Rok LXXVII 2009 nr 7

33

OPRACOWANIA – WDROŻENIA – EKSPLOATACJA

Mgr inż. Krzysztof Bonisławski, dr inż. Krzysztof Zaremba – Politechnika

Białostocka, Wydział Elektryczny

Źródło prądowe do zasilania diod LED o dużej mocy

Krzysztof Bonisławski, Krzysztof Zaremba

Diody elektroluminescencyjne (LED – light emitting

diode), ze względu na małą rezystancję dynamiczną,

ujemny współczynnik temperaturowy i duży rozrzut

parametrów elektrycznych, wymagają stabilizacji

prądu pracy.

W artykule zostanie omówione tanie źródło prądowe,

które przy zasilaniu większej liczby szeregowo

połączonych diod może osiągać bardzo dużą sprawność.

Rys. 1.

Charakterystyki prądowo-napięciowe z zaznaczonymi liniami zmienności prądu przy zmianie napięcia

o ±3%: a) 1×LED bez rezystora, b) 1×LED z rezystorem R = 2 Ω, c) 1×LED z rezystorem R = 5 Ω,

d) 3×LED z rezystorem R = 2 Ω, e) 3×LED z rezystorem R = 5 Ω

TABELA I. Zestawienie przyrostu prądu przy zmianie napięcia

zasilającego o ±3%, w zależności od wartości rezystora ograniczającego

oraz liczby diod włączonych do obwodu

Rodzaj układu

Przyrost prądu przy zmianie

napięcia zasilającego

o ±3% [mA]

Rezystancja

dynamiczna

[Ω]

1 LED

(rys. 1, krzywa a)

±285

0,39

1 LED, R = 2 Ω

(rys. 1, krzywa b)

±70

2,45

1 LED, R = 5 Ω

(rys. 1, krzywa c)

±50

5,24

3 LED, R = 2 Ω

(rys. 1, krzywa d)

±125

3,19

3 LED, R = 5 Ω

(rys. 1, krzywa e)

±80

6,10

Budowa i zasada działania diody LED

Działanie diod LED opiera się na zja-

wisku rekombinacji promienistej. W spo-

laryzowanym w kierunku przewodzenia

złączu p-n wzbudzone elektrony przecho-

dzą z wyższego (pasmo przewodnictwa)

na niższy poziom energetyczny (pasmo

walencyjne), gdzie rekombinują z dziura-

mi. Temu przejściu towarzyszy wypromie-

niowywanie nadmiaru energii w postaci

światła, czyli elektroluminescencja.

Diody LED mogą emitować różne dłu-

gości fali promieniowania (barwy światła)

[1, 2]. Zależy to od szerokości przerwy

energetycznej, która z kolei zależy od ma-

teriału półprzewodnikowego wykorzysta-

nego do budowy diody LED. Im mniejsza

przerwa energetyczna, tym mniejsze na-

pięcie pracy diody i tym większa długość

fali wytwarzanego promieniowania.

Diody elektroluminescencyjne emitujące promieniowanie o bar-

wie ciepłej (czerwona, pomarańczowa czy żółta) można otrzymać

z czteroskładnikowych związków: aluminium, galu, indu i fosforu

(AlGaInP). Diody LED emitujące promieniowanie o barwie zimnej

(niebieska, zielono-niebieska czy zielona), a także promieniowanie

UV można uzyskać z azotku galu (GaN), trójskładnikowego związ-

ku zawierającego dodatkowo aluminium (AlGaN) lub czteroskład-

nikowego związku z dodatkiem indu (AlGaInN).

Diody LED emitują promieniowanie prawie monochromatyczne

i dlatego przedmioty o innej barwie niż emitowana przez daną diodę

zmienią swój wygląd w jej świetle.

Zasilanie diod LED

Diody LED są zasilane prądem stałym. Ze względu na małą re-

zystancję dynamiczną, ujemny współczynnik temperaturowy złą-

cza p-n i duży rozrzut parametrów elektrycznych poszczególnych

egzemplarzy, diody wymagają stabilizacji prądu pracy [1, 2]. Naj-

prostszym sposobem zasilania diod LED jest włączenie w szereg

rezystora, którego parametry powinny uwzględniać wartość prądu,

jaki ma płynąć w obwodzie. Układ taki nie zapewnia bezpieczeń-

stwa diody w przypadku wahań napięcia zasilającego.

