Главная Информация Статьи Особенности включения светодиодов InGaN

Особенности включения светодиодов InGaN

Печать

Особенности включения светодиодов InGaN

Совсем недавно цветовая гамма светодиодов была ограничена красным и зеленым спектрами. Затем на рынке появились синие светодиоды. Их изобретение дало толчок к производству «однокристальных белых» светодиодов, состоящих из желтого люминофора в сочетании с синим кристаллом. В большинстве белых и синих светодиодов в качестве эпитаксиального слоя был использован нитрид индия и галлия (InGaN). Длина волны (координаты цветности) данных светодиодов демонстрирует сильную зависимость от рабочего тока, и эту отличительную особенность следует учитывать при использовании светодиодов на основе InGaN.


Белые светодиоды на основе InGaN


Для получения белого свечения синий кристалл (с длиной волны от 450нм до 470 нм) покрывают люминофором, который под действием белого свечения излучает желтый свет. Человеческий глаз распознает смесь синего и желтого света как белый. Из-за того, что данная смесь не может быть описана как просто преобладающая длина волны (т.к. в спектре две наивысшие точки, см. рис. 1) должны быть использованы координаты цвета. Значения координат x и y находятся по CIE (издание 15.2).

Спектр  белого светодиода Координаты белого цвета светодиода  на диаграмме  CIE

Рисунок 1. Сплошная линия- спектр белого светодиода, пунктирная-кривая стандартного восприятия глаза.

Рисунок 2. Координаты белого цвета светодиода на диаграмме CIE


Двумя факторами, оказывающими основное влияние на цветовые координаты полученного белого света, являются:
  • Длина волны синего кристалла
  • Концентрация преобразующего вещества.
Следовательно, если один или оба из этих параметров меняются, координаты цвета меняются соотносительно.
На рисунке 2 показана область внутри диаграммы CIE, в рамах которой обычно варьируются координаты белого светодиода. После изготовления на заводе для уменьшения проблемы различия белого свечения, светодиоды сортируются по бинам. Помимо производственной особенностей, на координаты цвета белого света также может влиять условия ,при которых используется светодиод. Из-за того, что длина волны синего чипа светодиодов InGaN меняется вместе с прямым током (см. рис. 3), меняется и координаты цветности.

Сдвиг координат цветности Зависимость силы света от тока через диоды

Рисунок 3. Сдвиг координат цветности

Рисунок 4. Зависимость силы света от тока через диоды

Параллельное соединение нескольких светодиодов InGaN

Кроме того, что после изготовления светодиоды имеют различную силу света и цветовые координаты, они еще имеют и различное рабочее напряжение. Параллельное соединение несортированных по прямому напряжению светодиодов приведет к работе светодиодов на различных токах. Это может привести к заметной разнице в яркости, а также сдвигу координат цветности отдельных светодиодов.
На рис.4 показаны кривые зависимости силы света от прямого напряжения для взятых в случайном порядке белых светодиодов.
Прямое напряжение 3.3V (см. пунктирную линию на 3.3 V) всех этих светодиодов в параллельной цепи ведет к разнице прямого тока от 2 до 5мА. В устройствах, работающих при низком напряжении в параллельных цепях, некоторые светодиоды могут почти совсем потускнеть. Например, см. вторую пунктирную линию на 2.95V на рис. 4, где прямой ток варьируется от 0,1 до 1мА. Это значит, что яркость светодиодов может отличаться более чем в 10 раз! Подобная разница в яркости будет заметна в любом устройстве с несколькими светодиодами. Очевидно, что использование этих полупроводников в параллельных цепях крайне нежелательно.
Во избежание ухода координат цветности, или заметных изменений яркости рекомендуется применять светодиоды InGaN с последовательным включением, и в сочетании с интегральными драйверами.

Изменение яркости светодиодов при работе в группе


При проектировании схемы управления группой светодиодов может возникнуть необходимость диммирования проектируемого светильника. Мы попробуем описать поведение светодиодов , а именно изменение яркости, при варьировании тока, и предложим решения для улучшения работы устройства.
Светодиоды на заводе сортируются по силе света при определенной силе тока. Если нам необходимо использовать группу светодиодов в одном светильнике, то безусловно нам нужно стремиться к одинаковой силе света каждого диода в группе. А это возможно только на токе, при котором проходила сортировка светодиодов. Этот ток можно назвать «групповым».
Когда возникает необходимость корректирования яркости светодиодов ?.
  • Если яркость группы светодиодов при заданном токе не отвечает необходимым параметрам проектируемого светильника, и возникает необходимость изменить групповой ток в ту или иную сторону.
  • Если используются светодиоды с различными бинами по яркости .
  • Если требуется диммирование яркости .

