在各類水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備中，經(jīng)常需要用到各種波長(zhǎng)的LED進(jìn)行吸光度的測(cè)量。在這個(gè)過(guò)程中，測(cè)量的精度和重復(fù)性跟許多因素有關(guān)，其中最重要的一個(gè)因素是LED的光通量，而LED的光通量往往跟其驅(qū)動(dòng)方式相關(guān)。為了保證在設(shè)備的整個(gè)生命周期內(nèi)LED的光通量能夠恒定不變，往往采用恒流驅(qū)動(dòng)LED以及光通量補(bǔ)償?shù)确椒?。恒流?qū)動(dòng)LED方式由于其方法簡(jiǎn)單，電路形式容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采用。

什么是恒流驅(qū)動(dòng)LED？顧名思義，恒流驅(qū)動(dòng)就是以恒定的電流進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，確保流過(guò)LED兩端的電流保持不變，并且?guī)缀醪粫?huì)受到外部因素的影響。LED屬于電流型器件，當(dāng)有電流流過(guò)時(shí)，LED內(nèi)部的特殊材料會(huì)通過(guò)電子遷移的方式把這個(gè)電流轉(zhuǎn)化為光子輻射出去。輻射的光子量跟流過(guò)LED的電流成正比，因此要想保證LED的光通量恒定，只要對(duì)LED進(jìn)行恒流驅(qū)動(dòng)即可。

如何才能實(shí)現(xiàn)恒流驅(qū)動(dòng)LED？先來(lái)看看最簡(jiǎn)單最常見(jiàn)的LED驅(qū)動(dòng)電路，如下圖。

R1起到限流作用，一般的，LED導(dǎo)通時(shí)的管壓降大概在1.2V~2.2V范圍，這個(gè)需要根據(jù)LED手冊(cè)來(lái)定。如果我們想要讓10mA的電流流過(guò)LED，那么R1的取值范圍大概可以這么估算出來(lái)：R1 = (5-2.2)/0.01 ~ (5-1.2)/0.01  = 240~380Ω。我們都知道，LED的管壓降具有明顯的溫度特性，而且是負(fù)溫度特性，也就是說(shuō)隨著LED長(zhǎng)時(shí)間工作，內(nèi)部產(chǎn)生的熱量使得其溫度升高，加上周圍環(huán)境溫度的影響，管壓降將會(huì)變得更小。因此這個(gè)電路中，一旦R1取值固定，隨著工作時(shí)間的推移，流過(guò)LED的電流會(huì)慢慢的變大，導(dǎo)致LED的光通量在整個(gè)設(shè)備的工作過(guò)程中產(chǎn)生變化，繼而影響到設(shè)備的測(cè)量精度和穩(wěn)定性。這個(gè)電路，只能用來(lái)驅(qū)動(dòng)指示用途的LED，并不能用來(lái)驅(qū)動(dòng)分光光度的光源。為了解決上述提到的問(wèn)題，盡量消除LED溫度特性影響，確保LED的電流和光通量恒定，分光光度的光源一般采用如下圖的恒流驅(qū)動(dòng)方式。

為了達(dá)到恒流目的，此驅(qū)動(dòng)電路采用了運(yùn)算放大器進(jìn)行負(fù)反饋處理，實(shí)時(shí)采樣流過(guò)LED的電流參與閉環(huán)調(diào)節(jié)。其中，R1和R2的作用是對(duì)VCC進(jìn)行分壓獲取參考電壓，Rs的作用是進(jìn)行電流采樣，流過(guò)LED的電流可以根據(jù)下面的公式來(lái)計(jì)算：

在實(shí)際應(yīng)用中，R2可以采用可調(diào)電位器，目的是為了方便調(diào)節(jié)流過(guò)LED的電流。比如，R1 = 10K，R2 = 2K，Vcc = 12V，Rs = 200Ω時(shí)，流過(guò)LED的電流等于10mA。通過(guò)上述電路的處理，可以保證LED處于恒流驅(qū)動(dòng)狀態(tài)。這要非常感謝運(yùn)放和三極管的參與，因?yàn)檫\(yùn)放的負(fù)反饋?zhàn)饔?，使得每時(shí)每刻流過(guò)LED的電流所發(fā)生的微小變化能夠察覺(jué)出來(lái)并立刻對(duì)三極管的線性工作狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)，確保10mA恒定可靠的長(zhǎng)時(shí)間流過(guò)LED，同時(shí)也消除了LED管壓降的結(jié)溫以及環(huán)境溫度的影響。

目前大部分水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)設(shè)備的光源驅(qū)動(dòng)電路都采用上述形式的驅(qū)動(dòng)電路。

但是上述的恒流驅(qū)動(dòng)電路仍然存在以下幾個(gè)缺點(diǎn)：

1、 電流的調(diào)節(jié)非常不方便，并且不能做到實(shí)時(shí)連續(xù)的調(diào)節(jié)。一旦確定了所需電流值，R1和R2的阻值也就確定下來(lái)，如果下次想改變電流值，需要人為手動(dòng)的進(jìn)行電位器調(diào)節(jié)，這是非常麻煩和令人頭痛的。

2、 恒流精度受到影響。恒流的精度除了跟采樣電阻Rs的精度相關(guān)之外，還跟R1和R2的精度相關(guān)。況且，R2通常是可調(diào)電位器，在手動(dòng)調(diào)節(jié)的情況下，電阻值的精度難免會(huì)受到極大的影響，即使Rs取了0.1%精度級(jí)別的精密電阻，上述電路的恒流精度也達(dá)不到這么高的精度級(jí)別。粗略估算，上述電路的恒流精度能達(dá)到2%就非常不錯(cuò)了。

