，集成有更多功能的LED芯片可以使用。本文讨论了为什么早期单个LED内部不直接集成限流电阻的原因。

关键词： LED，限流电阻

 

§01 LED限流电阻

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1.1 限流电阻

  我们知道，在使用 LED的过程中，不要直接将LED连接在电源两端 ，因为这存在这过大的电流将LED烧坏的危险。通常情况下需要在LED的管脚上连接一个限流电阻，控制流过LED的电流在合适的工作范围。

  这个电流电阻的大小需要根据：

• 供电的电压：$U$；
• LED管压降$U_{LED}$，这由LED的颜色确定；
• 驱动电流范围：$I_{LED}$；

  三个因素来确定限流电阻$R_{LED}$的大小。

$$R_{LED}=\frac{U-U_{LED}}{I_{LED}}$$

▲ 图1.1 不同颜色的LED

1.2 LED导通电压

  在 几款不同颜色LED的伏安特性 给出了实际测量到的几种不同颜色的LED的伏安特性。可以看到LED的V-A特性与普通的二极管很相似，只是导通电压随着不同的颜色LED而不同。

▲ 图1.2 不同颜色的LED的V-A 特性

  在一些特殊的情况下，如果LED的导通电压与施加的电压基本相同，而且电池的内阻相对比较大，也可以直接将电池驱动LED。

  比如下面的电路来自于 Interactive digital whiteboard with a Nintendo Wii remote controler and infrared LED pen. For schools HOWTO 显示了直接将红外LED连接在五号电池上的应用情况。

▲ 图1.2.2 直接将LED连接在电池两端

  既然在大多数情况下，使用LED都需要连接限流电阻，那么为什么市面上没有直接内部集成有限流电阻的LED出售呢？

 

§02 为什么呢？

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  在 Why dont LEDs have built-in resistors? 中有人提出了这个疑问，后面的回答倒是非常丰富。

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.

  这个提问者是在自己焊接了16个限流电阻之后发出怨念，提问为什么LED中部直接集成限流电阻呢？

2.1 存在集成限流电阻的LED

  首先，市面上还是存在这种集成有内部限流电阻的LED的。比如在 6.5 V Red LED 3mm Through Hole, Kingbright L-934SRD-5V 给出了一款 应用在5V电压下内部集成有限流电阻的LED ，LED直径3mm，工作在5V下，电流大约14mA。

▲ 图2.1.1 内部集成有电阻的+5V工作红色LED

  在 LP377GWH1-40G 中给出了中国深圳YunSun公司出品的工作在+5V下5mm直径绿色LED的规格，在+5V下工作电流20mA。

  实际上，现在已经存在集成有更复杂内部电路的LED，它们不仅仅集成有限流电路，可能还会有闪烁控制电路，调光电路等等。比如 WS2812串行可控彩色LED灯珠 就集成有串行接口电路以及三色PWM控制电路，使得仅仅使用一个IO端口就可以控制多达1024个LED灯的颜色和亮度。

▲ 图2.1.2 WS2812灯带点亮后的效果

2.2 LED集成限流电阻问题

  前面我们看到集成有限流电阻的LED产品实际上已经诞生很长时间，但在市场反应来看这是一个失败的产品（从使用百分比和市场渗透率），主要问题包括：

• 发光效率问题： 实际上用于照明的LED大都工作在没有限流电阻的情况，通过特殊的恒流电路使得LED发光效率达到最大。
• LED串联问题： 很多应用场合需要将多个LED串联形成更大面积的显示灯，如果带有限流点租则需要更大的驱动电压才行。此时往往使用恒流电路来驱动这些串联的LED；
• 不同的工作电压和电流： 前面我们知道决定LED限流电阻大小是由多个因素组成，一旦按照某种条件集成有限流电阻，则就限制了LED使用的场合；
• 散热问题： 如何有效将限流电阻上的功耗散掉也是影响LED内部集成限流电阻的因素；
• 低工作电压： 现在的电路工作电压 越来越低，从原来的5V逐步过渡到3.3V，甚至更低，这就使得集成有LED的器件无法适应多种工作电压；
• 使用表贴限流电阻很方便： 还是在现实中，电路中增加一个表贴限流电阻比较省事，就使LED可以适应各种工作条件了。对于高电压（比如+12V）可以串联多个LED来工作。

▲ 图2.2.1 LED串联的限流电阻

 

※ 总  结 ※

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  使用LED的过程中，需要在电路中设计有限流电路（可以是限流电阻，或者恒流电路）以保证LED流过的电流不要超过LED最大工作电流。使用限流电阻是在普通的LED应用中的最常见方便的电路。现在还存在着 一些更加复杂，集成有更多功能的LED芯片可以使用。本文讨论了为什么早期单个LED内部不直接集成限流电阻的原因。

▲ 图3.1 9V电池通过限流电阻点亮LED

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■ 相关文献链接:

• LED的过程中，不要直接将LED连接在电源两端
• 几款不同颜色LED的伏安特性
• Interactive digital whiteboard with a Nintendo Wii remote controler and infrared LED pen. For schools HOWTO
• Why dont LEDs have built-in resistors?
• 6.5 V Red LED 3mm Through Hole, Kingbright L-934SRD-5V
• 应用在5V电压下内部集成有限流电阻的LED
• LP377GWH1-40G
• WS2812串行可控彩色LED灯珠

● 相关图表链接:

• 图1.1 不同颜色的LED
• 图1.2 不同颜色的LED的V-A 特性
• 图1.2.2 直接将LED连接在电池两端
• 图2.1.1 内部集成有电阻的+5V工作红色LED
• 图2.1.2 WS2812灯带点亮后的效果
• 图2.2.1 LED串联的限流电阻
• 图3.1 9V电池通过限流电阻点亮LED