Впоследніе роки світлодіоди отримали дуже широкий розвиток: від простих індикаторів до високопродуктивних джерел світла зі світловим потоком понад 100 лм. Уже в недалекому майбутньому освітлення за допомогою світлодіодів стане порівнянне за вартістю з освітленням класичними флуоресцентними лампами з холодним катодом. Світлодіоди також становлять інтерес як джерела заднього підсвічування РК-дисплеїв, телевізорів, ноутбуків і освітлення всередині і на поверхні будівель.
З розвитком технологій високопродуктивних світлодіодів на передній план на етапі проектування виходять температурні аспекти. Як і всі напівпровідники, світлодіоди не повинні перегріватися. Існує максимально допустима температура активного шару p-n-переходу, перевищення якої може спричинити за собою прискорене старіння приладів і вихід їх з ладу.
Максимально допустимий прямий струм повинен обов'язково обмежуватися при підвищенні температури навколишнього середовища, щоб температура активного шару залишалася нижче критичного значення. Граничне значення прямого струму при заданій температурі навколишнього середовища можна, втім, підвищити, якщо додатково використовувати радіатор охолодження.
Із зростанням температури активного шару світлодіода його світлова емісія (світловіддача) знижується. Цей ефект проявляється насамперед у червоних і жовтих світлодіодів, в той час як білі мають меншу температурну залежність. Одночасно зі зменшенням світловіддачі переважна довжина хвилі світла, що випускається збільшується в загальному випадку приблизно на 0,05 нм / К, а пряме напруга світлодіодів зменшується.
Незважаючи на те, що ККД високопродуктивних світлодіодів набагато перевищує ККД ламп розжарювання, у них також досить велика частина вхідний енергії перетворюється в тепло. Тому для надійної роботи світлодіодів дуже важливо вже при проектуванні створити умови для гарного відводу тепла.
При розрахунку драйверів управління слід мати на увазі, що, серед іншого, прямий струм світлодіодів повинен бути обраний таким чином, щоб вони не перегрівалися, т. Е. Максимально допустимий струм повинен бути зменшений при зростанні температури навколишнього середовища. Таке зниження номінального значення струму є компенсацією режиму при підвищеній температурі. Виробники світлодіодів приводять в специфікаціях на свої вироби відповідні графіки (рис. 1).
Чорною лінією на рис. 1 показані граничні граничні значення струму і температури. Робота світлодіодів з класичним температуронезавісімим джерелом струму має той недолік, що при підвищених температурах вони можуть виявитися за граничними значеннями. На рис. 1 це показано червоною лінією (гранична точка відповідає току 370 мА і температурі навколишнього середовища +80 ° С). Зелена лінія на цьому малюнку відповідає оптимальному режиму роботи світлодіодів, коли в схемах драйверів використовуються терморезистори з позитивним ТКС.
Мал. 1. Графіки залежності струму через світлодіоди від температури навколишнього середовища
У більшості схем включення світлодіодів прямий струм через них ILED встановлюється постійним регулюючим резистором RРЕГ (рис. 2) і не залежить від температури. Тому необхідного «загину» характеристики при високій температурі, як це показано зеленою лінією на рис. 1, не відбувається.
Мал. 2. Варіанти спрощених загальноприйнятих схем включення світлодіодів
Теплове управління струмом світлодіода можливою завдяки тому, що постійний резистор замінюється схемою, опір якої залежить від температури. На рис. 3 показана схема включення, в якій створюється температурозависимого значення струму через світлодіод завдяки використанню терморезистора. Підгонка цієї схеми до використовуваної мікросхемі драйвера здійснюється грамотним вибором опору терморезистора RT і номіналів послідовно і паралельно включених резисторів RПОСЛ і Rпар відповідно.
Мал. 3. Модифікована схема включення світлодіодів з терморезистором
Струм, що протікає через світлодіод, розраховується за формулою:
де Uос - напруга зворотного зв'язку на відповідному виводі мікросхеми драйвера (точка з'єднання терморезистора RT і резистора RПОСЛ).
Використання такої схеми дозволяє збільшити струм через світлодіоди в діапазоні температур до +40 ° С на 40% в порівнянні з класичними схемами (рис. 2) і, тим самим, не побоюючись перегріву, настільки ж збільшити яскравість їх світіння.
