Konstantes LED-Licht durch Kompensation der negativen LED-Temperaturkoeffizienten

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Marcus Knopp
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1 Konstantes LED-Licht durch Kompensation der negativen LED-Temperaturkoeffizienten Dr.-Ing. R. Jaschke Helmut-Schmidt-Universität / University of the Armed Forces Hamburg, Germany ANSYS Conference & 31.CADFEM Users Meeting Juni 2013, Mannheim 1

2 Gliederung 1. LEDs mit Vorwiderständen zur Stromstabilisierung 2. Bestimmung der LED-Temperaturkoeffizienten au 3. Abhängigkeiten der Stromstabilisierung, -toleranz 4. Materialien mit großen Temperaturkoeffizienten ar 5. Simulation der LED-Erwärmung mit Kompensation 6. Höhere Effizienz durch variable Vorwiderstände 7. Zusammenfassung 2

3 RGB-LED mit Vorwiderstand 300 Ω Blau Grün Rot 3

4 Rot-Grün-Blau-LED mit 5mA-Strom 4

5 RGB-LED: Lichtstrom, Lichtstärke relative Luminous Intensity Ι in cd 1,0 0,8 0,6 0,4 Ω=4πsin 2 (ϕ/4) Φ=ΩΙ=π 0,7cd=2,2lm ϕ=120 Ω=π P=3V*20mA=60mW η=φ/p=π700/60=37lm/w Green: λ=520nm Blue: λ=465nm Red: λ=625nm 0,2 0, Forward Current IF in ma 5

6 Messung der Stromerhöhung bei Erwärmung um 75K 24mA 3,5V Spannung URϑ Spannung UF=3,18V Strom IF=21,8mA 20mA IF=4,5mA +25% 3,1V 16mA Strom IF=17,3mA Spannung UF=2,95V UF/75K= 3,1mV/K 2,7V 6

7 Strom-Spannungs-Kennlinien 7

8 Bestimmung der LED-Temperaturkoeffizieten au 8

9 Messung der LED-Temperaturkoeffizieten au Gatestrom-Einfluss in U F I F Hysterese U F 9

10 zu schnelle Messung der LED-Temperaturkoeffizieten au Hysterese durch Streuinduktivität 10

11 zu langsame Messung der LED-Temperaturkoeffizieten au Hysterese durch Erwärmung 11

12 Ergebnisse der LED-Temperaturkoeffizieten au 12

13 Ergebnisse der LED-Temperaturkoeffizieten au 13

14 LED-Strom-Toleranz und LED-Temperaturkoeffiziet au ϑ=95 C; ε I =25% 25 au au-2000 ϑ=70 C; ε I =17% Stromtoleranz ε I in % 15 au-1413 au au au Temperatur ϑ in C Vorwiderstand 300Ω, ar=0; 6 LEDs mit au 14

15 LED-Strom-Toleranz undtemperaturkoeffiziet ar des Vorwiderstandes 300Ω Stromtoleranz ε I in % 25 ar ar+1500 ar+3000 ϑ=70 C; ε I =17% 15 ar+4576 ar ar+7500 ar kompensiert überkompensiert ϑ=70 C; ε I = 17% -25 Temperatur ϑ in C Vorwiderstand 300Ω mit ar; 6 LEDs, au= 1413ppm/K 15

16 Temperaturkoeffiziet ar des Vorwiderstandes 16

17 Temperaturkoeffiziet ar=4110ppm/k vom Nickel-Widerstand 100Ω 17

18 LED-Strom-Toleranz und Temperaturkoeffiziet ar eines kleineren Vorwiderstandes 100Ω ar0000 ar3000 ϑ=70 C; ε I =17% Stromtoleranz ε I in % 15 ar5800 ar ar ar n=6: UZ=20,52V Temperatur ϑ in C Vorwiderstand 100Ω mit ar; 6 LEDs, au= 1413ppm/K 18

19 LED-Strom-Toleranz und Temperaturkoeffiziet ar eines noch kleineren Vorwiderstandes 50Ω ar0000 ar7000 ϑ=70 C; ε I =17% Stromtoleranz ε I in % ar ar ar28000 ar n=6: UZ=19,64V Temperatur ϑ in C Vorwiderstand 50Ω mit ar; 6 LEDs, au= 1413ppm/K 19

20 LED-Strom-Toleranz und Spannungstoleranz für LED:aU=-1413ppm/K und 100Ω: ar=5800ppm/k ϑ=70 C; ε I =17% Stromtoleranz ε I in % ε I =6% ε U =1% Temperatur ϑ in C Vorwiderstand 100Ω mit ar=5800ppm/k; 6 LEDs, au= 1413ppm/K eu+3% eu+2% eu+1% eu+0% eu-1% eu-2% eu-3% eu-4% 20

21 Simulation der LED-Erwärmung um 75K 21

22 Spannung URϑ Strom IF IF=4,5mA +25% Spannung UF 22

23 Simulation: Strom IF Spannung UF IF=4mA Messung: Strom IF Spannung UF IF=4mA Spannung URϑ 23

24 Simulation: Strom IF Spannung UF IF=4mA Messung: Strom IF Spannung UF IF=4mA Spannung URϑ 24

25 Messung der Kompensation der Stromtoleranz bei Erwärmung um 50K Strom IF=20mA Spannung URϑ Spannung UF=3,1V 25

26 Höhere Effizienz durch variable Vorwiderstände Ω 94 Effizienz η in % ar14500/50 ar9000/50 ar0000/50 ar11000/100 ar5800/100 ar0000/100 ar11000/300 ar4576/300 ar0000/ Ω 300Ω Temperatur ϑ in C Vorwiderstand 50/100/300Ω, 6LEDs, au= 1413ppm/K 26

27 Integration der Vorwiderstände in LEDs 27

28 Zusammenfassung Die negativen LED-Temperaturkoeffizienten au der variablen Schleusenspannung UF0ϑ= UF0(1+aU ϑ) wurden gemessen. Widerstandsmaterialien mit großen positiven Temperaturkoeffizienten ar des variablen Vorwiderstandes RVϑ= RV(1+aR ϑ) wurden ermittelt. Eine vollständige Kompensation des neg. LED-Temperaturkoeffizienten durch den positiven Temperaturkoeffizienten des Vorwiderstandes und sogar Überkompensation sind möglich. Die Effizienzerhöhung von 78% bei 300Ω über 91% bei 100Ω auf 96% bei 50Ω durch variable Vorwiderstände wurde berechnet. Eine Integration der Vorwiderstände in den LEDs wird vorgeschlagen. 28

29 LEDs 29

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