一種提高發光二極管亮度溫度穩定性的簡單方法

李安妮　夏紅勝　高原

摘要 為解決發光二極管（LED）的亮度隨其溫度而變化的問題，設計并實驗實現了一種提高其發光溫度穩定性的簡單方法。將一個熱敏電阻與一個普通電阻并聯，再將它們與LED串聯，當環境溫度變化時，熱敏電阻的阻值隨之改變，由此引起的電路中電流的變化可以補償LED光輸出隨溫度的變化。本實驗設計不但實現了一種利用熱敏電阻減小LED亮度隨溫度變化的一種簡單方法，同時學習了通過實驗數據確定熱敏電阻溫度系數的方法，以及將熱敏電阻與溫度的非線性關系通過并聯電路將其線性化的方法。

關鍵詞 發光二極管 溫度補償 熱敏電阻

中圖分類號：TN141文獻標識碼：A

0 引言

與日光燈、白熾燈相比，發光二極管（LED）具有發光效率高、壽命長、體積小、環保等優點，已被廣泛應用于照明、顯示等領域。①②但LED在長期運行中尚存在一些問題，例如其發光亮度隨其自身及環境溫度而變化。③LED的相對光輸出（%）與其PN結溫度的關系一般可表示為：

式中為溫度，為某一參照溫度（例如室溫），（）為相應溫度下的光通量，為溫度系數，其取值范圍一般是 ≈ 0.001 ～0.02。

一般而言，LED的光輸出與其驅動電流成正比。為了解決上述光輸出隨其溫度變化的問題，目前研究人員已經研制出各種專用集成電路，用于控制和補償LED的驅動電流隨溫度的變化，使其光輸出穩定。②④但一般用于控制LED光輸出的專用集成電路價格較貴；且這些復雜集成電路工作時還需要額外的供電電源，增加了電路功率消耗。

既然LED的光輸出與其驅動電流成正比，因此可以通過控制其電流來調節和控制其光輸出。電阻具有限制電路中電流的作用，可以通過改變電阻來調節電路中的電流。熱敏電阻是一個其阻值可以隨溫度變化的可變電阻，一般熱敏電阻與溫度的關系式為：⑤

式中為電阻溫度系數，為絕對溫度（），是溫度為時的電阻值。

根據（1）式，一般LED的光輸出隨其溫度的升高而降低，而又已知LED的光輸出與其驅動電流成正比，因此當溫度升高時，我們應設法提高其驅動電流，以補償其光輸出隨其溫度的變化。又由歐姆定律可知，電路中電壓一定時，若電阻減小則電流增大；如果在LED所在電路中串聯一個具有負溫度系數（NTC）的熱敏電阻（其阻值隨溫度升高而減小），則其驅動電流增大，即可補償其光輸出隨其溫度而減小的變化。由此可見，利用具有負溫度系數的熱敏電阻來補償LED光輸出隨溫度的變化在理論上是可行的。

1 實驗步驟與方法

（1）實驗研究具有負溫度系數的熱敏電阻（NTC）阻值與溫度的關系。通過實驗數據分析與計算，測量出（2）式中的電阻溫度系數。為此，將（2）式兩邊同除以，再取自然對數，可得

實驗中能夠測量的是不同溫度條件下NTC的電阻值。根據（3）式作數據圖，其橫坐標為（），縱坐標為，則由其數據線的斜率即可得到待測的值。

（2）設計電路使可變電阻值隨溫度線性變化。一般LED光輸出與其驅動電流為線性關系，且電路電壓一定時，電流與電阻成反比關系，但由（2）式可知，NTC的電阻值與溫度之間為指數關系，不是線性關系。因此，應設計電路使NTC的阻值隨溫度線性變化。我們采取并聯固定電阻的方法來實現NTC的近似線性化。根據我們所學過的并聯電路知識，將NTC與一個固定電阻并聯，其等效電阻可表示為：

（3）實驗測量一個LED樣品的光輸出隨溫度變化的實際函數關系。根據現有實驗條件，可簡單采用光纖傳光和光電探測的方法測量LED的光輸出；利用可控溫箱，可以調節改變LED的溫度。

