Wpływ temperatury na wartości elementów schematu zastępczego diody LED.pdf

Wpływ temperatury na wartości

elementów schematu zastępczego diody LED

dr inż. GRZEGORZ WICZYŃSKI, Politechnika Poznańska, Instytut Elektrotechniki i Elektroniki Przemysłowej

Dioda LED jest półprzewodnikowym źródłem promieniowania

optycznego wykorzystywanym do sygnalizacji, transmisji syg-

nałów oraz badań spektrometrycznych. Przetwarza ona energię

elektryczną na energię promieniowania optycznego oraz ener-

gię cieplną. Sygnałem wejściowym jest prąd diody LED, którego

wartość wpływa na moc promieniowania optycznego i na ciepło

rozpraszane w złączu półprzewodnikowym. W celu zwiększenia

mocy wyjściowego sygnału optycznego forsowana jest wartość

prądu diody. Forsowanie prądu ograniczone jest przyrostem tem-

peratury złącza półprzewodnikowego (spowodowanym ciepłem

wydzielanym w złączu). Forsowanie prądu możliwe jest w odpo-

wiednio dobranym układzie zasilania. Taki dobór polega na za-

pewnieniu zdolności do generacji prądów o wymaganych wartoś-

ciach przy spadkach napięcia występujących na diodach LED.

W pracy zamieszczono wyniki badań wpływu temperatury

na wartości elementów elektrycznego schematu zastępczego

wybranych diod LED dla zasilania prądem stałym. Do badań

wybrano diody LED o widmie stosowanym do transilumina-

cji obiektów biologicznych [1]. Na podstawie wyników badań

określono wpływ temperatury na spadek napięcia na diodzie

LED i na wartości elementów schematu zastępczego: napię-

cia źródłowego i rezystancji wewnętrznej. Zwrócono uwagę,

że przypływ prądu o wartościach stosowanych dla pracy cią-

głej diod LED może skutkować istotnym przyrostem tempera-

tury złącza półprzewodnikowego.

Tab. 1. Specyikacja katalogowa diod LED wykorzystanych w ba-

daniach [2–6]

Tabl. 1. Parameters of LEDs given in data sheets [2–6]

lp. oznaczenie Półprzewodnik λ p [nm] ∆λ [nm]

LED1 LL1501QVYL AlGalnP

LED2 tlCS580 AlInGaP

632

LED3 TSHF5400 GaAlAs

870

LED4 tSHa6203 GaAlAs

875

LED5 tSal6400 GaAlAs/GaAs 940

Rys. 1. Schemat zastępczy diody LED

Fig. 1. Equivalent scheme of a LED

umieszczono w bloku aluminiowym ALU o masie ok. 1 kg.

Do pomiaru temperatury ϑ bloku alU zastosowano czujnik

Pt1000, zabudowany w odpowiednio dopasowanym otwo-

rze. Do pomiaru rezystancji wykorzystano omomierz multi-

metru Agilent 34401A [7] w koniguracji czteroprzewodowej.

Blok ALU wraz z zabudowanymi elementami umieszczono

w komorze termicznej ILW115TOP [8]. Temperaturę ALU

ustalono przez zadawanie temperatury wnętrza komo-

ry termicznej. Ze względu na bezwładność cieplną ALU,

niezbędne było oczekiwanie na uzyskanie wymaganej

temperatury ϑ . Pomiar prądu I F zrealizowano za pomocą

multimetru Amprobe AM-1200 [9] a napięcia U multimetrem

agilent 3440a. na rys. 3 zamieszczono charakterystyki

I F = f ( U ) badanych diod LED dla ϑ =20 ° C, wyznaczone w ten

sposób, że prąd I F zadawano dla narastających wartości

a jako wynik pomiaru napięcia U przyjmowano wartość

ustaloną.

Schemat zastępczy diody LED

Najprostszy elektryczny schemat zastępczy diody LED ( rys. 1 )

można przedstawić za pomocą szeregowo połączonych: na-

pięcia źródłowego U F i rezystancji wewnętrznej r d .

Napięcie U na zaciskach diody określa zależność:

U = U F + I F ∙ r d

()

Wartości składników schematu zastępczego można określić

na podstawie charakterystyki I F = f ( U ). Rezystancja r d opisuje

nachylenie tej charakterystyki w liniowym fragmencie zależ-

ności I F = f ( U ). Wartości U F i r d zdeterminowane są właściwoś-

ciami półprzewodnika z którego wykonano diodę LED. Ponad-

to zależą one od temperatury ϑ j złącza półprzewodnikowego.

