李安妮　夏紅勝　高原

摘要 為解決發(fā)光二極管（LED）的亮度隨其溫度而變化的問題，設(shè)計并實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了一種提高其發(fā)光溫度穩(wěn)定性的簡單方法。將一個熱敏電阻與一個普通電阻并聯(lián)，再將它們與LED串聯(lián)，當(dāng)環(huán)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(bǔ)償LED光輸出隨溫度的變化。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計不但實(shí)現(xiàn)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(xué)習(xí)了通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定熱敏電阻溫度系數(shù)的方法，以及將熱敏電阻與溫度的非線性關(guān)系通過并聯(lián)電路將其線性化的方法。

關(guān)鍵詞 發(fā)光二極管 溫度補(bǔ)償 熱敏電阻

中圖分類號：TN141文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 引言

與日光燈、白熾燈相比，發(fā)光二極管（LED）具有發(fā)光效率高、壽命長、體積小、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于照明、顯示等領(lǐng)域。①②但LED在長期運(yùn)行中尚存在一些問題，例如其發(fā)光亮度隨其自身及環(huán)境溫度而變化。③LED的相對光輸出（%）與其PN結(jié)溫度的關(guān)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(yīng)溫度下的光通量，為溫度系數(shù)，其取值范圍一般是 ≈ 0.001 ～0.02。

一般而言，LED的光輸出與其驅(qū)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(jīng)研制出各種專用集成電路，用于控制和補(bǔ)償LED的驅(qū)動電流隨溫度的變化，使其光輸出穩(wěn)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(fù)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(qū)動電流成正比，因此可以通過控制其電流來調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)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(guān)系式為：⑤

式中為電阻溫度系數(shù)，為絕對溫度（），是溫度為時的電阻值。

根據(jù)（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(qū)動電流成正比，因此當(dāng)溫度升高時，我們應(yīng)設(shè)法提高其驅(qū)動電流，以補(bǔ)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(lián)一個具有負(fù)溫度系數(shù)（NTC）的熱敏電阻（其阻值隨溫度升高而減?。?，則其驅(qū)動電流增大，即可補(bǔ)償其光輸出隨其溫度而減小的變化。由此可見，利用具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻來補(bǔ)償LED光輸出隨溫度的變化在理論上是可行的。

1 實(shí)驗(yàn)步驟與方法

（1）實(shí)驗(yàn)研究具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻（NTC）阻值與溫度的關(guān)系。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與計算，測量出（2）式中的電阻溫度系數(shù)。為此，將（2）式兩邊同除以，再取自然對數(shù)，可得

實(shí)驗(yàn)中能夠測量的是不同溫度條件下NTC的電阻值。根據(jù)（3）式作數(shù)據(jù)圖，其橫坐標(biāo)為（），縱坐標(biāo)為，則由其數(shù)據(jù)線的斜率即可得到待測的值。

（2）設(shè)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(qū)動電流為線性關(guān)系，且電路電壓一定時，電流與電阻成反比關(guān)系，但由（2）式可知，NTC的電阻值與溫度之間為指數(shù)關(guān)系，不是線性關(guān)系。因此，應(yīng)設(shè)計電路使NTC的阻值隨溫度線性變化。我們采取并聯(lián)固定電阻的方法來實(shí)現(xiàn)NTC的近似線性化。根據(jù)我們所學(xué)過的并聯(lián)電路知識，將NTC與一個固定電阻并聯(lián)，其等效電阻可表示為：

（3）實(shí)驗(yàn)測量一個LED樣品的光輸出隨溫度變化的實(shí)際函數(shù)關(guān)系。根據(jù)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)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(diào)節(jié)改變LED的溫度。

（4）實(shí)驗(yàn)研究利用NTC型熱敏電阻實(shí)現(xiàn)LED光輸出的溫度補(bǔ)償。根據(jù)上述相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并選擇合適的元器件參數(shù)，將上述并聯(lián)等效電阻串聯(lián)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(bǔ)償時LED光輸出隨溫度變化的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相比較，從而實(shí)驗(yàn)證明所提出的補(bǔ)償方法是可行的。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 研究一個熱敏電阻的阻值與溫度的關(guān)系

選擇一個室溫下（=25℃）電阻值約為=200 的NTC型熱敏電阻，實(shí)驗(yàn)測量了其電阻值與溫度之間的關(guān)系，如圖2所示，與上述（2）式的指數(shù)關(guān)系一致。實(shí)驗(yàn)中溫度數(shù)值由所用溫度實(shí)驗(yàn)箱讀數(shù)得到，電阻值由萬用表測量得到。

再根據(jù)（3）式作直線數(shù)據(jù)圖，如圖3所示，其橫坐標(biāo)為（），縱坐標(biāo)為，由其斜率即可求得溫度系數(shù) = 3144.4。因此該被測熱敏電阻阻值與溫度的實(shí)際關(guān)系為：

根據(jù)（5）式作出的指數(shù)關(guān)系曲線與圖3數(shù)據(jù)符合很好，如圖4所示。

2.2 利用熱敏電阻設(shè)計實(shí)現(xiàn)電阻值隨溫度線性變化

2.3 利用熱敏電阻補(bǔ)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(guān)系，實(shí)驗(yàn)裝置如圖6（a）所示，圖中Us為電壓源，是兩節(jié)干電池，其總電壓約為3V，K為電路開關(guān)，為限流電阻，LED為發(fā)紅色光的發(fā)光二極管，LED的光輸出耦合進(jìn)入導(dǎo)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(qiáng)度，此光電流經(jīng)電流～電壓變換和放大后得到輸出電壓，故可近似認(rèn)為電壓正比于LED的光輸出。實(shí)驗(yàn)所用元器件的實(shí)物照片如圖6（b）所示。

將上述補(bǔ)償電阻和接入LED驅(qū)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(nèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖7中●型數(shù)據(jù)點(diǎn)所示，其變化范圍約為25mV。可見，利用熱敏電阻補(bǔ)償后LED光輸出隨溫度變化范圍明顯減小，約為未補(bǔ)償時光輸出變化范圍的1/3。故上述利用熱敏電阻的補(bǔ)償方案是有效的。

2.4 討論

利用塑料光纖（POF）耦合并導(dǎo)出LED光強(qiáng)度時，只能耦合導(dǎo)出LED頂端前向光輸出，LED的側(cè)向光一般不能進(jìn)入POF。因而將POF導(dǎo)出的光強(qiáng)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(chǎn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果為單次補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)結(jié)果，尚不能完全補(bǔ)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(dá)到理想值。通過進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)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(xù)減小。

3 結(jié)論

理論設(shè)計與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用低成本的熱敏電阻和普通固定電阻可以實(shí)現(xiàn)LED發(fā)光亮度的溫度補(bǔ)償，這種簡單方法在某些應(yīng)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(shí)用價值。此外，通過本文實(shí)驗(yàn)研究，可以學(xué)會通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定熱敏電阻溫度系數(shù)的方法，以及將熱敏電阻與溫度的非線性關(guān)系通過并聯(lián)電路將其線性化的方法。

注釋

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

② Tony Armstrong.LED驅(qū)動器IC可為眾多照明應(yīng)用的發(fā)展起到引領(lǐng)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(tǒng)光電參數(shù)的影響[J].發(fā)光學(xué)報，2010.31（1）：96—100.

④ 沙占友，孟志永.大功率LED的溫度補(bǔ)償技術(shù)及其應(yīng)用[J].電源技術(shù)應(yīng)用，2011.14（4）：60—64.

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