（4）實驗研究利用NTC型熱敏電阻實現LED光輸出的溫度補償。根據上述相關實驗結果，并選擇合適的元器件參數，將上述并聯等效電阻串聯到LED電路中，在電壓一定的條件下，測量LED的光輸出隨溫度變化情況，并與未補償時LED光輸出隨溫度變化的實驗數據相比較，從而實驗證明所提出的補償方法是可行的。

2 實驗結果與討論

2.1 研究一個熱敏電阻的阻值與溫度的關系

選擇一個室溫下（=25℃）電阻值約為=200 的NTC型熱敏電阻，實驗測量了其電阻值與溫度之間的關系，如圖2所示，與上述（2）式的指數關系一致。實驗中溫度數值由所用溫度實驗箱讀數得到，電阻值由萬用表測量得到。

再根據（3）式作直線數據圖，如圖3所示，其橫坐標為（），縱坐標為，由其斜率即可求得溫度系數 = 3144.4。因此該被測熱敏電阻阻值與溫度的實際關系為：

根據（5）式作出的指數關系曲線與圖3數據符合很好，如圖4所示。

2.2 利用熱敏電阻設計實現電阻值隨溫度線性變化

2.3 利用熱敏電阻補償LED的光輸出隨溫度的變化

首先測量LED光輸出隨溫度變化的關系，實驗裝置如圖6（a）所示，圖中Us為電壓源，是兩節干電池，其總電壓約為3V，K為電路開關，為限流電阻，LED為發紅色光的發光二極管，LED的光輸出耦合進入導光用塑料光纖（POF，其直徑為0.98mm），PD為光電探測器，其光電流正比于接收到的光強度，此光電流經電流～電壓變換和放大后得到輸出電壓，故可近似認為電壓正比于LED的光輸出。實驗所用元器件的實物照片如圖6（b）所示。

將上述補償電阻和接入LED驅動電路中，如圖6（a）中虛線所示，再測量LED光輸出隨溫度的變化。在（—40～+60）℃溫度范圍內實驗數據如圖7中●型數據點所示，其變化范圍約為25mV。可見，利用熱敏電阻補償后LED光輸出隨溫度變化范圍明顯減小，約為未補償時光輸出變化范圍的1/3。故上述利用熱敏電阻的補償方案是有效的。

2.4 討論

利用塑料光纖（POF）耦合并導出LED光強度時，只能耦合導出LED頂端前向光輸出，LED的側向光一般不能進入POF。因而將POF導出的光強度作為LED的光輸出，并利用光電檢測信號近似代替LED光輸出會產生測量誤差。LED的透明封裝材料的折射率隨溫度變化，直接影響其光輸出與POF的耦合效率，從而引起測量誤差。圖7所示實驗結果為單次補償實驗結果，尚不能完全補償LED的光輸出隨溫度的變化；表明所選擇的等效電阻值尚未達到理想值。通過進一步實驗與分析，選擇更加理想的等效電阻后，LED隨溫度的波動范圍還可以繼續減小。

3 結論

理論設計與實驗結果表明，利用低成本的熱敏電阻和普通固定電阻可以實現LED發光亮度的溫度補償，這種簡單方法在某些應用中可以取代價格較高的集成電路元件及其供電電源，具有一定工程實用價值。此外，通過本文實驗研究，可以學會通過實驗數據確定熱敏電阻溫度系數的方法，以及將熱敏電阻與溫度的非線性關系通過并聯電路將其線性化的方法。

注釋

① 蔣天堂.發光二極管的特性及驅動電源的發展趨勢[J].光源與照明，2010（3）：13—14，33.

② Tony Armstrong.LED驅動器IC可為眾多照明應用的發展起到引領作用[J].今日電子，2012（6）：52—54.

③ 田傳軍，張希艷，鄒軍，王妍彥.溫度對大功率LED 照明系統光電參數的影響[J].發光學報，2010.31（1）：96—100.

④ 沙占友，孟志永.大功率LED的溫度補償技術及其應用[J].電源技術應用，2011.14（4）：60—64.

⑤ 吳思誠，虞寶珠.熱敏電阻溫度補償回路計算方法及其在電導儀中的應用[J].儀器儀表學報，1980.1（3）：40—48.