一種輻射定標(biāo)光源LED驅(qū)動(dòng)電路

韓振偉　馬慶軍

摘要：為了在軌定標(biāo)空間光學(xué)儀器，需要獲得具有穩(wěn)定發(fā)光強(qiáng)度的輻射定標(biāo)光源LED。該文分析了輻射定標(biāo)光源LED自身特性以及影響因素，并且給出了LED驅(qū)動(dòng)電路，詳細(xì)闡述了電路參數(shù)與驅(qū)動(dòng)電流的關(guān)系。最終，驅(qū)動(dòng)電路滿足輸出電流精度0.1%的指標(biāo)要求。

關(guān)鍵詞：LED；穩(wěn)定性；發(fā)光強(qiáng)度

中圖分類號(hào)：TN312.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）32-7761-02

Abstract： In order to calibrate space optical instrument on orbit ，LED Light Source must be provided with stable luminous intensity in Radiometric Calibration.This paper analyzes LED's characteristics and influence factors of radiometric calibration LED light source ，then， the LED drive circuit is Given，and the relationship between the circuit parameters and the driving current is described.Finally ，the driving circuits meet the requirements of the output current accuracy of 0.1%.

Key words： LED；stability；luminous intensity

1 概述

半導(dǎo)體發(fā)光二極管簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)ED。由含鎵、砷、磷、氮等的化合物制成的二極管。當(dāng)電子與空穴復(fù)合時(shí)能輻射出可見光。LED只能往一個(gè)方向?qū)ǎㄍ姡?，叫作正向偏置（正向偏壓），?dāng)電流流過時(shí)，電子與空穴在其內(nèi)復(fù)合而發(fā)出單色光，這叫電致發(fā)光效應(yīng)，而光線的波長(zhǎng)、顏色跟其所采用的半導(dǎo)體材料種類與摻入的元素雜質(zhì)有關(guān)。具有效率高、壽命長(zhǎng)、不易破損、開關(guān)速度高、高可靠性等傳統(tǒng)光源不及的優(yōu)點(diǎn)。白光LED的發(fā)光效率，在近幾年來已經(jīng)有明顯的提升，應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛。

在空間衛(wèi)星應(yīng)用領(lǐng)域，LED作為輻射定標(biāo)光源非常廣泛。LED擁有壽命長(zhǎng)、穩(wěn)定性高、功耗低、發(fā)光效率高、體積小、抗沖擊抗振動(dòng)性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，使其十分適合在苛刻的空間環(huán)境中使用。

輻射定標(biāo)光源作為輻射量已知，輻射輸出穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)光源應(yīng)用。對(duì)于長(zhǎng)期在軌工作的光學(xué)儀器來說，保證儀器穩(wěn)定是首要任務(wù)，所以必須定期對(duì)儀器的響應(yīng)度進(jìn)行校正，才能完成空間探測(cè)任務(wù)。將LED用做星上輻射定標(biāo)光源，根據(jù)衛(wèi)星應(yīng)用的實(shí)際需要，必須在外太空真空環(huán)境下工作數(shù)月甚至數(shù)年的時(shí)間。

2 LED基本特性

星上輻射定標(biāo)光源要求具有足夠的光能、較高的色溫、穩(wěn)定的光譜和輻射輸出；由于星上輻射定標(biāo)光源是衛(wèi)星有效載荷的一部分，衛(wèi)星有效載荷工作在高真空的外層空間，環(huán)境條件極為苛刻，LED作為星上輻射定標(biāo)光源除了能夠適應(yīng)一般條件外還要能夠在空間環(huán)境中正常、穩(wěn)定地工作。除了要求LED光源的機(jī)械穩(wěn)定性、光學(xué)穩(wěn)定性和電學(xué)穩(wěn)定性外，對(duì)于其壽命、體積、能耗、靈敏度和輻射強(qiáng)度等都要有嚴(yán)格的要求。

