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2018年12月13日 | LED是如何实现工作的？
2018-12-13
现今人们看到最多的显示装置是什么？大家的回答想必都是显示屏，其实有一个已经融入我们生活各个角落的重要显示装置，那就是常见的小LED，他们是如何实现显示呢？
上期我们从“蓝黑白金裙”之争说到屏幕图形格式转换，（详细可点击查看《【干货】从色彩角度看人机交互界面设计》），但显示装置除了屏幕外，还有很多不起眼但却融入我们生活各个角落的重要小角色，比如我们常见的LED，想要点亮他们其实可以更简单。
LED大家族简述
LED是Light Emitting Diode的缩写，即发光二极管，是一种应用非常广泛的半导体发光/显示元件。发光二极管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN结。因此它具有一般P-N结的I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区，进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光。通过使用不同的材料及工艺，LED可以发出红色、绿色、黄色、白色、蓝色、橙色等光。
在市面上，LED产品有发光二极管、数码管、米字管、符号管、点阵显示屏、LED背光、LED照明灯等，参考如下图1所示。事实上，数码管、米字管、符号管、点阵显示屏……当中的每个发光单元都是一个发光二极管。
图1 常见LED显示模块
LED特性分析
使用不同材料(管芯材料)的LED，其正向电压也有所不同，在设计电路前要先了解一下它们的基本特性，参考如表1所列。
表1 常用发光二极管基础特性表
注意：设计LED电路时，工作电流最好小于0.6 IFM，这样LED使用寿命会更长。
独立LED灯驱动电路
1、电源指示灯
图2 5V和3.3V电源指示灯电路
D1采用红色LED灯(GaAsp管芯)，封装形式由产品要求决定。工作电流计算如下：
常规设计，If要在0.5～3mA范围内，减少电源指示灯对电能的消耗。对于5V电源，限流电阻R1推荐采用3K；对于3.3V电源，限流电阻R1推荐采用1K。
2、状态指示灯
对于单片机，其I/O灌电流可达20mA(具体芯片要以数据手册为准)，可以直接使用I/O控制LED灯作为状态指示。
图3 独立LED灯驱动—灌电流方式
当相应的I/O输出0时LED灯点亮，输出1时LED灯熄灭。电流计算公式如下：
常规设计，If要在2～15mA范围内。当驱动多个LED时要注意，由于CPU对总电流限制，比如100mA，所以要保证多个LED同时点亮的电流要小于总电流。如果使用了绿色的LED灯，由于绿色LED正向压降比红色的大，所以其限流电阻要小一点。
对于单片机，其I/O可以设置为推挽输出模式，驱动电流可达20mA，这类CPU可以采用拉电流的方式驱动，如图4所示。
图4 独立LED灯驱动—拉电流方式
当相应的I/O输出1时LED灯点亮，输出0时LED灯熄灭。电流计算公式如下：
通常设I/O的Voh等于VCC。常规设计，If要在2～15mA范围内。当驱动多个LED时要注意，由于CPU对总电流限制，比如100mA，所以要保证多个LED同时点亮的电流要小于总电流。对于其它类型的CPU(如3.3V的ARM)，根据其I/O特性，也可以采用这两种驱动方式。
对于2引脚的双色LED，其驱动方式如图5所示。对于I/O可以设置为推挽输出模式的CPU，可以直接使用I/O直接驱动；对于标准51单片机，则需要外加驱动电路，如2个非门。当一个口输出1，另一个口输出0时，其中一个LED灯点亮；如果两个控制口均输出1或均输出0，则LED灯熄灭。
图5 2引脚双色LED灯驱动电路
总结
本文仅是简单的介绍了嵌入式硬件设计中LED驱动，但整体嵌入式硬件设计对于技术指标的要求是较高的，若产品设计环节可以选用合适核心板进行开发设计。ZLG致远电子嵌入式产品经过近二十年的设计经验积累，从产品的RTC时钟，电源管理，ESD防护电路，各类通讯接口等方面全面保证产品的稳定性。
ZLG致远电子从2001年从8位单片机方案设计开始，逐步掌握ARM7、ARM9、Cortex-A7、A8、A9、M7以及最前沿的A53等ARM体系的处理器应用技术，拥有全系列的工业级ARM核心板与工控机。
同时，基于对嵌入式技术的理解与积累，ZLG自主研发下一代软件开发平台-Aworks实时操作系统，帮助用户基于稳定的软硬件平台快速实现产品开发，基于ZLG工业级核心板/工控板开发的产品已广泛应用于电力、轨道交通、工业现场、医疗等对产品可靠性要求较为苛刻的场合，并不断深入为各行业提供整套行业应用解决方案。
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