34

Rok LXXVII 2009 nr 7

OPRACOWANIA – WDROŻENIA – EKSPLOATACJA

Jak wynika z charakterystyki prądowo-napięciowej badanej dio-

dy LED dużej mocy, typu L2K2-MW14-11-BV00 (rys. 1, krzywa

a), niewielkim zmianom napięcia zasilającego odpowiada znaczna

zmiana prądu. Zmiana napięcia zasilającego o ±3% powoduje zmia-

nę prądu o ok. ±280 mA. Wynika z tego, że zmiana napięcia zasila-

jącego o ok. 5% spowoduje zniszczenie diody.

Dodanie rezystora do układu zasilającego (rys. 1, krzywe b-e)

powoduje zmniejszenie się wartości tego prądu, co jest pożądanym

zjawiskiem. Stopień stabilizacji prądu zależy jednak w tym ukła-

dzie zarówno od wartości rezystancji użytego rezystora, jak i ilości

zasilanych diod (tab. I). Rezystancja dynamiczna, definiowana jako

iloraz przyrostu napięcia do przyrostu prądu w obwodzie, stanowi

parametr określający czułość obwodu na zmianę parametrów zasi-

lania.

W typowym obwodzie z rezystorem wzrost stopnia stabilizacji

prądu dokonuje się kosztem sprawności zasilania, definiowanej jako

iloraz wartości napięcia pobieranego przez diodę/diody do wartości

napięcia zasilacza. Sprawność takiego układu jest niska, niezależnie

od liczby zasilanych diod (tab. II).

W przypadku układu zasilającego w postaci rezystora włączonego

szeregowo z diodą LED, wraz ze zmianą napięcia zasilającego zmie-

nia się wartość prądu płynącego w obwodzie, co może doprowadzić

do uszkodzenia diody. Wynika z tego, że diody LED o dużych mo-

cach wymagają stosowania bardziej zaawansowanych źródeł prądo-

wych. Ważne jest, aby zastosowane źródło prądowe charakteryzo-

wało się stabilnością termiczną i brakiem wpływu zmian wartości

napięcia zasilającego na wartość prądu.

Zasilacze przeznaczone do zasilania diod LED o dużych mocach,

zapewniające stały prąd na wyjściu, są drogie i często ich zakup jest

nieopłacalny. Proste i niezawodne źródło prądowe można zbudo-

wać, wykorzystując stabilizator napięcia LM317.

Badania źródła prądowego

zbudowanego na bazie układu scalonego LM317

Układ LM317, w zależności od wersji, pozwala na zasilanie diod

LED prądem od pojedynczych mA do 1,5 A [3]. Na wartość wyma-

ganego napięcia wejściowego składa się spadek napięcia na ukła-

dzie LM317 (min. 3 V), rezystorze R i zasilanych diodach. Schemat

źródła prądowego do zasilania diod LED o dużej mocy został przed-

stawiony na rysunku 2.

Wynikiem bezpośrednich badań są charakterystyki prądowo-na-

pięciowe obwodu przedstawiające zależność prądu wyjściowego

od napięcia zadanego (rys. 3). Badanie przeprowadzono, tak jak

w przypadku rezystora, przy zasilaniu jednej i trzech diod połączo-

nych szeregowo. Pomiarów dokonano przy typowych wartościach

prądu znamionowego, tj. 0,35, 0,7, 1 oraz 1,4 A. Zmiana napięcia

wejściowego odbywała się co 0,5 V.

Aby uzyskać zakładane wartości prądu znamionowego I

Z

, dobra-

no rezystor R o odpowiedniej mocy, na podstawie zależności [1]

(1)

Wartość 1,2 występująca w tym wzorze jest różnie podawana

przez producentów układu scalonego LM317 i może zmieniać się

w zakresie od 1,2 do 1,3.

Jak widać na zamieszczonych charakterystykach prądowo-napię-

ciowych (rys. 3), do momentu, gdy napięcie wejściowe nie osiągnie

wartości 6,5÷8 V dla obwodu z jedną diodą i 13,5÷15,5 V dla ob-

wodu z trzema szeregowo połączonymi diodami, prąd wyjściowy

układu jest mniejszy niż wymagana wartość prądu znamionowego

I

Z

. Napięcia te są minimalnymi U

Zmin

, przy których płynie założony

prąd znamionowy. Powyżej tych napięć układ stabilizuje wartość

płynącego prądu, aż do maksymalnej wartości napięcia wejściowe-

go U

Zmax

, różnej w zależności od założonego prądu znamionowego

I

Z

oraz od liczby diod w obwodzie.