運(yùn)算放大器U21根據(jù)取樣電阻R22和R23的電壓值負(fù)反饋，進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整場(chǎng)效應(yīng)管Q21的GS間電壓。當(dāng)LED燈串聯(lián)回路中受到干擾，或者LED內(nèi)阻微小發(fā)生變化時(shí)，假設(shè)LED電流變大，此時(shí)取樣電阻的反饋電壓也隨之變大，運(yùn)算放大器輸出電壓進(jìn)行調(diào)整，G端電壓變小，GS間電壓變小，場(chǎng)效應(yīng)管電流變小，從而保證LED電流恢復(fù)到恒定值。場(chǎng)效應(yīng)管等效為受運(yùn)算放大器調(diào)整的可變電阻，對(duì)串聯(lián)回路進(jìn)行電流調(diào)整。

輸出電流的穩(wěn)定性主要取決于基準(zhǔn)電壓的穩(wěn)定性和取樣電阻的穩(wěn)定性，AD586TQ基準(zhǔn)電壓長(zhǎng)期穩(wěn)定性為15ppm/1000h，取樣電阻選用金屬膜電阻，輸出電流的穩(wěn)定性遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足0.1%/h。

電路受環(huán)境溫度變化影響分析：AD586TQ基準(zhǔn)電壓芯片，溫度系數(shù)小于10ppm/℃，取樣電阻溫度系數(shù)小于±100ppm/℃，當(dāng)環(huán)境溫度變化為10℃時(shí)，輸出電流最大偏差至20.02mA，小于0.1%。當(dāng)環(huán)境溫度變化大于10℃以上時(shí)，若進(jìn)一步提高輸出電流穩(wěn)定性，使其保證在0.1%以內(nèi)，則需要選擇溫度系數(shù)更小的電阻，比如±25ppm/℃。但LED燈光強(qiáng)的穩(wěn)定性不僅僅取決于LED電流，還與自身性能有關(guān)，從圖2中可以看到LED發(fā)光強(qiáng)度與環(huán)境溫度變化的關(guān)系曲線，當(dāng)環(huán)境環(huán)境溫度變化過大的時(shí)候，即使電流不發(fā)生任何改變，LED發(fā)光強(qiáng)度也會(huì)有所變化。所以當(dāng)環(huán)境溫度大于10/℃的時(shí)候，繼續(xù)保證電流穩(wěn)定度小于0.1%意義不大。若隨環(huán)境溫度變化，LED發(fā)光強(qiáng)度發(fā)生變化的程度不可接受，可采用電流補(bǔ)償?shù)姆椒ㄟM(jìn)行彌補(bǔ)。

輸出電流初始精度分析：AD586TQ基準(zhǔn)電壓芯片初始精度±0.05%，取樣電阻由100歐姆和150歐姆構(gòu)成，初始精度為±0.1%，輸出電流初始值最差情況為20.03mA，可通過選取100歐姆和150歐姆電阻進(jìn)行調(diào)整，完全可以保證輸出電流0.1%精度。

4 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)證明，影響輻射定標(biāo)光源LED發(fā)光強(qiáng)度的因素很多，最主要的因素就是工作電流和環(huán)境溫度。該驅(qū)動(dòng)電路的精度和穩(wěn)定性完全滿足空間儀器輻射定標(biāo)需要。如果輻射定標(biāo)時(shí)間持續(xù)較長(zhǎng)，必須要考慮LED所處的環(huán)境溫度影響，可以增加溫度補(bǔ)償措施。

參考文獻(xiàn)：

[1] 麥鎮(zhèn)強(qiáng)，李鳳有，任建偉，等.星上定標(biāo)光源LED長(zhǎng)期工作的穩(wěn)定性[J].發(fā)光學(xué)報(bào)，2007，28（5）：748-753.

[2] 任建偉，麥鎮(zhèn)強(qiáng)，萬志，等.星上LED定標(biāo)光源的可行性研究[J].光學(xué)精密工程，2008，16（3）：398-405.

