在各類水質監測設備中，經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，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動方式相關。為了保證在設備的整個生命周期內LED的光通量能夠恒定不變，往往采用恒流驅動LED以及光通量補償等方法。恒流驅動LED方式由于其方法簡單，電路形式容易實現等優點而被廣泛采用。

什么是恒流驅動LED？顧名思義，恒流驅動就是以恒定的電流進行驅動，確保流過LED兩端的電流保持不變，并且幾乎不會受到外部因素的影響。LED屬于電流型器件，當有電流流過時，LED內部的特殊材料會通過電子遷移的方式把這個電流轉化為光子輻射出去。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進行恒流驅動即可。

如何才能實現恒流驅動LED？先來看看最簡單最常見的LED驅動電路，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，內部產生的熱量使得其溫度升高，加上周圍環境溫度的影響，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生變化，繼而影響到設備的測量精度和穩定性。這個電路，只能用來驅動指示用途的LED，并不能用來驅動分光光度的光源。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動方式。

為了達到恒流目的，此驅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的電流參與閉環調節。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的電流可以根據下面的公式來計算：

在實際應用中，R2可以采用可調電位器，目的是為了方便調節流過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處于恒流驅動狀態。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進行調節，確保10mA恒定可靠的長時間流過LED，同時也消除了LED管壓降的結溫以及環境溫度的影響。

目前大部分水質在線監測設備的光源驅動電路都采用上述形式的驅動電路。

但是上述的恒流驅動電路仍然存在以下幾個缺點：

1、 電流的調節非常不方便，并且不能做到實時連續的調節。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節，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的精度相關之外，還跟R1和R2的精度相關。況且，R2通常是可調電位器，在手動調節的情況下，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，現實情況中，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定性因素。

為了解決上述的問題，深圳市億維自動化技術有限公司對上述電路進行了改進優化以及測試驗證，讓光源能夠得到真正意義的恒流驅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在線監測控制單元的Ao輸出部分中，讓LED的恒流驅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的電流進行恒定調節將變為現實。此時只需在控制程序部分中，對Ao輸出部分的相關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有限公司專注于在線監測領域嵌入式開發已有多年之久，能夠為在線監測領域提供整體解決方案。從上至下，從交互界面組態到各種泵體、閥門機構，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測領域積累的豐富經驗，立足于技術的創新開發，給廣大客戶帶來不同尋常的體驗。

下圖是億維自動化研發的專用于水質在線監測的嵌入式控制單元。

此控制單元結合PLC的優點，采用圖形化的編程方式，非常便捷，上手也非?？臁３司邆涔I控制產品PLC的穩定可靠等優點之外，此控制單元還對光源的驅動部分做了如下改進：

1、 采用業內最高級別的運放進行驅動，確保失調電壓、失調電流以及溫漂對光源的恒流驅動的影響降到最小。

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

3、 對于常用的恒流驅動電路而言，參考電壓的獲取是通過調節電位器得到的，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(數模轉換)來實現的，真正實現了在線式可編程恒流源驅動，避免了因電位器機械接觸所產生的誤差和振動環境帶來的失效風險。

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，即使出現負載短路的情況也絕不會損壞控制單元內部電路。

下圖是此控制單元的光源驅動電路示意圖：

可以看得出，恒流驅動電路的參考電壓直接由DAC給定，而DAC的數值是由控制程序根據整個設備工藝對吸光度的要求而進行編程給定。在這里，我們延續了傳統的工業控制經常采用的數據格式，這個控制板的恒流驅動輸出電流范圍是0-20mA(可變更為更寬的輸出范圍，請跟我們聯系)，對應的編程數據范圍是：

0-32000。如果想以15mA的恒定電流對LED負載進行驅動，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愁了。

下圖是此控制單元的現場實際應用圖，分別用來對600nm的橙光以及660nm的紅光的LED光源進行恒流驅動，經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定，精度誤差可達到±0.5%級別。