由LED渐亮发光所想到：打印机如何控制LED？

观察用了几年的Brother喷墨打印机，注意到它的软开关上方有一个不显眼的绿色LED(图1)。该LED的占空比很有趣：熄灭大约三秒钟，然后再在大约一秒钟内上升到最高亮度，随后又在大约一秒内衰减回完全熄灭，最后又进入熄灭状态，循环再次开始(图2)。只要打印机正常打开和待机，无论是处于打印还是静止模式，都会重复该循环。

图1：Brother打印机上几乎看不见的绿色LED(在箭头处)缓慢地亮起和熄灭，以表明设备已就绪，即使处于待机状态。资料来源：Brother International Corp

图2：绿色LED的上升/下降计时周期平稳且缓慢，总周期为5秒。资料来源：Bill Schweber

据我所知，这个LED的作用是指示“本机已做好打印准备”。我怀疑，光强度增/减的慢速渐变是用硬开关闪烁来代替的，它不会以尖叫方式来吸引你的注意力，因为这只是一种“确定”类信号。

该指示灯LED动作的缓慢升/降斜坡动作，让我对一个基本的模拟电路问题产生了疑问：打印机如何控制LED？由于我无法看到原理图或代码，我只能推测可能的方法。请记住，这是一种非关键性能，即便是LED的强度及其计时可能会变化10%甚至20%，设备仍归属正常。

几分钟内，我想到了如下几种可能性：

电压源驱动方式

驱动LED的最简单方法是从电压源通过限流电阻器(图3)。该方法不太精美，也不节能，但价格便宜，而且很实用。一个软件控制的电压输出数模转换器(DAC)可以提供所需的电压，并且一小段代码即可将DAC输出转换成斜坡周期和定时。只要电阻器和LED的尺寸比较小，且是单线供电，而效率偏低在这里不会成为什么问题。

图3：通过限流电阻器从受控电压源驱动LED是不必要的，但可以工作。资料来源：Bill Schweber

电流源驱动方式

技术上更“合适”的方法是使用DAC控制的电流源来驱动LED，同样要使用一些代码来管理DAC(图4)。

图4：纯电流源是驱动LED的更好方法。资料来源：Bill Schweber

处理器输出驱动

另一种方法可能是使用来自系统处理器的数字输出(GPIO)位，通过二极管将一些电荷泵入到小电容器中，然后电容器放电并通过电阻器向LED提供电流。图5是一个非常简化的电路，如果GPIO位能够通过控制一个晶体管来打开和关闭来自系统轨的电流的话，其工作性能会更好。通过调整电阻器和电容器构成的时间常数以适应所需的升/降速率，以及GPIO脉冲持续时间和重复频率的适当定时，即可实现所需的LED动作。

图5：该简化示意图显示，也可以使用电容器的充电和放电来使LED驱动器渐亮和渐灭。资料来源：Bill Schweber

脉冲宽度调制方式

最后，实现处理器控制脉宽调制(PWM)的GPIO端口，亦可以通过限流电阻器驱动LED(图6)。通过对脉冲宽度和间隔的控制，再加上用户眼睛的视觉融合，将会产生所期望的感知光强度。

图6：提供PWM的GPIO端口可控制脉冲宽度和间隔，同时用户的眼睛视觉融合脉冲序列，将会导致连续的光强变化。资料来源：Bill Schweber

打印机是否使用了上述这些方案之一？实际上我并不知道。但在进一步思考这个问题后，我意识到，提出“你会怎么做”这个问题是一件自然而然的事情，要求潜在的入门级新员工担任类似的设计角色。这确实是一个值得“思考”的问题，而不是一个确定性问题。

更好的是，后续问题可以是“每种方法的优点和缺点是什么？”这样，即使是一个只有一点电路经验的工程师，也至少可以清楚地掌握基本设计问题和相关权衡；毕竟，这才是现实世界工程设计的真正意义所在。

(参考原文：How many ways can you ramp an LED?）

本文为《电子工程专辑》2023年3月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。点击申请免费杂志订阅