[3] 葉釗，任建偉，李憲圣，等.用于星上定標(biāo)光源的LED篩選裝置[J].光學(xué)精密工程，2012，20（1）：64-71.endprint

摘要：為了在軌定標(biāo)空間光學(xué)儀器，需要獲得具有穩(wěn)定發(fā)光強(qiáng)度的輻射定標(biāo)光源LED。該文分析了輻射定標(biāo)光源LED自身特性以及影響因素，并且給出了LED驅(qū)動(dòng)電路，詳細(xì)闡述了電路參數(shù)與驅(qū)動(dòng)電流的關(guān)系。最終，驅(qū)動(dòng)電路滿足輸出電流精度0.1%的指標(biāo)要求。

關(guān)鍵詞：LED；穩(wěn)定性；發(fā)光強(qiáng)度

中圖分類號(hào)：TN312.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）32-7761-02

Abstract： In order to calibrate space optical instrument on orbit ，LED Light Source must be provided with stable luminous intensity in Radiometric Calibration.This paper analyzes LED's characteristics and influence factors of radiometric calibration LED light source ，then， the LED drive circuit is Given，and the relationship between the circuit parameters and the driving current is described.Finally ，the driving circuits meet the requirements of the output current accuracy of 0.1%.

Key words： LED；stability；luminous intensity

1 概述

半導(dǎo)體發(fā)光二極管簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)ED。由含鎵、砷、磷、氮等的化合物制成的二極管。當(dāng)電子與空穴復(fù)合時(shí)能輻射出可見光。LED只能往一個(gè)方向?qū)ǎㄍ姡凶髡蚱茫ㄕ蚱珘海?，?dāng)電流流過時(shí)，電子與空穴在其內(nèi)復(fù)合而發(fā)出單色光，這叫電致發(fā)光效應(yīng)，而光線的波長(zhǎng)、顏色跟其所采用的半導(dǎo)體材料種類與摻入的元素雜質(zhì)有關(guān)。具有效率高、壽命長(zhǎng)、不易破損、開關(guān)速度高、高可靠性等傳統(tǒng)光源不及的優(yōu)點(diǎn)。白光LED的發(fā)光效率，在近幾年來已經(jīng)有明顯的提升，應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛。

在空間衛(wèi)星應(yīng)用領(lǐng)域，LED作為輻射定標(biāo)光源非常廣泛。LED擁有壽命長(zhǎng)、穩(wěn)定性高、功耗低、發(fā)光效率高、體積小、抗沖擊抗振動(dòng)性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，使其十分適合在苛刻的空間環(huán)境中使用。

輻射定標(biāo)光源作為輻射量已知，輻射輸出穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)光源應(yīng)用。對(duì)于長(zhǎng)期在軌工作的光學(xué)儀器來說，保證儀器穩(wěn)定是首要任務(wù)，所以必須定期對(duì)儀器的響應(yīng)度進(jìn)行校正，才能完成空間探測(cè)任務(wù)。將LED用做星上輻射定標(biāo)光源，根據(jù)衛(wèi)星應(yīng)用的實(shí)際需要，必須在外太空真空環(huán)境下工作數(shù)月甚至數(shù)年的時(shí)間。

2 LED基本特性

星上輻射定標(biāo)光源要求具有足夠的光能、較高的色溫、穩(wěn)定的光譜和輻射輸出；由于星上輻射定標(biāo)光源是衛(wèi)星有效載荷的一部分，衛(wèi)星有效載荷工作在高真空的外層空間，環(huán)境條件極為苛刻，LED作為星上輻射定標(biāo)光源除了能夠適應(yīng)一般條件外還要能夠在空間環(huán)境中正常、穩(wěn)定地工作。除了要求LED光源的機(jī)械穩(wěn)定性、光學(xué)穩(wěn)定性和電學(xué)穩(wěn)定性外，對(duì)于其壽命、體積、能耗、靈敏度和輻射強(qiáng)度等都要有嚴(yán)格的要求。