Z

I

R

2

,1

=

Z

I

R

2

,1

=

TABELA II. Sprawność układu zasilającego

z rezystorem, w zależności od wartości napięcia

zasilającego, rezystora ograniczającego oraz

liczby diod włączonych do obwodu

Rodzaj układu

Sprawność η [%]

1 LED, U = 6 V, R = 2 Ω

(rys. 1, krzywa b)

64

1 LED, U = 9 V, R = 5 Ω

(rys. 1, krzywa c)

42

3 LED, U = 6 V, R = 2 Ω

(rys. 1, krzywa d)

83

3 LED, U = 9 V, R = 5 Ω

(rys. 1, krzywa e)

68

Rys. 2. Schemat źródła prądowego do zasilania diod LED o dużej mocy

Rys. 3. Charakterystyki prądowo-napięciowe

źródła prądowego z jedną i z trzema szeregowo połączonymi diodami LED

Rok LXXVII 2009 nr 7

35

OPRACOWANIA – WDROŻENIA – EKSPLOATACJA

Powyżej wartości U

Zmax

następuje nagły spadek prądu widoczny na

charakterystykach prądowo-napięciowych (rys. 3). Wynika to z fak-

tu, iż różnica między napięciem wejściowym a minimalnym napię-

ciem, przy którym płynie prąd znamionowy, dodatkowo odkłada się

na nim. W momencie, gdy różnica ta jest zbyt duża, układ LM317

przegrzewa się i powoduje zmniejszenie wartości prądu w układzie.

Wartość napięcia U

Zmax

zależy również od tego, czy dodatkowo układ

LM317 będzie posiadał chłodzenie (radiator), czy też nie.

Napięcie zasilające układu powinno wynosić nieznacznie więcej

niż wartość napięcia, przy którym zaczyna płynąć założony prąd

znamionowy. Tak wybrane napięcie spowoduje, iż wahania napię-

cia (np. w zakresie ±3%) nie zmienią wartości prądu płynącego

w obwodzie. Jest to największa zaleta źródła prądowego z układem

LM317, w porównaniu z obwodem z rezystorem.

Sprawność układu zasilającego zbudowanego na bazie układu

scalonego LM317 jest porównywalna z układem z rezystorem przy

zasilaniu jednej diody. Wraz ze wzrostem liczby szeregowo połą-

czonych diod sprawność źródła prądowego rośnie (rys. 4), nato-

miast sprawność obwodu z rezystorem pozostaje niezmienna, przy

założeniu stałego stopnia stabilizacji prądu.

Podsumowanie

Przy zasilaniu diod LED o dużej mocy bardzo ważne jest zacho-

wanie stałej wartości prądu. Jak pokazano w artykule, proste i tanie

źródło prądowe zbudowane na bazie układu scalonego LM317 może

z powodzeniem zasilać diody LED równie dobrze, jak drogie układy

dostępne w handlu. Zapewnia ono stałą wartość prądu w szerokim

zakresie napięcia wejściowego.

Nawet w przypadku zastosowania zbyt wysokiego napięcia zasila-

jącego, gdy układ LM317 przegrzeje się, wartość prądu w obwodzie

spada, co chroni diody LED przed uszkodzeniem.

LITERATURA

[1] Fryc I.: Jakość promieniowania optycznego diody LED. Przegląd Elektrotechnicz-

ny 2003 nr 4

[2] Wiśniewski A.: Diody elektroluminescencyjne (LED) dużej mocy.

Przegląd Elek-

trotechniczny 2007 nr 5

[3] http://www.national.com/ds/LM/LM117.pdf

ELEKTROWNIE WIATROWE NA PEŁNYM MORZU

Energia elektryczna pobierana ze źródeł odnawialnych nabiera coraz

większego znaczenia. Najbardziej rozpowszechnionymi źródłami ener-

gii odnawialnej są elektrownie wiatrowe. Na lądzie miejsca dostępne

dla elektrowni wiatrowych, np. w Niemczech, zostały już praktycznie

wykorzystane. Budowie dalszych elektrowni wiatrowych sprzeciwia-

ją się zwykle mieszkańcy okolicznych miejscowości, ze względu na

uciążliwy hałas oraz zeszpecenie naturalnego krajobrazu. Coraz częś-

ciej więc elektrownie wiatrowe są budowane na pełnym morzu, gdzie

wieją silniejsze wiatry i turbiny wiatrowe nikomu nie przeszkadzają.

(wb-716)

ABB Review 2008 nr 3

Rys. 4. Sprawność η układu zasilającego z LM317 w zależności od liczby n

diod LED i od założonego prądu znamionowego płynącego w układzie