一种提高发光二极管亮度温度稳定性的简单方法

李安妮　夏红胜　高原

摘要 为解决发光二极管（LED）的亮度随其温度而变化的问题，设计并实验实现了一种提高其发光温度稳定性的简单方法。将一个热敏电阻与一个普通电阻并联，再将它们与LED串联，当环境温度变化时，热敏电阻的阻值随之改变，由此引起的电路中电流的变化可以补偿LED光输出随温度的变化。本实验设计不但实现了一种利用热敏电阻减小LED亮度随温度变化的一种简单方法，同时学习了通过实验数据确定热敏电阻温度系数的方法，以及将热敏电阻与温度的非线性关系通过并联电路将其线性化的方法。

关键词 发光二极管 温度补偿 热敏电阻

中图分类号：TN141文献标识码：A

0 引言

与日光灯、白炽灯相比，发光二极管（LED）具有发光效率高、寿命长、体积小、环保等优点，已被广泛应用于照明、显示等领域。①②但LED在长期运行中尚存在一些问题，例如其发光亮度随其自身及环境温度而变化。③LED的相对光输出（%）与其PN结温度的关系一般可表示为：

式中为温度，为某一参照温度（例如室温），（）为相应温度下的光通量，为温度系数，其取值范围一般是 ≈ 0.001 ～0.02。

一般而言，LED的光输出与其驱动电流成正比。为了解决上述光输出随其温度变化的问题，目前研究人员已经研制出各种专用集成电路，用于控制和补偿LED的驱动电流随温度的变化，使其光输出稳定。②④但一般用于控制LED光输出的专用集成电路价格较贵；且这些复杂集成电路工作时还需要额外的供电电源，增加了电路功率消耗。

既然LED的光输出与其驱动电流成正比，因此可以通过控制其电流来调节和控制其光输出。电阻具有限制电路中电流的作用，可以通过改变电阻来调节电路中的电流。热敏电阻是一个其阻值可以随温度变化的可变电阻，一般热敏电阻与温度的关系式为：⑤

式中为电阻温度系数，为绝对温度（），是温度为时的电阻值。

根据（1）式，一般LED的光输出随其温度的升高而降低，而又已知LED的光输出与其驱动电流成正比，因此当温度升高时，我们应设法提高其驱动电流，以补偿其光输出随其温度的变化。又由欧姆定律可知，电路中电压一定时，若电阻减小则电流增大；如果在LED所在电路中串联一个具有负温度系数（NTC）的热敏电阻（其阻值随温度升高而减小），则其驱动电流增大，即可补偿其光输出随其温度而减小的变化。由此可见，利用具有负温度系数的热敏电阻来补偿LED光输出随温度的变化在理论上是可行的。

1 实验步骤与方法

（1）实验研究具有负温度系数的热敏电阻（NTC）阻值与温度的关系。通过实验数据分析与计算，测量出（2）式中的电阻温度系数。为此，将（2）式两边同除以，再取自然对数，可得

实验中能够测量的是不同温度条件下NTC的电阻值。根据（3）式作数据图，其横坐标为（），纵坐标为，则由其数据线的斜率即可得到待测的值。

（2）设计电路使可变电阻值随温度线性变化。一般LED光输出与其驱动电流为线性关系，且电路电压一定时，电流与电阻成反比关系，但由（2）式可知，NTC的电阻值与温度之间为指数关系，不是线性关系。因此，应设计电路使NTC的阻值随温度线性变化。我们采取并联固定电阻的方法来实现NTC的近似线性化。根据我们所学过的并联电路知识，将NTC与一个固定电阻并联，其等效电阻可表示为：

（3）实验测量一个LED样品的光输出随温度变化的实际函数关系。根据现有实验条件，可简单采用光纤传光和光电探测的方法测量LED的光输出；利用可控温箱，可以调节改变LED的温度。