Jeżeli wyznaczono wartość U = U ’ dla I F = I F ’ oraz U = U ”

dla I F = I F ” to wartość r d można obliczyć zgodnie z nastę-

pującą zależnością:

−

(2)

−

W pracy zamieszczono wyniki badań wybranych diod LED,

w trakcie których wyznaczono charakterystyki U = f ( ϑ ) dla za-

danych wartości prądu I F dla temperatur ϑ od − 0 do 70 ° C. Ba-

daniom poddano diody w plastikowych obudowach o średnicy

zewnętrznej φ = 5 mm i specyikacji katalogowej w tab. 1 .

Opis stanowiska do wyznaczania

charakterystyk I F = f( U ) diod LED

Charakterystyki I F = f ( U ) diod LED wyznaczono w ukła-

dzie przedstawionym na rys. 2 . Badane diody LED1-LED5

Rys. 2. Schemat układu do wyznaczania charakterystyk I F = f ( U )

Fig. 2. Diagram scheme of a circuit used to determine of I F = f ( U )

characteristics

ElEktronika 6/2008

203

Rys. 3. Wyznaczone charakterystyki I F = f ( U ) diod LED dla ϑ =

20 ° C

Fig. 3. Characteristics of I F = f ( U ) which were obtained for LEDs

at ϑ = 20 ° C

Rys. 4. Zależność U = f ( ϑ ) dla I F = 20 mA

Fig. 4. Relationship: U = f ( ϑ ) obtained for I F = 20 mA

W trakcie wyznaczania charakterystyki z rys. 3 stwierdzo-

no zmienność napięcia U po zmianie wartości prądu I F (zani-

kającą po kilkudziesięciu sekundach). Jako przyczynę zmien-

ności napięcia U uznano zmiany temperatury ϑ j złącza diody

LED, spowodowane ciepłem wydzielanym w trakcie przepły-

wu prądu I F . W celu uniknięcia wpływu zmian ϑ j pomiary na-

pięcia U przedstawione w dalszej części pracy wykonywano

w sposób następujący:

1. prąd I F załączano jedynie na czas wykonania pomiaru na-

pięcia U ,

2. pomiar napięcia U wykonywano po ok. 0,5 s po załączeniu

prądu I F o zadanej wartości,

3. pomiędzy kolejnymi pomiarami napięcia U dla danej diody

LED wprowadzono opóźnienie (mające na celu wystąpie-

nie stanu ϑ j = ϑ ).

Rys. 5. Wykres zależności U F = f ( ϑ ) i r d = f ( ϑ ) dla LED1

Fig. 5. Plot of relationships: U F = f ( ϑ ) i r d = f ( ϑ ) for LED1

Wpływ temperatury na wartości elementów

schematu zastępczego

Tab. 3. Nachylenie d r d /d ϑ i d U F /d ϑ prostych aproksymujących zależ-

ności odpowiednio r d = f ( ϑ ) i U F = f ( ϑ )

tabl. 3. inclination d r d /d ϑ i d U F /d ϑ of relationships: r d = f ( ϑ ) i U F = f ( ϑ )

respectively

Wpływ temperatury ϑ na napięcie U diod LED dla prądu I F =

20 mA przedstawia wykres na rys. 4. W tab. 2 zestawiono

wartości napięć U i nachylenia d U /d ϑ prostych aproksymują-

cych zależności U = f ( ϑ ).

Na podstawie (2), dla prądów I F ’ = 2 ma i I F ” = 20 mA, wy-

znaczono wartości składników schematu zastępczego diody

LED: U F i r d . na rys. 5 i 6 przedstawiono wykresy zależności

U F = f ( ϑ ) i r d = f ( ϑ ) dla LED1 i LED5 a w tab. 3 wartości nachy-

lenia d r d /d ϑ i d U F /d ϑ prostych aproksymujących zależności r d

= f ( ϑ ) i U F = f ( ϑ ).

Dioda

ϑ = 20 ° C

d r d /d ϑ

[m Ω / ° C]

d U F /d ϑ

[mV/ ° C]

r d [ Ω ]

U F [V]

LED1

9,4

,88

~ 64

~ ,7

LED2

3,2

,84

~ 34

~ ,8

LED3

2,3

,30

~ 2,

LED4

2,8

,25

3,5

~ ,6

LED5

3,7

5,6

~ ,4

Tab. 2. Nachylenie d U /d ϑ prostych aproksymujących

zależności U = f ( ϑ ) dla I F = 20 ma

tabl. 2. inclination d U /d ϑ of U = f ( ϑ ) relationship

when I F = 20 ma

Dioda

U [V]

d U /d ϑ [mV/ ° C]