運(yùn)算放大器U21根據(jù)取樣電阻R22和R23的電壓值負(fù)反饋，進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整場(chǎng)效應(yīng)管Q21的GS間電壓。當(dāng)LED燈串聯(lián)回路中受到干擾，或者LED內(nèi)阻微小發(fā)生變化時(shí)，假設(shè)LED電流變大，此時(shí)取樣電阻的反饋電壓也隨之變大，運(yùn)算放大器輸出電壓進(jìn)行調(diào)整，G端電壓變小，GS間電壓變小，場(chǎng)效應(yīng)管電流變小，從而保證LED電流恢復(fù)到恒定值。場(chǎng)效應(yīng)管等效為受運(yùn)算放大器調(diào)整的可變電阻，對(duì)串聯(lián)回路進(jìn)行電流調(diào)整。

輸出電流的穩(wěn)定性主要取決于基準(zhǔn)電壓的穩(wěn)定性和取樣電阻的穩(wěn)定性，AD586TQ基準(zhǔn)電壓長(zhǎng)期穩(wěn)定性為15ppm/1000h，取樣電阻選用金屬膜電阻，輸出電流的穩(wěn)定性遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足0.1%/h。

電路受環(huán)境溫度變化影響分析：AD586TQ基準(zhǔn)電壓芯片，溫度系數(shù)小于10ppm/℃，取樣電阻溫度系數(shù)小于±100ppm/℃，當(dāng)環(huán)境溫度變化為10℃時(shí)，輸出電流最大偏差至20.02mA，小于0.1%。當(dāng)環(huán)境溫度變化大于10℃以上時(shí)，若進(jìn)一步提高輸出電流穩(wěn)定性，使其保證在0.1%以內(nèi)，則需要選擇溫度系數(shù)更小的電阻，比如±25ppm/℃。但LED燈光強(qiáng)的穩(wěn)定性不僅僅取決于LED電流，還與自身性能有關(guān)，從圖2中可以看到LED發(fā)光強(qiáng)度與環(huán)境溫度變化的關(guān)系曲線，當(dāng)環(huán)境環(huán)境溫度變化過大的時(shí)候，即使電流不發(fā)生任何改變，LED發(fā)光強(qiáng)度也會(huì)有所變化。所以當(dāng)環(huán)境溫度大于10/℃的時(shí)候，繼續(xù)保證電流穩(wěn)定度小于0.1%意義不大。若隨環(huán)境溫度變化，LED發(fā)光強(qiáng)度發(fā)生變化的程度不可接受，可采用電流補(bǔ)償?shù)姆椒ㄟM(jìn)行彌補(bǔ)。

輸出電流初始精度分析：AD586TQ基準(zhǔn)電壓芯片初始精度±0.05%，取樣電阻由100歐姆和150歐姆構(gòu)成，初始精度為±0.1%，輸出電流初始值最差情況為20.03mA，可通過選取100歐姆和150歐姆電阻進(jìn)行調(diào)整，完全可以保證輸出電流0.1%精度。

4 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)證明，影響輻射定標(biāo)光源LED發(fā)光強(qiáng)度的因素很多，最主要的因素就是工作電流和環(huán)境溫度。該驅(qū)動(dòng)電路的精度和穩(wěn)定性完全滿足空間儀器輻射定標(biāo)需要。如果輻射定標(biāo)時(shí)間持續(xù)較長(zhǎng)，必須要考慮LED所處的環(huán)境溫度影響，可以增加溫度補(bǔ)償措施。

參考文獻(xiàn)：

[1] 麥鎮(zhèn)強(qiáng)，李鳳有，任建偉，等.星上定標(biāo)光源LED長(zhǎng)期工作的穩(wěn)定性[J].發(fā)光學(xué)報(bào)，2007，28（5）：748-753.

[2] 任建偉，麥鎮(zhèn)強(qiáng)，萬志，等.星上LED定標(biāo)光源的可行性研究[J].光學(xué)精密工程，2008，16（3）：398-405.

