Питание светодиодов. Часть 3. Номинальные параметры такие непостоянные…

13 декабря 202313 дек 2023

1598

5 мин

Оглавление

Номинальный ток и напряжение — что это вообще такое
Стареешь? Теряешь напряжение
Подведем итоги

erid: 2Vtzqx2Cbxv

В прошлой статье мы разобрались с тем, что такое вольт-амперная характеристика и как связаны ток и напряжение светодиода. Но кроме резкого роста тока при незначительном изменении напряжения не только у светоизлучающих, но и других видов полупроводниковых диодов, есть ещё один нюанс — номинальные параметры могут изменяться со временем и при воздействии факторов окружающей среды. Из-за этого требования к стабильности параметров схемы питания увеличиваются.

Номинальный ток и напряжение — что это вообще такое

Номинальный прямой ток — значение постоянного прямого тока, которое обеспечивает паспортные светотехнические характеристики, без превышения его максимально допустимой температуры и с сохранением заявленного срока службы.

Этот параметр указывается в технических характеристиках светодиода и является одним из ключевых значений для обеспечения его нормальной работы.

Прямое падение напряжения или просто прямое напряжение светодиода — это напряжение на выводах светодиода, при котором через него протекает номинальный ток или другой рабочий ток.

В характеристиках светодиодов обычно указывается прямое напряжение (Uf) при номинальном токе. Иногда бывают исключения, когда производитель указывает прямое напряжение при токе отличном от номинального, но в любом случае в таблице характеристик отмечается при каком токе будет такое напряжение.

Но даже если говорить о какой-то фиксированной величине тока, величина прямого напряжения не постоянна.

Температура, сопротивление и ток — как это связано

При нагреве изменяются электрические параметры материалов. У проводников при увеличении температуры увеличивается электрическое сопротивление, а у полупроводников, наоборот, снижается.

Это называется температурным коэффициентом сопротивления (ТКС).

У проводников он положительный (чем больше температура, тем больше сопротивление), а у полупроводников без примесей — отрицательный.

Если говорить не о материале, а о целом элементе, то правильнее будет использовать другое понятие — температурный коэффициент напряжения (ТКН).

У светодиодов, как и у большинства других электронных компонентов отрицательный температурный коэффициент напряжения. ТКН светодиодов измеряется в милливольтах на градус Цельсия — мВ/˚С.

То есть при нагреве светодиода прямое напряжение, при фиксированном значении тока, будет уменьшаться.

Из этого следует, что любая вольт-амперная характеристика соответствует и правильно отражает параметры светодиода при какой-то определенной температуре. Собственно, если вы ещё раз посмотрите на таблицу из технической документации, приведенную выше, то увидите, что все параметры указаны для температуры 25 °C.

Насколько сильно меняется прямое напряжение при нагреве светодиода

Температурный коэффициент напряжения отличается у разных светодиодов, но чтобы понять масштаб проблемы приведем несколько примеров.

У светодиодов CREE MK-R коэффициент равен -8 мВ/˚С, а у MK-R2 – -28 мВ/˚С.

Много ли это? Один милливольт — это одна тысячная вольта (0.001).

Это значит, что у светодиода, у которого ТКН равен, например, 10 мВ/˚С, то при температуре в 25 ˚С прямое падение напряжения при номинальном токе будет 3.1 В, а при температуре в 75 ˚С оно уже будет 2.7 В.

Но не у всех светодиодов так сильно связано напряжение с температурой, да и прогресс не стоит на месте. На примере выше мы видим, что при нагреве с 25 до 85 °С напряжение снижается на 0,06 вольта, это повышает стабильность работы светодиодов и несколько снижает требования к качеству питания.

Современные светодиоды во время работы могут нагреваться до 90-100 градусов и работать без повреждения. Следовательно, если питать их постоянным стабилизированным напряжением, ток будет увеличиваться по мере нагрева, как сильно? Зависит от выбранной вами модели.

Стареешь? Теряешь напряжение

Следующий фактор, влияющий на рабочие параметры светодиодов — старение и деградация. Во время работы внутри светодиода происходят необратимые процессы.

В светодиоде главный элемент кристалл, расположенный на теплопроводящей подложке, всё это упаковано в корпус и залито люминофором. В некоторых светодиодах на излучающей части может располагаться линза. Для установки светодиода на плату и подачи к нему питания из корпуса выходят металлические выводы. Выводы соединяются с кристаллом тонкими проводниками, часто из драгоценных материалов.

В процессе работы может изменяться контактное сопротивление в месте контакта этих проводников с кристаллом в зависимости от способа их присоединения, плотности рабочего тока и других факторов. В результате ухудшения контакта — прямое напряжение светодиода будет расти за счет роста суммы всех последовательных сопротивлений от вывода анода к выводу катода, а в случае диффузионных процессов между проводником и полупроводниковым кристаллом — уменьшаться.

В сети есть разные исследования этого вопроса, однозначного вывода из них сделать нельзя. В одном случае прямое напряжение растёт, в другом снижается. Но однозначный вывод в том, что в процессе эксплуатации оно изменяется, что смещает рабочую точку вольт-амперной характеристики.

Узнать об этом подробнее можно, например, из статей:

- Деградация белых и синих светодиодов при длительном времени работы. Коллектив авторов: К. А. Виноградова, В. Е. Бугров, А. Р. Ковш, М. А. Одноблюдов, В. И. Николаев, А. Е. Романов, 2013 год, НИУ ИТМО.

- Degradation Physics of High Power LEDs in Outdoor Environment and the Role of Phosphor in the degradation process. Авторы: Preetpal Singh, Cher Ming Tan, изд. Scientific Reports, 7 апреля 2016 года.

Подведем итоги

Проводимость светодиода зависит от его температуры, вместе с тем изменяются и номинальные параметры — прямое падение напряжения на светодиоде уменьшается. Также оно может изменяться в процессе эксплуатации по мере деградации светодиода. Из-за этого возникают особые требования к проектированию и выбору источника и схемы питания светодиода. Основная задача — добиться максимальной эффективности, не сократив срок службы прибора.

В пределах этого цикла статей мы намеренно опускаем ряд особенностей устройства, принципа действия, процессов, происходящих при деградации полупроводников, влиянии температурного режима на светотехнические параметры. Но мы плавно подходим к вопросу «чем питать светодиод — током или напряжением». Как мы уже выяснили важно обеспечить правильный режим работы с учетом особенностей резкого роста тока при увеличении напряжения, а также изменении прямого напряжения во время работы.

В следующей статье мы поговорим об источниках питания.