淺談 LED 驅動連接方式

，LED (Light-Emitting Diode) 發光二極體是現在很夯的東西，省電、顏色多樣，現在外面很多的霓虹燈 (看檳榔攤就知道) 幾乎都被汰換成 LED了，以後連我們所用的照明設備也會開始進入到 LED 稱霸的世界；但是驅動 LED 一般都是使用直流電 (直流電就是頻率為"0"的電壓，而交流電就是會隨時間做週期性變化的電壓，LED 可直接使用交流電壓，但是必須符合其特性下所使用)，可直接使用交流電的 LED 應該在不久的將來就可以看到了。

NOKIA 說"科技始終來自於人性"，上面講的其實在未來就有可能被人性化的需求所取代，等一下文中所要講的 LED 驅動方式，或許在不久的將來就會變的不一樣了，誰也說不定吧！

廢話不多說！本文中所要談的是現在大家常用的 LED 驅動連接方式，因為驅動電路的設計與選擇和 LED 所選用的排列方式一定的關連性，這關係到 LED 的可靠度與亮度穩定性。
如何從 LED 外觀得知其極性 (來自維基百科)；當 LED 接腳不容易看出時，可觀察LED內部，內部較大的就是陰 (-) 極，小的是陽 (+) 極；另外還可以觀察，有平邊的那一邊是陰 (-) 極。

LED 電子符號表示 (來自維基百科)。

上面的圖片是關於判斷 LED 極性的重要特徵，未經使用的 LED 是最好判斷的，兩支接腳中較長的是陽 (+) 極，短的是陰 (-) 極；但儒果是使用過的或是焊在電路板上，此時要判斷 LED 極性就是直接使用上面介紹的方法。錯誤的極性連接會導致 LED 損毀，須特別注意！

LED 連接可分為串聯、並聯與串並聯，不同的連接方式所需要的供應電壓與電流都不同，因此在使用前必須進行計算才能讓 LED 正常動作。

在了解如何計算供應電壓與電流前，LED 順向電壓 (V_Fmax, Maximum Forware Voltage) 、 順向電流(I_Fmax, Maximum Forware Current) 必須在使用前先知道，不同顏色 (製作材料) 會有不同的 V_F 和 I_F 值，一般若是沒有特別說明或是不是很特別的 LED，可以使用下面表格所提供的數值作為參考，詳細數據就要參考你所購買的 LED 資料表。

顏色	IFmax (順向電流)	VFmax (順向電壓)
紅	20~25 mA	2.0 V
黃	20~25 mA	2.5 V
綠	20~25 mA	2.5 V
藍	20~25 mA	3.2 V
白光	20~25 mA	3.2 V

LED 串聯：

首先假設每一顆 LED 的順向電壓 VFmax 為 2.0 V、順向電流 IFmax 為 20 mA，使用 N 顆 LED 串在一起，若 N = 5，則 所需要的最小順向電壓：2.0 x N  = 10 V，只要大於 10V，LEDs 就會亮；假設這一串 LED 使用 12V 的電源供應， V+ = 12 V。 由於是串聯，所以通過每一顆 LED 的順向電流都會是一樣，由條件中可以知道 LED 最大的順向電流限制為 20 mA，因此我們必須控制通過這一串 LED 的電流值在這個範圍內；當然順向電流越大 LED 越亮，相對的也意味著耗電，視你的需要選擇合適的順向電流就可以，不要超過最大順向電流的限制就好。 若要限制通過這串 LED 的  IF 電流在 10 mA，則必須加入一顆限流電阻 R 來得到期望電流 10 mA， 由歐姆定律 V = IF x R，R = (12 - (2.0 x 5) ) / 10mA = 200 OHMS 電阻瓦特數由 P =  IF x V = 10 mA x (12 - (2 x 5)) V = 20 mW

