最近幾年LED高輝度化與多色化的結果，使得LED的應用逐急遽拓展到顯示光源、航空導引燈、LCD背光照明模組、信號燈具、揭示板、室內照明等領域，一般認為發光二極體未來可望取代螢光燈，成為主要照明光源。
LED的特性
如圖一所示發光二極體的點燈，必需使電流從發光二極體的陽極朝陰極流動，該電流稱為「順向電流」，為流動順向電流要求如圖一(b)的驅動架構。
此外發光二極體的驅動架構本質，就是使流入發光二極體的電流限制在一定值，形成所謂的「電流限制電路」。
圖二的小燈泡的點燈結構若與圖1的電路比較，由圖可以發現兩者最大差異是圖一的電源與發光二極體之間，設有發光二極體的點燈裝置。一般基礎物理教科書只提到改變電池數量與接線方式，以及對燈泡施加電壓與亮度的關係，卻沒介紹燈泡的電氣特性。
此處根據圖三的方法，量測燈泡的電壓－電流特性。所謂「電壓－電流特性」是指改變電壓時顯示電流變化的特性而言。依照歐姆法則阻抗值可以利用電壓/電流求得，因此燈泡的電壓－電流特性能夠從阻抗值求得。
接著使用圖四的方法，測試發光二極體的電壓－電流特性，測試對象為編號SLR-342MG、砲彈型綠光發光二極體；燈泡使用2種型式，分別是1.5V/0.3A與2.5V/0.3A兩種。
圖五是發光二極體與小燈泡的電壓、電流特性比較結果，如圖所示雖然小燈泡的阻抗只有3～4Ω非常低，不過中途卻有14～15Ω的變化；相較之下發光二極體低電壓時的阻抗高達88Ω，中途阻抗急遽降低有14Ω的變化。
此外小燈泡從高阻抗開始變化幾乎點亮，發光二極體則從低阻抗開始變化，1.8V附近才逐漸點亮。
小燈泡的1.5V與2.5V額定電壓附近，即使電壓變動電流也不會增加，以1.5V的小燈泡為例，施加的電壓與電流的關係，依照圖五所示分別如下：
- ●1.4V時為217mA
- ●1.5V時為223.9mA
- ●1.6V時為231.4mA
電壓±0.1V變動時的電流變動量ΔI，根據下式計算結果為14.4mA。
- ΔI＝231.4mA－217.0mA＝14.4mA
假設以1.5V時223.9mA的電流為基準，電流變動率ΔIdirft (％)為:
- ΔIdirft＝ΔI/I×100％＝144.4mA/(223.9mA)×100％＝6.4％
由於電壓變動電流也不會增加，因此圖二的小燈泡，直接與「電壓源」連接就能夠點亮。有關發光二極體的點燈方法，依照圖五所示，施加至發光二極體的電壓與電流的關係分別如下:
- ●1.9V時為2.7mA
- ●2.0V時為8.0mA
- ●2.1V時為15.8mA
電壓±0.1V變動時的電流變動量ΔI，根據下式計算結果為13.1mA。
雖然上述絕對值與上述小燈泡非常類似，不過若將2.0V時8.0mA電流當作基準考慮，電流變動率ΔIdirft(％)就變成:
- ΔIdirft＝ΔI/I×100％＝(13.1mA/8.0mA)×100％＝16.4％
表一是綠光發光二極體SLR-342MG，與兩個小燈泡的電氣與光學特性一覽，表中的發光二極體光度，是指發光二極體順向電流10mA時，規定的「16mcd」代表值。
綠光LED SLR-342MG的電氣與光學特性
樹脂顏色 |
順向電壓VFtyp(V)
(IF＝10mA) |
順向電流IRmax(μA)
(VR＝3V) |
發光波長λtyp(nm)
(IF＝10mA) |
光度IV(mcd)
(IF＝10mA) |
峰值 |
半值幅 |
min |
typ |
著色擴散 |
2.1 |
10 |
563 |
40 |
5.6 |
16 |
如圖六所示發光二極體的順向電流與亮度幾乎呈比例，當發光二極體的順向電流從2.7mA變成15.8mA時，亮度會作6倍變動，此時為避免亮度改變，必需以一定的電流使發光二極體發光。
根據上述的1.9V時為2.7mA、2.0V時為8.0mA、2.1V時為15.8mA等特性可知，發光二極體屬於「即使電壓稍微變動，流動的電流也會發生巨大變動」的半導體元件。
發光二極體的順向電流如圖七所示，周圍溫度40℃為25mA，如果不施加電流限制直接使用的話，由於電壓變動的影響，順向電流可能會超過25mA的最大額定值。
換句話說理論上2.0V的電源可以使發光二極體精確動作，不過前提是2.0V/8.0mA時，周圍溫度必需限制在25℃範圍內，主要原因發光二極體的順向電壓具備－2mV/℃溫度係數，溫度上升1℃順向電壓會減少2mV，周圍溫度變高、低電壓時會有大電流流動，即使以2.0V精確的「電壓源」使發光二極體發光，實際上周圍溫度一旦變高，發光二極體內部會有超過8.0mA以上的電流流動。
根據測試資料顯示，如果周圍溫度上升至50℃，電流會8.0mA從上升到15.8mA
，由於發光二極體的亮度取決於電流值，因此發光二極體與傳統白熾小燈泡不同，必需以「電流源」使發光二極體發光。
LED發光的電壓－電流模型
圖五的電壓－電流特性曲線又稱作「非線性曲線」，它是指歐姆法則訴求的阻抗特性而言。圖八是線形電路與非線形電路的差異比較，能夠利用歐姆法則或是Kirchhoffsches法則計算，只有「線形電路」。
結語
本文介紹發光二極體的光電特性，同時深入探討驅動時要求的定電流電源電路設計方法。發光二極體的點燈，通常只要使用誤差±5％的電阻施加限制電流即可，不過類似液晶面板用背光照明模組，利用複數個相同發光色的發光二極體並排使用的場合，除了發光二極體的定電流電源電路之外，還需要考慮製作批次造成發光二極體的輝度分佈問題。
主要原因是發光二極體的輝度分佈介於5.6～16mcd之間，最小值與最大值相差3倍，如果使用相同製作批次的發光二極體，比較沒有明顯輝度分佈現象，此時巧妙配合使用相同電源的驅動電路設計，人眼的視覺感度幾乎無法辨識相同發光色發光二極體造成的輝度分佈不均現象。
高輝度發光二極體的單價持續下跌，發光效率則每年不斷更新記錄，加上發光二極體背光照明模組備受好評的大環境下，大型與中型液晶顯示器用發光二極體背光照明模組驅動器，為充分反映市場要求，不斷進行技術革新與進化，其結果造成傳統冷陰極燈管背光照明模組，快速被發光二極體背光照明模組取代，為了使新型發光二極體元件，不論是在顯示器或是一般照明領域，都能夠作最大限度的應用，未來新世代驅動器的開發，勢必成為業者另一個嚴峻的挑戰。
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