Електронні компоненти і системи 
При роботі потужних світлодіодів великої яскравості серйозною проблемою є виділення великої кількості тепла. Відомо, що близько 80 % споживаної світлодіодом потужності розсіюється у вигляді тепла. Розробники систем освітлення автомобіля можуть зіткнутися з необхідністю вирішення цієї проблеми.
А. Мельниченко
Уже ні в кого не викликає сумніву той факт, що стійкість до механічних впливів і великий термін служби світлодіодів підтверджують незаперечні переваги їх використання в автомобільній електроніці. Однак при застосуванні потужних світлодіодів великої яскравості серйозною проблемою є виділення великої кількості тепла, оскільки відомо, що в тепло перетворюється близько 80 % споживаної світлодіодом потужності.
Оскільки навіть найбільш ефективні способи відводу тепла можуть виявитися неприйнятними при створенні системи освітлення, завдання підтримання безпечних режимів експлуатації світлодіодів і зменшення впливу теплових ефектів на їх термін служби лягає на автомобільну електроніку.
Залежність параметрів світлодіодів від температури
Навіть побіжне знайомство з технічними умовами на світлодіоди великої яскравості дозволяє виділити деякі з основних параметрів, що погіршуються з підвищенням температури.
Термін служби світлодіодів обернено пропорційний розсіюваній потужності та температурі переходу. Виробники світлодіодів гарантують час середнього напрацювання до відмови (MTBF) близько 100 млн годин при 80 °C. На практиці відмова світлодіодів в автомобільних системах не є джерелом великих проблем. Однак при недостатньому відводі тепла температура переходу світлодіодів може підвищуватися до 120 °C і більше, що призводить до суттєвого скорочення їх терміну служби, а в окремих випадках — до виходу з ладу.
Зазвичай світлодіоди розташовують у пластмасових корпусах, які, по-перше, перешкоджають ефективному відводу тепла, а, по-друге, не дозволяють розмістити тепловідводи необхідної площі.
Відносна величина світлового потоку, що випромінюється світлодіодом, обернено пропорційна температурі його переходу. Хоча технічні умови різних виробників світлодіодів відрізняються один від одного, однак наведені в них дані дозволяють зробити висновок про те, що зменшення світлового потоку при максимальній температурі становить порядку 30 %.
Зменшення світлового потоку з плином часу також пропорційне температурі переходу і становить зазвичай 30 % після 50 тис. годин роботи при TJ=70T_J = 70 °C. Можна припустити, що з ростом температури цей процес буде посилюватися, однак числові співвідношення в літературі не наводяться.
На практиці зменшення світловіддачі (незалежно від причини, що його викликала) не є серйозною проблемою. У всякому разі, ефективність світлодіодів зіставна з альтернативними джерелами світла.
Методи зменшення температури переходу
В електронні пристрої для живлення світлодіодів можуть бути закладені додаткові функції контролю температури переходу та регулювання струму через світлодіод для підтримання цієї температури в заданих межах, що дозволить запобігти передчасному виходу світлодіода з ладу. Струм через світлодіод при цьому, природно, зменшиться, однак термін його служби збільшиться.
На рис. 1 показана електрична схема одного з таких пристроїв, у якому для регулювання температури використано DC/DC-перетворювач з вольт-добавкою. Пристрій дозволяє регулювати струм світлодіода в межах до 1 А. Його напруга живлення становить від 4 до 6 В.
Опис роботи перетворювача
Коли ключ Q1 замкнений, струм протікає через світлодіод і котушку індуктивності L1. Цей струм досягає величини, при якій напруга на резисторі RsenseR_{sense} досягає порогового значення U1U_1. При цьому контролер ZXSC300 знімає напругу керування з ключа Q1 і останній закривається. Накопичена в індуктивності L1 енергія викликає протікання струму через діод D1 і світлодіод. Через 1.7 мкс контролер знову подає керуючу напругу на ключ Q1 і процес повторюється з частотою близько 150 кГц.
Регулювання температури світлодіода
Для регулювання температури використовується NTC-терморезистор опором 150 кОм, що має тепловий контакт зі світлодіодом. З підвищенням температури опір терморезистора зменшується, а напруга на виводі ISENSE контролера збільшується. Це, у свою чергу, призводить до того, що контролер вимикає ключ Q1 при меншому струмі через світлодіод. Опори резисторів RgainR_{gain} і RsenseR_{sense} вибираються такими, щоб температура світлодіода не перевищувала певного максимального значення. Як видно з графіка рис. 2, зміни напруги живлення практично не впливають на процес регулювання температури.
Таблиця залежності опору терморезистора і струму світлодіода від температури
| Температура, °С | Rntc> кОм | beak. | ||
| А | Alneak, % | |||
| -25 | 28 000 | 1.00 | 20 | |
| 0 | 600 | 1.00 | 19 | |
| 25 | 160 | 0.98 | 18 | |
| 50 | 50 | 0.94 | 13 | |
| 75 | 18 | 0.83 | 0 | |
| 100 | 7 | 0.57 | -31 | |
| 125 | 1.6 | 0.00 | -100 | |
Розрахунок параметрів схеми
Залежності між опорами резисторів і параметрами схеми, показаної на рис. 1, виражаються простими співвідношеннями:
VCC—Vsense=IthermalxRNTC.
Напруга VsenseV_{sense} контролера ZXSC300 становить 20 мВ і практично не залежить від напруги VCCV_{CC}.
Таким чином,
Ithermal=VCC/RNTC.
Приймаючи
Ipeak>>Ithermal и Rgain>>Rsense,
отримуємо:
Vsense=(Itherma|XRgain)+(IpeakXRsense), Ipeak=(Vsense—ItheimalxRgain)/Rsense = /Rsense.
У цій схемі як датчик температури використовується терморезистор фірми Taiyo Yuden опором 150 кОм. Максимальна температура світлодіода підтримується на рівні 75 °C, струм світлодіода становить 833 мА. Опір резистора RgainR_{gain} становить 10 Ом, а RsenseR_{sense} — 20 мОм.
У таблиці наведена залежність опору терморезистора і максимального струму світлодіода від температури. Графік цієї залежності в інтервалі напруг живлення від 4 до 6 В показаний на рис. 2.
Параметри цієї схеми розраховані на струм світлодіода 833 мА. Зміною величини RsenseR_{sense} схема може бути легко перебудована для струмів меншої величини. Значення граничної температури можна змінити підбором опору резистора RgainR_{gain}.
Висновок
Наведені в статті дані показують, що потужні і відносно дорогі світлодіоди високої яскравості можуть бути захищені від перегріву шляхом додавання в схему керування кількох простих і дешевих компонентів. Таким же способом можна створити схему захисту з використанням і інших контролерів серії ZXSC.