LED 並聯：
假設每一顆 LED 的順向電壓 V_Fmax 為 3.0 V、欲設計LED 順向電流 I_F 為 10 mA、電源 V+ 為 5.0 V

	計算最小的電源供應：V = VF =3.0 V 計算最小的電流供應：I = IF x N 計算最小應使用的電阻瓦數：P = I x V = (IF x N) x (2) 若 N = 4、V+ = 5.0 V，則由上面公式計算中可得 R = ((V+) - VF) / I = (5 - 3) / (10 mA x 4) = 50 OHMS P = I x V = (10 mA x 4)  x (5 - 3) = 80 mW 選用的電阻值要大於 50 OHMS、大於 80 mW 像這種形式的 LED 並聯盡量避免使用，因為在並聯的每一顆 LED 要有屬於自己的限流電阻；若以上面所計算出來的數值，4 顆 LED 每一顆限制在 10 mA，若是其中有一顆壞掉了則剩下的三顆 LED 會因為電流分流的關係，重新分配到 13.66 mA 的電流，電流會突然增大，增加 LED 損壞的機會；這是左列並聯電路的其中一個缺點，不建議使用。
	而像左列每一顆 LED 上面都有一個限流電阻的方式是較好的，通過每一組 LED 的電壓都一樣，計算上只要個別針對每一組 LED 做計算即可，也就是利用上面 "LED 串聯" 的計算方式將 N 設定為 "1"。 所以每一組 LED 都是唯一個單獨的 LED 船聯電路做計算即可，所以可以使用來並接不同顏色的 LED (麻煩的是必須要串電阻)

LED 串並聯：

將上面 "LED 並聯" 第二種形式擴展，每一組 LED 不再是單獨一顆而是多顆串接；同樣的計算方式也一樣將各組 LED 視為單一個 "LED 串聯" 電路做計算則可。 舉個例子，假設有三組 LED，顏色和順向電流需求為：綠色 6 顆 (VFmax = 2.5 V， IF = 10 mA)、紅色 5 顆 (VFmax = 2.0 V， IF = 15 mA)、藍色  8 顆 (VFmax = 2.5 V， IF = 5 mA)，求最小需求的電源與電流值、限流電阻值及瓦數? 最小需求電源則取這三串 LED 需求的順向電壓最大值， VF(綠色) = 2.5 x 6 = 15 V VF(紅色) = 2.0 x 5 = 10 V VF(藍色) = 3.2 x 8 =  25.6 V V(min) = MAX(VF(綠色)，VF(紅色)，VF(藍色)) = 25.6 V

最小需求電流值則是將這三串的 LED 需要的順向電流加總，

I_(min) =  I_F(綠色)+  I_F(紅色)+ I_F(藍色) = 10 mA + 15 mA + 5 mA = 30 mA


所以由上面所得知的最小需求電源與電流可以知道，你所設計與購買的電源供應器必須大於上面最小的電源供應與電流需求。

接下來，計算每組 LED 的限流電阻與瓦數，這邊我們假設所提供的電源為 30 V，可提供最大 0.5A 的電流。設計限流電阻時，只會用到 30V 這個值。

R1 = ((V+) - V_F(綠色) / ( I_F(綠色) ) = (30 - 15) / 10 mA = 1.5 K OHMS
P1 =  I_F(綠色)  x ((V+) - V_F(綠色) = 10 mA x (30 - 15) = 150 mW

R1 = ((V+) - V_F(紅色) / ( I_F(紅色) ) = (30 - 10) / 15 mA =  1.33 K OHMS

P1 =  I_F(紅色)  x ((V+) - V_F(紅色) = 15 mA x (30 - 10) =  300 mW

R1 = ((V+) - V_F(藍色) / ( I_F(藍色) ) = (30 - 25.6) / 5 mA = 880 OHMS

P1 =  I_F(藍色)  x ((V+) - V_F(藍色) = 5 mA x (30 - 25.6) =  0.022 mW

各組 LED 的限流電阻選用大於上面所計算出來的值即可。

當然還有其他的 LED 排列方式，例如如下使用 proteus 模擬 LED 交叉式陣列排列方式，

LED 的 V_F = 2.2 V，通過電流為 5 mA，模擬出來的值與計算非常接近。

說到這邊，不曉得大家對於 LED 驅動上是否有一些了解? 不管是何種 LED 排列方法，主要的還是要能提供穩定且耐用的電源供應，因此現在在市面上出現很多的 LED 驅動晶片，不過這不在討論的範圍之內，有興趣的可以找一些電源設計相關的書籍研究。

如果大家對於製作 LED 燈有興趣的話，可以看一下另一篇文章："利用家中廢棄的省電燈泡，自製 LED 燈泡 (使用阻容降壓)"。