W celu oceny wpływu wartości prądu I F na temperaturę

złącza ϑ j zarejestrowano odpowiedź skokową U = f ( t ) dla

poszczególnych diod LED. Wymuszenie skokowe uzyskano

poprzez zmianę prądu I F z 0 do 20 mA dla stanu począt-

kowego ϑ j = ϑ . Następnie uwzględniając wyznaczone war-

tości d U /d ϑ ( tabl. 2 ) na podstawie kolejnych wartości U ( t )

oszacowano wartość temperatury ϑ j . na rys. 7 i 8 przedsta-

wiono zależność ϑ j = f ( t ) dla stanu początkowego ϑ j =20 ° C

i ϑ j = − 9,7 ° C.

analiza rys. 7 i 8 prowadzi do wniosku, że prąd I F = 20 ma

powoduje przyrost temperatury złącza o kilka, a nawet kilka-

LED1

2,07

~ 3,0

LED2

~ 2,5

LED3

,35

~ ,9

LED4

,30

~ ,6

LED5

~ ,3

204

ElEktronika 6/2008

Rys. 6. Wykres zależności U F = f ( ϑ ) i r d = f ( ϑ ) dla LED5

Fig. 6. Plot of relationships: U F = f ( ϑ ) i r d = f ( ϑ ) for LED5

Rys. 7. Odpowiedź skokowa ϑ j = f ( t ) dla ∆ I = 20 mA oraz dla stanu

początkowego ϑ j = 20 ° C

Fig. 7. Step response ϑ j = f ( t ) when ∆ I = 20 mA and the initial

temperature ϑ j = 20 ° C

naście ° C (LED1). Jednocześnie można stwierdzić, że dla

przyjętego opóźnienia pomiaru wynoszącego ok. 0,5 s zmia-

na temperatury złącza nie przekracza 1 ° C (co przyjęto za stan

akceptowalny).

Podsumowanie

W pracy przedstawiono wyniki badań wpływu temperatury na

wartości elementów schematu zastępczego diod LED emitu-

jących promieniowanie pomarańczowe, czerwone oraz w za-

kresie bliskiej podczerwieni. Na podstawie tych badań stwier-

dzono, że spadek napięcia U maleje ze wzrostem temperatury

a nachylenie charakterystyki U = f ( ϑ ) zawiera się w przedziale

od − 1,3 mV/ ° C do − 3 mV/ ° C.

Wpływ temperatury na wartości elementów schema-

tu zastępczego jest zróżnicowany. Napięcie źródłowe U F

maleje ze wzrostem temperatury przy nachyleniu cha-

rakterystyki U F = f ( ϑ ) zawierającym się w przedziale − ,4

– − 2,1 mV/ ° C.

Rezystancja wewnętrzna r d , w zależności od rodzaju pół-

przewodnika z którego wykonano złącze, maleje lub narasta

wraz ze wzrostem temperatury. Nachylenie charakterystyki r d

= f ( ϑ ) zawiera się w przedziale − 64 – 6, m Ω / ° C.

Analizując odpowiedź skokową U = f ( t ) oszacowano, że

przepływ prądu I F = 20 mA przez diodę LED powoduje przy-

rost temperatury złącza o kilka lub kilkanaście ° C. Ekstrapolu-

jąc uzyskane wyniki badań można stwierdzić, że diody LED1

i LED2 ze względu duże wartości rezystancji wewnętrznej

r d nie są predestynowane do zasilania prądami o większych

wartościach (np. 1A lub więcej).

Rys. 8. Odpowiedź skokowa ϑ j = f ( t ) dla ∆ I = 20 mA oraz dla stanu

początkowego ϑ j = − 9,7 ° C

Fig. 8. Step response ϑ j = f ( t ) when ∆ I = 20 mA and the initial

temperature ϑ j = − 9,7 ° C

literatura

[1] Cysewska-Sobusiak A.: Modelowanie i pomiary sygnałów bioop-

tycznych. WPP, Poznań 2001.

[2] Karta katalogowa diody LED TSHA6203. Vishay 2006.

[3] Karta katalogowa diody LED TLCS5810. Vishay 2005.

[4] Karta katalogowa diody LED TSHF5400. Vishay 2005.

[5] Karta katalogowa diody LED TSAL6400. Vishay 2005.

[6] Karta katalogowa diody LED LL1501QVYL. Ledman Optoelec-

tronic Co., ltd., 2008.

[7] Przewodnik obsługi Agilent 34401A Multimeter. Agilent Technolo-

gies, 2000.

[8] Instrukcja obsługi Inkubator Laboratoryjny ILW TOP. Ver. 1.0,

Pol-Eko-Aparatura, sp. j.

[9] Instrukcja obsługi multimetru AM-1200. Amprobe Instrument.

ElEktronika 6/2008

205

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: