Схемы питания и управления светодиодами
При разработке схем питания и управления светодиодами, работающими в стационарных условиях, требуется учитывать такие факторы, как сложность и стоимость управляющей схемы, ее к. п. д, а также возможность компенсации температурной зависимости интенсивности излучения светодиодов.
|
h= |
»0мА |
||||
|
»— |
— |
40 мА |
|||
|
А— ^ |
30 мА |
||||
|
...... |
“—- |
||||
|
-Импуі |
ьсныйт |
ОК СО СІ |
важное |
20 мА ъю 100 10 мА |
>- |
|
40 60 80 100 120 Температура в термостате Т0, °С |
|
8,0 и ^7,5 и І 7>° I 6,5 1^ * 6,0 0 0 5,5 Е 5,0 |
|
20 |
|
■ ■ ■ |
|||||
|
- |
УФСДА Чл=293 Т= 20 °С |
GaN |
|||
|
нм |
|||||
|
- |
|||||
|
_ |
г"' |
||||
|
Ш |
|
О 150 о I ІІ00 |
|
О а< 0 с S 1 л |
|
50 |
|
0 |
|
0 10 20 30 40 50 60 Постоянный прямой ТОК 1р мА |
|
|
|
Рис. 6.7. Зависимость прямого напряжения от температуры в термостате, полученная для светодиода УФ-диапазона AlGaN в импульсном режиме со скважностью 1000 (а) и зависимость температуры р-п-перехода от постоянного тока для того же диода (б) (Xi et al., 2005) |
|
0 20 40 60 80 100 Постоянный ток I, мА |
|
• г —1 ■ !--------------- -------------------------- |
|||||
|
- ТОЧНОСТЬ __ф_± з °С.-#-+15°С |
|||||
|
іег— |
|||||
|
Г |
|||||
|
j=e=< |
MiF-4 |
= 20 °0 . t ' |
|||
|
т - |
|||||
|
.красный СД AlInGaP л |
|||||
|
. точность • -4-+ 3 °С. ± 5 °С |
|||||
|
и |
U т |
||||
|
•*са |
гпег |
||||
|
j |
|||||
|
ы |
|||||
|
= 20 °С - . * |
|||||
|
Т- |
|
0 20 40 60 80 100 Постоянный ток I, мА |
Рис. 6.8. Зависимость температуры р-п-перехода и температуры носителей в светодиодах от постоянного тока. Измеренные температуры носителей несколько завышены относительно реальных значений, что связано с ушире - нием спектров многокомпонентных твердых растворов вследствие флуктуации
состава
Самой простой схемой управления светодиодами является источник постоянного напряжения-, батарея или трансформатор с выпрямителем на выходе. Все схемы питания светодиодов постоянным напряжением обладают двумя недостатками. Во-первых, зависимость тока, протекающего через диод, от напряжения носит экспоненциальный
характер. Поэтому незначительные изменения управляющего напряжения приводят к серьезным изменениям тока. Во-вторых, пороговое напряжение диода зависит от температуры. Поэтому любые изменения температуры вызывают сильные изменения тока.
На рис. 6.9 показаны вольтамперные характеристики светодиодов, работающих от источника постоянного напряжения. Видно, что последовательное включение диода с резистором снижает температурную чувствительность тока, протекающего через диод. При таком способе включения светодиода температурный коэффициент протекающего через него тока, определяется величиной последовательного сопротивления и температурными характеристиками самого диода.
|
10
'I II I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I О 0,5 1,0 1,5 2,0 Напряжение V, В |
Рис. 6.9. Схема питания светодиодов с последовательным сопротивлением Rs. Рабочими считаются точки пересечения нагрузочных линий с вольтамперными характеристиками. Наличие в схеме небольших сопротивлений Rs приводит к росту тока через диод при повышении температуры, что позволяет компенсировать снижение интенсивности излучения
Интенсивность излучения светодиодов из-за безызлучательной рекомбинации с ростом температуры снижается. При увеличении температуры снижается и величина порогового напряжения. Для уменьшения температурной зависимости интенсивности излучения светодиодов применяют источники постоянного напряжения с последовательно включенными резисторами. Как видно из рис. 6.9, в таких схемах при увеличении температуры ток, протекающий через диод, растет, т. е. происходит компенсация снижения интенсивности излучения, вызванного ростом температуры. Но здесь следует отметить, что при использовании последовательного сопротивления уменьшается эффективность преобразования электрической энергии в световую, поскольку часть электрической мощности теряется на резисторе.
Температурная зависимость интенсивности излучения светодиодов особенно сказывается в тех случаях, когда светодиоды эксплуатируются вне помещений. Например, в жаркие летние дни температура и освещение довольно высоки, а в условиях повышенной внешней освещенности светодиоды должны светиться ярче. Однако интенсивность излучения светодиодов с ростом температуры, наоборот, снижается. Для компенсации снижения интенсивности излучения, а также для ее некоторого увеличения при повышении температуры необходимо увеличивать управляющий ток.
Схема управления светодиодом по постоянному току может состоять из транзисторного каскада, нагрузкой для которого является сам диод. Такая схема позволяет регулировать интенсивность излучения светодиода, не меняя его порогового напряжения и температуры. Однако в схеме не происходит компенсации снижения интенсивности излучения светодиода с ростом температуры.
Упражнение. Компенсация температурной зависимости интенсивности излучения светодиодов при помощи управляющей схемы
Рассмотрим светодиод, у которого характеристическая температура Ті — = 100 К, пороговое напряжение при температуре 20 °С равно 1,4 В, температурный коэффициент порогового напряжения составляет —2,1 мВ/К, а дифференциальное сопротивление, определенное на линейном участке вольтамперной характеристики при прямых напряжениях больше порогового напряжения, равно 5 Ом. Будем считать, что температурная зависимость интенсивности излучения светодиода задается выражением
/ = /1 - ехрНТ-ЗООКЭ/Т,].
Ізоо К
Требуется разработать схему управления, состоящую из источника постоянного напряжения и резистора, компенсирующую температурную чувствительность интенсивности излучения светодиода так, чтобы интенсивность излучения была одинаковой и в точке замерзания воды (0 °С) и при 60 °С. При температуре замерзания воды ток через диод должен быть 20 мА.
Решение
Для поддержания независимости интенсивности излучения от температуры ток через диод при температуре 60 °С должен быть 36,4 мА. На графиках вольтамперных характеристик светодиода найдем соответствующие значения температуры 0 °С и 60 °С, проведем нагрузочную линию через точки 0 °С, 20 мА и 60 °С, 36,4 мА и определим следующие параметры схемы управления: источник постоянного напряжения должен выдавать напряжение V = 1,6 В, а последовательное сопротивление должно быть 2,7 Ом.