（4）实验研究利用NTC型热敏电阻实现LED光输出的温度补偿。根据上述相关实验结果，并选择合适的元器件参数，将上述并联等效电阻串联到LED电路中，在电压一定的条件下，测量LED的光输出随温度变化情况，并与未补偿时LED光输出随温度变化的实验数据相比较，从而实验证明所提出的补偿方法是可行的。

2 实验结果与讨论

2.1 研究一个热敏电阻的阻值与温度的关系

选择一个室温下（=25℃）电阻值约为=200 的NTC型热敏电阻，实验测量了其电阻值与温度之间的关系，如图2所示，与上述（2）式的指数关系一致。实验中温度数值由所用温度实验箱读数得到，电阻值由万用表测量得到。

再根据（3）式作直线数据图，如图3所示，其横坐标为（），纵坐标为，由其斜率即可求得温度系数 = 3144.4。因此该被测热敏电阻阻值与温度的实际关系为：

根据（5）式作出的指数关系曲线与图3数据符合很好，如图4所示。

2.2 利用热敏电阻设计实现电阻值随温度线性变化

2.3 利用热敏电阻补偿LED的光输出随温度的变化

首先测量LED光输出随温度变化的关系，实验装置如图6（a）所示，图中Us为电压源，是两节干电池，其总电压约为3V，K为电路开关，为限流电阻，LED为发红色光的发光二极管，LED的光输出耦合进入导光用塑料光纤（POF，其直径为0.98mm），PD为光电探测器，其光电流正比于接收到的光强度，此光电流经电流～电压变换和放大后得到输出电压，故可近似认为电压正比于LED的光输出。实验所用元器件的实物照片如图6（b）所示。

将上述补偿电阻和接入LED驱动电路中，如图6（a）中虚线所示，再测量LED光输出随温度的变化。在（—40～+60）℃温度范围内实验数据如图7中●型数据点所示，其变化范围约为25mV。可见，利用热敏电阻补偿后LED光输出随温度变化范围明显减小，约为未补偿时光输出变化范围的1/3。故上述利用热敏电阻的补偿方案是有效的。

2.4 讨论

利用塑料光纤（POF）耦合并导出LED光强度时，只能耦合导出LED顶端前向光输出，LED的侧向光一般不能进入POF。因而将POF导出的光强度作为LED的光输出，并利用光电检测信号近似代替LED光输出会产生测量误差。LED的透明封装材料的折射率随温度变化，直接影响其光输出与POF的耦合效率，从而引起测量误差。图7所示实验结果为单次补偿实验结果，尚不能完全补偿LED的光输出随温度的变化；表明所选择的等效电阻值尚未达到理想值。通过进一步实验与分析，选择更加理想的等效电阻后，LED随温度的波动范围还可以继续减小。

3 结论

理论设计与实验结果表明，利用低成本的热敏电阻和普通固定电阻可以实现LED发光亮度的温度补偿，这种简单方法在某些应用中可以取代价格较高的集成电路元件及其供电电源，具有一定工程实用价值。此外，通过本文实验研究，可以学会通过实验数据确定热敏电阻温度系数的方法，以及将热敏电阻与温度的非线性关系通过并联电路将其线性化的方法。

注释

① 蒋天堂.发光二极管的特性及驱动电源的发展趋势[J].光源与照明，2010（3）：13—14，33.

② Tony Armstrong.LED驱动器IC可为众多照明应用的发展起到引领作用[J].今日电子，2012（6）：52—54.

③ 田传军，张希艳，邹军，王妍彦.温度对大功率LED 照明系统光电参数的影响[J].发光学报，2010.31（1）：96—100.

④ 沙占友，孟志永.大功率LED的温度补偿技术及其应用[J].电源技术应用，2011.14（4）：60—64.

⑤ 吴思诚，虞宝珠.热敏电阻温度补偿回路计算方法及其在电导仪中的应用[J].仪器仪表学报，1980.1（3）：40—48.