在各類水質(zhì)監(jiān)測設備中，經(jīng)常需要用到各種波長的LED進行吸光度的測量。在這個過程中，測量的精度和重復性跟許多因素有關(guān)，其中最重要的一個因素是LED的光通量，而LED的光通量往往跟其驅(qū)動方式相關(guān)。為了保證在設備的整個生命周期內(nèi)LED的光通量能夠恒定不變，往往采用恒流驅(qū)動LED以及光通量補償?shù)确椒?。恒流?qū)動LED方式由于其方法簡單，電路形式容易實現(xiàn)等優(yōu)點而被廣泛采用。

什么是恒流驅(qū)動LED？顧名思義，恒流驅(qū)動就是以恒定的電流進行驅(qū)動，確保流過LED兩端的電流保持不變，并且?guī)缀醪粫艿酵獠恳蛩氐挠绊?。LED屬于電流型器件，當有電流流過時，LED內(nèi)部的特殊材料會通過電子遷移的方式把這個電流轉(zhuǎn)化為光子輻射出去。輻射的光子量跟流過LED的電流成正比，因此要想保證LED的光通量恒定，只要對LED進行恒流驅(qū)動即可。

如何才能實現(xiàn)恒流驅(qū)動LED？先來看看最簡單最常見的LED驅(qū)動電路，如下圖。

R1起到限流作用，一般的，LED導通時的管壓降大概在1.2V~2.2V范圍，這個需要根據(jù)LED手冊來定。如果我們想要讓10mA的電流流過LED，那么R1的取值范圍大概可以這么估算出來：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，而且是負溫度特性，也就是說隨著LED長時間工作，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，管壓降將會變得更小。因此這個電路中，一旦R1取值固定，隨著工作時間的推移，流過LED的電流會慢慢的變大，導致LED的光通量在整個設備的工作過程中產(chǎn)生變化，繼而影響到設備的測量精度和穩(wěn)定性。這個電路，只能用來驅(qū)動指示用途的LED，并不能用來驅(qū)動分光光度的光源。為了解決上述提到的問題，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)動方式。

為了達到恒流目的，此驅(qū)動電路采用了運算放大器進行負反饋處理，實時采樣流過LED的電流參與閉環(huán)調(diào)節(jié)。其中，R1和R2的作用是對VCC進行分壓獲取參考電壓，Rs的作用是進行電流采樣，流過LED的電流可以根據(jù)下面的公式來計算：

在實際應用中，R2可以采用可調(diào)電位器，目的是為了方便調(diào)節(jié)流過LED的電流。比如，R1 = 10K，R2 = 2K，Vcc = 12V，Rs = 200Ω時，流過LED的電流等于10mA。通過上述電路的處理，可以保證LED處于恒流驅(qū)動狀態(tài)。這要非常感謝運放和三極管的參與，因為運放的負反饋作用，使得每時每刻流過LED的電流所發(fā)生的微小變化能夠察覺出來并立刻對三極管的線性工作狀態(tài)進行調(diào)節(jié)，確保10mA恒定可靠的長時間流過LED，同時也消除了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)測設備的光源驅(qū)動電路都采用上述形式的驅(qū)動電路。

但是上述的恒流驅(qū)動電路仍然存在以下幾個缺點：

1、 電流的調(diào)節(jié)非常不方便，并且不能做到實時連續(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，如果下次想改變電流值，需要人為手動的進行電位器調(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，在手動調(diào)節(jié)的情況下，電阻值的精度難免會受到極大的影響，即使Rs取了0.1%精度級別的精密電阻，上述電路的恒流精度也達不到這么高的精度級別。粗略估算，上述電路的恒流精度能達到2%就非常不錯了。

3、 高端負載引起干擾。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載。高端負載相比于低端負載，具有浮地性質(zhì)，現(xiàn)實情況中，LED的引線通常會比較長，大約1m長的引線，這么長的引線，對于高端負載而言，是極易受到外部電磁干擾的，無形中給設備帶來了不穩(wěn)定性因素。

為了解決上述的問題，深圳市億維自動化技術(shù)有限公司對上述電路進行了改進優(yōu)化以及測試驗證，讓光源能夠得到真正意義的恒流驅(qū)動以及具備恒定的光通量特性。億維自動化把改良后的電路嵌入到其水質(zhì)在線監(jiān)測控制單元的Ao輸出部分中，讓LED的恒流驅(qū)動使用起來十分便利和可靠。因為是嵌入式控制，隨心所欲的對LED的電流進行恒定調(diào)節(jié)將變?yōu)楝F(xiàn)實。此時只需在控制程序部分中，對Ao輸出部分的相關(guān)寄存器進行賦值即可得到精確度達到±0.1%級別的電流。

深圳市億維自動化技術(shù)有限公司專注于在線監(jiān)測領域嵌入式開發(fā)已有多年之久，能夠為在線監(jiān)測領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、閥門機構(gòu)，各種不同波長的光源和光感傳感器，再到底層控制單元，億維自動化通過自身在監(jiān)測領域積累的豐富經(jīng)驗，立足于技術(shù)的創(chuàng)新開發(fā)，給廣大客戶帶來不同尋常的體驗。

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

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

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

2、 所有電阻均采用進口高精密電阻，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、 對于常用的恒流驅(qū)動電路而言，參考電壓的獲取是通過調(diào)節(jié)電位器得到的，而對于億維自動化的控制單元，參考電壓的獲取是由高分辨率的DAC(數(shù)模轉(zhuǎn)換)來實現(xiàn)的，真正實現(xiàn)了在線式可編程恒流源驅(qū)動，避免了因電位器機械接觸所產(chǎn)生的誤差和振動環(huán)境帶來的失效風險。

4、 低端負載接線方式，避免LED的長引線而帶來的電磁干擾問題。

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

下圖是此控制單元的光源驅(qū)動電路示意圖：

可以看得出，恒流驅(qū)動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)整個設備工藝對吸光度的要求而進行編程給定。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，這個控制板的恒流驅(qū)動輸出電流范圍是0-20mA(可變更為更寬的輸出范圍，請跟我們聯(lián)系)，對應的編程數(shù)據(jù)范圍是：

0-32000。如果想以15mA的恒定電流對LED負載進行驅(qū)動，那么只需在寄存器里進行賦值24000即可，這里的寄存器是AQWx，x代表通道號的意思，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。使用起來非常便捷直觀，工程師們再也不用為電位器的旋鈕失效而發(fā)愁了。

下圖是此控制單元的現(xiàn)場實際應用圖，分別用來對600nm的橙光以及660nm的紅光的LED光源進行恒流驅(qū)動，經(jīng)過長時間的測試驗證，其光通量以及設備測量出來的吸光度很穩(wěn)定，精度誤差可達到±0.5%級別。