Диаграммы яркости светодиодов


Каждый светодиод имеет специфическую зависимость яркости от силы тока . В зависимости от строения кристалла эта зависимость более или менее предсказуема. На рисунке 5 показана зависимость яркости для двух светодиодов с одинаковыми чипами и одинаковой силой света при токе 20mA. При изменении силы тока яркость светодиодов меняется по-разному. Данный эффект объясняется незначительной разницой P-N переходов, вызванной производственными особенностями при эпитаксиальном выращивании. Чем дальше от группового тока, тем сильнее отличается яркость светодиодов.

Зависимость силы света от тока через диоды Разница в силе света двух светодиодов

Рисунок 5. Зависимость силы света от тока через диоды

Рисунок 6. Разница в силе света двух светодиодов


На рис. 6 показано максимальное значение разницы Ivmax / Ivmin в зависимости от силы тока двух светодиодов с одинаковым строением чипа и одинаковой яркостью при групповом токе (здесь 20мА). Это соотношение характерно для подавляющей части производимых светодиодов в целом. Грубо говоря, данное соотношение Ivmax / Ivmin должно быть менее 1.6. Для токов, сильно отличающихся от группового, это соотношение становится полностью неприемлемым , как это показано пунктиром.
В целом , довольно рискованно использовать светодиод при силе тока, отличающейся от группового тока.

Зависимость рабочего тока диода от температуры окружающей среды


В российских условиях необходимо учитывать еще один параметр светодиода- зависимость вольтамперной характеристики светодиода от температуры окружающей среды. Рассмотрим теоретический случай, когда белый светодиод установлен в устройстве, работающем при морозе 30 градусов, и питается от источника постоянного напряжения с применением балластного резистора.
Коэффициент зависимости рабочего напряжения от температуры -4,0 мВ/°C. При изменении температуры окружающей среды от +25 градусов до -30 рабочее напряжение светодиода уменьшится на 0,22 вольта. При питании через балластный резистор ток через светодиод увеличится с 20 до 30 мА, что может привести к отказу светодиода из-за деградации P-N перехода, и из за отрыва токовода от кристалла в результате теплового удара (разницы температур между холодным корпусом и горячим кристаллом). При работе в условиях больших морозов настоятельно рекомендуется применять режим плавного пуска светодиода.

Зависимость рабочего тока  от прямого напряжения

Рисунок 6. Зависимость рабочего тока от прямого напряжения


Рекомендации для проектирования


Если необходимо получить наилучшую однородность свечения, в качестве решения можно взять два различных варианта. Простейшим является использование светодиодов на токах, близким к групповым-, т е на токах, при которые происходит сортировка на заводе. Однако, если потребуется изменять яркость светодиодов или невозможно использовать ток близкий к групповому, тогда альтернативным решением будет использование ШИМ.
Во этом случае прямой ток IF остается постоянной величиной (близкой к значению группового), а меняется только скважность, или отношение длительности импульса к частоте сигнала. Рекомендованная частота включения-выключения светодиода 1кГц, при такой высокой частоте человеческий глаз не воспринимает отдельные световые импульсы. Глаз интегрирует импульсы света и распознает их как изменение яркости при различной скважности.
Во всех случаях рекомендуется использования интегрального или дискретного стабилизатора тока, и настоятельно не рекомендуется использование балластных резисторов для установки рабочего тока.



Авторы Андрей Винокуров, Подопригорина Юлия
 
VirtueMart
Ваша корзина пуста.

Российские промышленники создали серию новых светодиодных фар для отечественной боевой и гражданской авиации.
Российские промышленники создали серию новых светодиодных фар для отечественной боевой и гражданской авиации. ...Читать далее...
2017-09-19 16:25:48

Как выбрать светодиодный светильник? Коротко и по существу.
Необходимость перехода на светодиодное освещение уже не вызывает сомнений почти ни у кого. Хотя светодиодный ...Читать далее...
2017-05-22 14:27:38

Более 80% населения Земли живет при избытке искусственного света
"Световой шум" может вредить животным и здоровью человека, сбивая циркадные ритмы. Более 80% мирового населения ...Читать далее...
2017-05-15 14:39:33


Главная Информация Статьи Особенности включения светодиодов InGaN
Более 250 фирм, торгующих электронными компонентами в Санкт-Петербурге. Адреса, телефоны, e-mail, WWW, комментарии Данные представленные на сайте носят информационный характер и не являются публичной офертой.