OPRACOWANIA  WDROŻENIA  EKSPLOATACJA
y
ródło prądowe do zasilania diod LED o dużej mocy
Krzysztof Bonisławski, Krzysztof Zaremba
Zasilanie diod LED
Diody elektroluminescencyjne (LED  light emitting
diode), ze względu na małą rezystancję dynamiczną,
Diody LED są zasilane prądem stałym. Ze względu na małą re-
ujemny współczynnik temperaturowy i duży rozrzut
zystancję dynamiczną, ujemny współczynnik temperaturowy złą-
parametrów elektrycznych, wymagają stabilizacji
cza p-n i duży rozrzut parametrów elektrycznych poszczególnych
prądu pracy.
egzemplarzy, diody wymagają stabilizacji prądu pracy [1, 2]. Naj-
W artykule zostanie omówione tanie z
ródło prądowe,
prostszym sposobem zasilania diod LED jest włączenie w szereg
które przy zasilaniu większej liczby szeregowo
rezystora, którego parametry powinny uwzględniać wartość prądu,
połączonych diod może osiągać bardzo dużą sprawność.
jaki ma płynąć w obwodzie. Układ taki nie zapewnia bezpieczeń-
stwa diody w przypadku wahań napięcia zasilającego.
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
Rys. 1.
przerwa energetyczna, tym mniejsze na-
Charakterystyki prądowo-napięciowe z zaznaczonymi liniami zmienności prądu przy zmianie napięcia
pięcie pracy diody i tym większa długość
o ą3%: a) 1�LED bez rezystora, b) 1�LED z rezystorem R = 2 �, c) 1�LED z rezystorem R = 5 �,
fali wytwarzanego promieniowania. d) 3�LED z rezystorem R = 2 �, e) 3�LED z rezystorem R = 5 �
Diody elektroluminescencyjne emitujące promieniowanie o bar- TABELA I. Zestawienie przyrostu prądu przy zmianie napięcia
zasilającego o ą3%, w zależności od wartości rezystora ograniczającego
wie ciepłej (czerwona, pomarańczowa czy żółta) można otrzymać
oraz liczby diod włączonych do obwodu
z czteroskładnikowych związków: aluminium, galu, indu i fosforu
(AlGaInP). Diody LED emitujące promieniowanie o barwie zimnej
Przyrost prądu przy zmianie Rezystancja
(niebieska, zielono-niebieska czy zielona), a także promieniowanie
Rodzaj układu napięcia zasilającego dynamiczna
UV można uzyskać z azotku galu (GaN), trójskładnikowego związ- o ą3% [mA] [�]
ku zawierającego dodatkowo aluminium (AlGaN) lub czteroskład-
1 LED
ą285 0,39
nikowego związku z dodatkiem indu (AlGaInN). (rys. 1, krzywa a)
1 LED, R = 2 �
ą70 2,45
(rys. 1, krzywa b)
Diody LED emitują promieniowanie prawie monochromatyczne
i dlatego przedmioty o innej barwie niż emitowana przez daną diodę 1 LED, R = 5 �
ą50 5,24
(rys. 1, krzywa c)
zmienią swój wygląd w jej świetle.
3 LED, R = 2 �
ą125 3,19
(rys. 1, krzywa d)
3 LED, R = 5 �
Mgr inż. Krzysztof Bonisławski, dr inż. Krzysztof Zaremba  Politechnika
ą80 6,10
(rys. 1, krzywa e)
Białostocka, Wydział Elektryczny
Rok LXXVII 2009 nr 7 33
 OPRACOWANIA  WDROŻENIA  EKSPLOATACJA
Jak wynika z charakterystyki prądowo-napięciowej badanej dio- Badania z
ródła prądowego
dy LED dużej mocy, typu L2K2-MW14-11-BV00 (rys. 1, krzywa zbudowanego na bazie układu scalonego LM317
a), niewielkim zmianom napięcia zasilającego odpowiada znaczna
Układ LM317, w zależności od wersji, pozwala na zasilanie diod
zmiana prądu. Zmiana napięcia zasilającego o ą3% powoduje zmia-
LED prądem od pojedynczych mA do 1,5 A [3]. Na wartość wyma-
nę prądu o ok. ą280 mA. Wynika z tego, że zmiana napięcia zasila-
ganego napięcia wejściowego składa się spadek napięcia na ukła-
jącego o ok. 5% spowoduje zniszczenie diody.
dzie LM317 (min. 3 V), rezystorze R i zasilanych diodach. Schemat
Dodanie rezystora do układu zasilającego (rys. 1, krzywe b-e)
z
ródła prądowego do zasilania diod LED o dużej mocy został przed-
powoduje zmniejszenie się wartości tego prądu, co jest pożądanym
stawiony na rysunku 2.