[3] 葉釗，任建偉，李憲圣，等.用于星上定標(biāo)光源的LED篩選裝置[J].光學(xué)精密工程，2012，20（1）：64-71.endprint

摘要：為了在軌定標(biāo)空間光學(xué)儀器，需要獲得具有穩(wěn)定發(fā)光強(qiáng)度的輻射定標(biāo)光源LED。該文分析了輻射定標(biāo)光源LED自身特性以及影響因素，并且給出了LED驅(qū)動(dòng)電路，詳細(xì)闡述了電路參數(shù)與驅(qū)動(dòng)電流的關(guān)系。最終，驅(qū)動(dòng)電路滿足輸出電流精度0.1%的指標(biāo)要求。

關(guān)鍵詞：LED；穩(wěn)定性；發(fā)光強(qiáng)度

中圖分類號(hào)：TN312.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）32-7761-02

Abstract： In order to calibrate space optical instrument on orbit ，LED Light Source must be provided with stable luminous intensity in Radiometric Calibration.This paper analyzes LED's characteristics and influence factors of radiometric calibration LED light source ，then， the LED drive circuit is Given，and the relationship between the circuit parameters and the driving current is described.Finally ，the driving circuits meet the requirements of the output current accuracy of 0.1%.

Key words： LED；stability；luminous intensity

1 概述

半導(dǎo)體發(fā)光二極管簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)ED。由含鎵、砷、磷、氮等的化合物制成的二極管。當(dāng)電子與空穴復(fù)合時(shí)能輻射出可見光。LED只能往一個(gè)方向?qū)ǎㄍ姡?，叫作正向偏置（正向偏壓），?dāng)電流流過時(shí)，電子與空穴在其內(nèi)復(fù)合而發(fā)出單色光，這叫電致發(fā)光效應(yīng)，而光線的波長(zhǎng)、顏色跟其所采用的半導(dǎo)體材料種類與摻入的元素雜質(zhì)有關(guān)。具有效率高、壽命長(zhǎng)、不易破損、開關(guān)速度高、高可靠性等傳統(tǒng)光源不及的優(yōu)點(diǎn)。白光LED的發(fā)光效率，在近幾年來已經(jīng)有明顯的提升，應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛。

在空間衛(wèi)星應(yīng)用領(lǐng)域，LED作為輻射定標(biāo)光源非常廣泛。LED擁有壽命長(zhǎng)、穩(wěn)定性高、功耗低、發(fā)光效率高、體積小、抗沖擊抗振動(dòng)性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，使其十分適合在苛刻的空間環(huán)境中使用。

輻射定標(biāo)光源作為輻射量已知，輻射輸出穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)光源應(yīng)用。對(duì)于長(zhǎng)期在軌工作的光學(xué)儀器來說，保證儀器穩(wěn)定是首要任務(wù)，所以必須定期對(duì)儀器的響應(yīng)度進(jìn)行校正，才能完成空間探測(cè)任務(wù)。將LED用做星上輻射定標(biāo)光源，根據(jù)衛(wèi)星應(yīng)用的實(shí)際需要，必須在外太空真空環(huán)境下工作數(shù)月甚至數(shù)年的時(shí)間。

2 LED基本特性

星上輻射定標(biāo)光源要求具有足夠的光能、較高的色溫、穩(wěn)定的光譜和輻射輸出；由于星上輻射定標(biāo)光源是衛(wèi)星有效載荷的一部分，衛(wèi)星有效載荷工作在高真空的外層空間，環(huán)境條件極為苛刻，LED作為星上輻射定標(biāo)光源除了能夠適應(yīng)一般條件外還要能夠在空間環(huán)境中正常、穩(wěn)定地工作。除了要求LED光源的機(jī)械穩(wěn)定性、光學(xué)穩(wěn)定性和電學(xué)穩(wěn)定性外，對(duì)于其壽命、體積、能耗、靈敏度和輻射強(qiáng)度等都要有嚴(yán)格的要求。

