ElEktronika 6/2008

203

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.

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 specyfikacji 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

'

"

'

"

F

F

d

I

I

U

U

r

−

−

=

Tab. 1. Specyfikacja 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

59

34

LED2

tlCS580

AlInGaP

632

8

LED3

TSHF5400

GaAlAs

870

40

LED4

tSHa6203

GaAlAs

875

80

LED5

tSal6400

GaAlAs/GaAs

940

50

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 konfiguracji 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.

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 

204

ElEktronika 6/2008

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).

Wpływ temperatury na wartości elementów 

schematu zastępczego

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 dU/dϑ 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 dr

d

/dϑ i dU

F

/dϑ prostych aproksymujących zależności r

d

= f (ϑ) i U

F

= f (ϑ).

Tab. 2. Nachylenie dU/dϑ prostych aproksymujących
zależności U = f (ϑ) dla I

F

= 20 ma

tabl. 2. inclination dU/dϑ  of U = f (ϑ) relationship
when I

F

= 20 ma

Dioda

U [V]

dU/dϑ [mV/°C]

LED1

2,07

~ 3,0

LED2

2,

~ 2,5

LED3

,35

~ ,9

LED4

,30

~ ,6

LED5

,2

~ ,3

Tab. 3. Nachylenie dr

d

/dϑ i dU

F

/dϑ prostych aproksymujących zależ-

ności odpowiednio r

d

= f (ϑ) i U

F

= f (ϑ)

tabl. 3. inclination dr

d

/dϑ i dU

F

/dϑ of relationships: r

d

= f (ϑ) i U

F

= f (ϑ)

respectively

Dioda

ϑ

= 20°C

dr

d

/dϑ

[mΩ/°C]

dU

F

/dϑ

[mV/°C]

r

d

[Ω]

U

F

[V]

LED1

9,4

,88

~ 64

~ ,7

LED2

3,2

,84

~ 34

~ ,8

LED3

2,3

,30

6,

~ 2,

LED4

2,8

,25

3,5

~ ,6

LED5

3,7

,3

5,6

~ ,4

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 dU/dϑ (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-

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

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

ElEktronika 6/2008

205

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, mΩ/°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. 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

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.