3、 高端負(fù)載引起干擾。上述電路中，LED是串聯(lián)在電源和三極管之間的，這種接法稱之為高端負(fù)載。高端負(fù)載相比于低端負(fù)載，具有浮地性質(zhì)，現(xiàn)實(shí)情況中，LED的引線通常會(huì)比較長(zhǎng)，大約1m長(zhǎng)的引線，這么長(zhǎng)的引線，對(duì)于高端負(fù)載而言，是極易受到外部電磁干擾的，無(wú)形中給設(shè)備帶來(lái)了不穩(wěn)定性因素。

為了解決上述的問(wèn)題，深圳市億維自動(dòng)化技術(shù)有限公司對(duì)上述電路進(jìn)行了改進(jìn)優(yōu)化以及測(cè)試驗(yàn)證，讓光源能夠得到真正意義的恒流驅(qū)動(dòng)以及具備恒定的光通量特性。億維自動(dòng)化把改良后的電路嵌入到其水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)控制單元的Ao輸出部分中，讓LED的恒流驅(qū)動(dòng)使用起來(lái)十分便利和可靠。因?yàn)槭乔度胧娇刂?，隨心所欲的對(duì)LED的電流進(jìn)行恒定調(diào)節(jié)將變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。此時(shí)只需在控制程序部分中，對(duì)Ao輸出部分的相關(guān)寄存器進(jìn)行賦值即可得到精確度達(dá)到±0.1%級(jí)別的電流。

深圳市億維自動(dòng)化技術(shù)有限公司專注于在線監(jiān)測(cè)領(lǐng)域嵌入式開(kāi)發(fā)已有多年之久，能夠?yàn)樵诰€監(jiān)測(cè)領(lǐng)域提供整體解決方案。從上至下，從交互界面組態(tài)到各種泵體、閥門機(jī)構(gòu)，各種不同波長(zhǎng)的光源和光感傳感器，再到底層控制單元，億維自動(dòng)化通過(guò)自身在監(jiān)測(cè)領(lǐng)域積累的豐富經(jīng)驗(yàn)，立足于技術(shù)的創(chuàng)新開(kāi)發(fā)，給廣大客戶帶來(lái)不同尋常的體驗(yàn)。

下圖是億維自動(dòng)化研發(fā)的專用于水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)的嵌入式控制單元。

此控制單元結(jié)合PLC的優(yōu)點(diǎn)，采用圖形化的編程方式，非常便捷，上手也非常快。除了具備工業(yè)控制產(chǎn)品PLC的穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)之外，此控制單元還對(duì)光源的驅(qū)動(dòng)部分做了如下改進(jìn)：

1、 采用業(yè)內(nèi)最高級(jí)別的運(yùn)放進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，確保失調(diào)電壓、失調(diào)電流以及溫漂對(duì)光源的恒流驅(qū)動(dòng)的影響降到最小。

2、 所有電阻均采用進(jìn)口高精密電阻，尤其是電流采樣電阻，其溫漂和穩(wěn)定性都得到可靠的保證。

3、 對(duì)于常用的恒流驅(qū)動(dòng)電路而言，參考電壓的獲取是通過(guò)調(diào)節(jié)電位器得到的，而對(duì)于億維自動(dòng)化的控制單元，參考電壓的獲取是由高分辨率的DAC(數(shù)模轉(zhuǎn)換)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，真正實(shí)現(xiàn)了在線式可編程恒流源驅(qū)動(dòng)，避免了因電位器機(jī)械接觸所產(chǎn)生的誤差和振動(dòng)環(huán)境帶來(lái)的失效風(fēng)險(xiǎn)。

4、 低端負(fù)載接線方式，避免LED的長(zhǎng)引線而帶來(lái)的電磁干擾問(wèn)題。

5、 所有的Ao輸出口均具備短路保護(hù)功能，即使出現(xiàn)負(fù)載短路的情況也絕不會(huì)損壞控制單元內(nèi)部電路。

下圖是此控制單元的光源驅(qū)動(dòng)電路示意圖：

可以看得出，恒流驅(qū)動(dòng)電路的參考電壓直接由DAC給定，而DAC的數(shù)值是由控制程序根據(jù)整個(gè)設(shè)備工藝對(duì)吸光度的要求而進(jìn)行編程給定。在這里，我們延續(xù)了傳統(tǒng)的工業(yè)控制經(jīng)常采用的數(shù)據(jù)格式，這個(gè)控制板的恒流驅(qū)動(dòng)輸出電流范圍是0-20mA(可變更為更寬的輸出范圍，請(qǐng)跟我們聯(lián)系)，對(duì)應(yīng)的編程數(shù)據(jù)范圍是：

0-32000。如果想以15mA的恒定電流對(duì)LED負(fù)載進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，那么只需在寄存器里進(jìn)行賦值24000即可，這里的寄存器是AQWx，x代表通道號(hào)的意思，如果是第0通道，那么x=0，如果是第一通道，那么x=1，依次類推。使用起來(lái)非常便捷直觀，工程師們?cè)僖膊挥脼殡娢黄鞯男o失效而發(fā)愁了。

下圖是此控制單元的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用圖，分別用來(lái)對(duì)600nm的橙光以及660nm的紅光的LED光源進(jìn)行恒流驅(qū)動(dòng)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)試驗(yàn)證，其光通量以及設(shè)備測(cè)量出來(lái)的吸光度很穩(wěn)定，精度誤差可達(dá)到±0.5%級(jí)別。