運(yùn)算放大器U21根據(jù)取樣電阻R22和R23的電壓值負(fù)反饋，進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整場(chǎng)效應(yīng)管Q21的GS間電壓。當(dāng)LED燈串聯(lián)回路中受到干擾，或者LED內(nèi)阻微小發(fā)生變化時(shí)，假設(shè)LED電流變大，此時(shí)取樣電阻的反饋電壓也隨之變大，運(yùn)算放大器輸出電壓進(jìn)行調(diào)整，G端電壓變小，GS間電壓變小，場(chǎng)效應(yīng)管電流變小，從而保證LED電流恢復(fù)到恒定值。場(chǎng)效應(yīng)管等效為受運(yùn)算放大器調(diào)整的可變電阻，對(duì)串聯(lián)回路進(jìn)行電流調(diào)整。

輸出電流的穩(wěn)定性主要取決于基準(zhǔn)電壓的穩(wěn)定性和取樣電阻的穩(wěn)定性，AD586TQ基準(zhǔn)電壓長(zhǎng)期穩(wěn)定性為15ppm/1000h，取樣電阻選用金屬膜電阻，輸出電流的穩(wěn)定性遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足0.1%/h。

電路受環(huán)境溫度變化影響分析：AD586TQ基準(zhǔn)電壓芯片，溫度系數(shù)小于10ppm/℃，取樣電阻溫度系數(shù)小于±100ppm/℃，當(dāng)環(huán)境溫度變化為10℃時(shí)，輸出電流最大偏差至20.02mA，小于0.1%。當(dāng)環(huán)境溫度變化大于10℃以上時(shí)，若進(jìn)一步提高輸出電流穩(wěn)定性，使其保證在0.1%以內(nèi)，則需要選擇溫度系數(shù)更小的電阻，比如±25ppm/℃。但LED燈光強(qiáng)的穩(wěn)定性不僅僅取決于LED電流，還與自身性能有關(guān)，從圖2中可以看到LED發(fā)光強(qiáng)度與環(huán)境溫度變化的關(guān)系曲線，當(dāng)環(huán)境環(huán)境溫度變化過大的時(shí)候，即使電流不發(fā)生任何改變，LED發(fā)光強(qiáng)度也會(huì)有所變化。所以當(dāng)環(huán)境溫度大于10/℃的時(shí)候，繼續(xù)保證電流穩(wěn)定度小于0.1%意義不大。若隨環(huán)境溫度變化，LED發(fā)光強(qiáng)度發(fā)生變化的程度不可接受，可采用電流補(bǔ)償?shù)姆椒ㄟM(jìn)行彌補(bǔ)。

輸出電流初始精度分析：AD586TQ基準(zhǔn)電壓芯片初始精度±0.05%，取樣電阻由100歐姆和150歐姆構(gòu)成，初始精度為±0.1%，輸出電流初始值最差情況為20.03mA，可通過選取100歐姆和150歐姆電阻進(jìn)行調(diào)整，完全可以保證輸出電流0.1%精度。

4 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)證明，影響輻射定標(biāo)光源LED發(fā)光強(qiáng)度的因素很多，最主要的因素就是工作電流和環(huán)境溫度。該驅(qū)動(dòng)電路的精度和穩(wěn)定性完全滿足空間儀器輻射定標(biāo)需要。如果輻射定標(biāo)時(shí)間持續(xù)較長(zhǎng)，必須要考慮LED所處的環(huán)境溫度影響，可以增加溫度補(bǔ)償措施。

參考文獻(xiàn)：

[1] 麥鎮(zhèn)強(qiáng)，李鳳有，任建偉，等.星上定標(biāo)光源LED長(zhǎng)期工作的穩(wěn)定性[J].發(fā)光學(xué)報(bào)，2007，28（5）：748-753.

[2] 任建偉，麥鎮(zhèn)強(qiáng)，萬志，等.星上LED定標(biāo)光源的可行性研究[J].光學(xué)精密工程，2008，16（3）：398-405.

[3] 葉釗，任建偉，李憲圣，等.用于星上定標(biāo)光源的LED篩選裝置[J].光學(xué)精密工程，2012，20（1）：64-71.endprint