zjawiskiem. Stopień stabilizacji prądu zależy jednak w tym ukła-
Wynikiem bezpośrednich badań są charakterystyki prądowo-na-
dzie zarówno od wartości rezystancji użytego rezystora, jak i ilości
pięciowe obwodu przedstawiające zależność prądu wyjściowego
zasilanych diod (tab. I). Rezystancja dynamiczna, definiowana jako
od napięcia zadanego (rys. 3). Badanie przeprowadzono, tak jak
iloraz przyrostu napięcia do przyrostu prądu w obwodzie, stanowi
w przypadku rezystora, przy zasilaniu jednej i trzech diod połączo-
parametr określający czułość obwodu na zmianę parametrów zasi-
nych szeregowo. Pomiarów dokonano przy typowych wartościach
lania.
prądu znamionowego, tj. 0,35, 0,7, 1 oraz 1,4 A. Zmiana napięcia
W typowym obwodzie z rezystorem wzrost stopnia stabilizacji
wejściowego odbywała się co 0,5 V.
prądu dokonuje się kosztem sprawności zasilania, definiowanej jako
Aby uzyskać zakładane wartości prądu znamionowego IZ , dobra-
iloraz wartości napięcia pobieranego przez diodę/diody do wartości
no rezystor R o odpowiedniej mocy, na podstawie zależności [1]
napięcia zasilacza. Sprawność takiego układu jest niska, niezależnie
1,2
od liczby zasilanych diod (tab. II). 1,2
(1)
R =
R =
W przypadku układu zasilającego w postaci rezystora włączonego
IZ
IZ
szeregowo z diodą LED, wraz ze zmianą napięcia zasilającego zmie-
Wartość 1,2 występująca w tym wzorze jest różnie podawana
nia się wartość prądu płynącego w obwodzie, co może doprowadzić
przez producentów układu scalonego LM317 i może zmieniać się
do uszkodzenia diody. Wynika z tego, że diody LED o dużych mo-
w zakresie od 1,2 do 1,3.
cach wymagają stosowania bardziej zaawansowanych z
ródeł prądo-
Jak widać na zamieszczonych charakterystykach prądowo-napię-
wych. Ważne jest, aby zastosowane z
ródło prądowe charakteryzo-
ciowych (rys. 3), do momentu, gdy napięcie wejściowe nie osiągnie
wało się stabilnością termiczną i brakiem wpływu zmian wartości
wartości 6,5�8 V dla obwodu z jedną diodą i 13,5�15,5 V dla ob-
napięcia zasilającego na wartość prądu.
wodu z trzema szeregowo połączonymi diodami, prąd wyjściowy
Zasilacze przeznaczone do zasilania diod LED o dużych mocach,
układu jest mniejszy niż wymagana wartość prądu znamionowego
zapewniające stały prąd na wyjściu, są drogie i często ich zakup jest
IZ. Napięcia te są minimalnymi UZmin, przy których płynie założony
nieopłacalny. Proste i niezawodne z
ródło prądowe można zbudo-
prąd znamionowy. Powyżej tych napięć układ stabilizuje wartość
wać, wykorzystując stabilizator napięcia LM317.
płynącego prądu, aż do maksymalnej wartości napięcia wejściowe-
go UZmax, różnej w zależności od założonego prądu znamionowego
IZ oraz od liczby diod w obwodzie.
Rys. 2. Schemat z
ródła prądowego do zasilania diod LED o dużej mocy
TABELA II. Sprawność układu zasilającego
z rezystorem, w zależności od wartości napięcia
zasilającego, rezystora ograniczającego oraz
liczby diod włączonych do obwodu
Rodzaj układu Sprawność � [%]
1 LED, U = 6 V, R = 2 �
64
(rys. 1, krzywa b)
1 LED, U = 9 V, R = 5 �
42
(rys. 1, krzywa c)
3 LED, U = 6 V, R = 2 �
83
(rys. 1, krzywa d)
3 LED, U = 9 V, R = 5 �
Rys. 3. Charakterystyki prądowo-napięciowe
68
(rys. 1, krzywa e)
z
ródła prądowego z jedną i z trzema szeregowo połączonymi diodami LED
34 Rok LXXVII 2009 nr 7
 OPRACOWANIA  WDROŻENIA  EKSPLOATACJA
Podsumowanie
Przy zasilaniu diod LED o dużej mocy bardzo ważne jest zacho-
wanie stałej wartości prądu. Jak pokazano w artykule, proste i tanie
z
ródło 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 PEA
NYM MORZU
Energia elektryczna pobierana ze z
ródeł odnawialnych nabiera coraz
większego znaczenia. Najbardziej rozpowszechnionymi z
ródłami 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-
Rys. 4. Sprawność � układu zasilającego z LM317 w zależności od liczby n
ją się zwykle mieszkańcy okolicznych miejscowości, ze względu na
diod LED i od założonego prądu znamionowego płynącego w układzie
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.
Powyżej wartości UZmax następuje nagły spadek prądu widoczny na
(wb-716)
charakterystykach prądowo-napięciowych (rys. 3). Wynika to z fak-
ABB Review 2008 nr 3
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 UZmax 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 ą3%) nie zmienią wartości prądu płynącego
w obwodzie. Jest to największa zaleta z
ródła 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 z
ródła prądowego rośnie (rys. 4), nato-
miast sprawność obwodu z rezystorem pozostaje niezmienna, przy
założeniu stałego stopnia stabilizacji prądu.
Rok LXXVII 2009 nr 7 35