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.