На середньої схемою (рис. 2) показаний спосіб підключення регулює резистора RРЕГ непослідовно зі світлодіодами, а до спеціального висновку мікросхеми драйвера.
З специфікації на мікросхему можна визначити співвідношення між опорами резистора RРЕГ і світлодіода RLED. Наприклад, при підключенні послідовного резистора RПОСЛ з опором, рівним 19,5 кОм (рис. 4), до відповідного висновку мікросхеми TLE4241GM фірми Infineon, струм через світлодіоди має величину 30 мА. Опір використаного тут терморезистора RТ типу В59601А при кімнатній температурі приблизно 25 ° С становить 470 Ом, а при підвищеній температурі навколишнього середовища може досягати 4,7 кОм.
Графік, наведений на рис. 5, показує залежність від температури навколишнього середовища результуючого струму через світлодіоди для схеми, показаної на рис. 4. Опір постійного резистора RПОСЛ значно переважає над опором терморезистора RT при кімнатній температурі. Тільки приблизно при +40 ° С опір терморезистора починає рости: спочатку повільно, а починаючи з +75 ... + 80 ° С - різко. Відповідно, за таким же законом падає струм через світлодіоди (див. Криву на рис. 5). При опорі терморезистора RT = 4,7 кОм сумарний опір RПОСЛ + RT = 19,5 + 4,7 = 24,2 кОм, і досягається струм через світлодіоди, рівний 23 мА. Подальше збільшення температури призводить спочатку до зменшення сили струму, а потім до його виключення мікросхемою, т. Е. До спрацьовування захисту від перегріву.
Мал. 4. Варіант схеми включення світлодіодів з терморезистором, при якому регулювання струму проводиться через окремий висновок мікросхеми
Мал. 5. Графік залежності результуючого струму через світлодіоди від температури навколишнього середовища
Як показано на рис. 2 праворуч, світлодіоди здатні працювати і без управління мікросхемою. Наприклад, така схема може бути застосована в бортовій мережі автомобіля. При цьому струм через один світлодіод може досягати 200 мА. Для того щоб не залежати від коливань напруги бортової мережі, використовується регулятор напруги, який формує стабілізовану напругу Uстаб = 5 В. Величина струму через світлодіод визначається номіналом послідовно включеного резистора RРЕГ. У такій схемі підключення температуронезавісімий прямий струм розраховується за формулою:
де ULED - пряма напруга на одномедінственном светодиоде.
В якості альтернативи замість одного резистора RРЕГ може бути використана комбінація з одного дротяного терморезистора RT типу В59940С0080А070 (його опір при кімнатній температурі +25 ° С дорівнює 2,3 Ом) і двох постійних резисторів RПОСЛ і Rпар (рис. 6).
Мал. 6. термокомпенсирующих схема управління світлодіодом без використання мікросхеми
Велика частина струму світлодіода протікає тут через терморезистор RT. Отриманий в результаті цього прямий струм розраховується за формулою:
Для використання в схемі (рис. 6) був обраний великий дротяний терморезистор, так як терморезистор малих розмірів постійно нагрівався б протікає через нього струмом і в меншій мірі реагував би на зміну температури навколишнього повітря.
Поєднавши паралельно резистори RT і Rпар іграмотно підібравши номінали обох постійних резисторів (RПОСЛ і Rпар), задають бажаний рівень струму через світлодіод.
Крім того, в цій схемі паралельно підключений до терморезистору резистор Rпар забезпечує те, що навіть при екстремально високих температурах терморезистор в повному обсязі відключає світлодіод, як це було описано вище, а тільки зменшує струм через нього. Таким чином, струм через світлодіод ніколи не опускається нижче певного значення, яке можна розрахувати за формулою:
Ця особливість схеми виключно важлива, наприклад, при використанні світлодіода в автомобільній електроніці, оскільки вимоги безпеки тут не допускають повного відключення світлових приладів.
Інші статті на цю тему:
Якщо Ви помітили будь-які неточності в статті (відсутні малюнки, таблиці, недостовірну інформацію і т.п.), прохання повідомити нам про це. Будь ласка вкажіть посилання на сторінку і будьте готовими описати проблему.