LED jako zdroj referenčního napětí

LED nemusí sloužit jen k indikaci stavu nebo ve výkonové podobě ke svícení. Mají další velmi zajímavé vlastnosti, které můžeme uplatnit. Tentokrát se podíváme na možnost využít je jako levný a celkem dobrý sériový stabilizátor respektive referenční zdroj napětí.

Základní a nejčastěji využívané zapojení LED je všeobecně známé. LED vždy musíme napájet ze zdroje proudu, ne ze zdroje napětí, tím by se zničily. Zdroj proudu nejjednodušeji získáme tak, že sériově s LED zapojíme rezistor s vhodným odporem a připojíme na (obvyklejší) zdroj napětí. Jak velký má být odpor? V prvním přiblížení můžeme zanedbat úbytek napětí na LED a spočítat jej jen z Ohmova zákona, velikosti napětí a jmenovitého proudu LED. Takže třeba pro napětí 5 V a typický proud 20 mA vyjde 5 V /0,02 A = 250 Ω. Takový rezistor není v používané řadě E12, takže jej nahradíme buď nejbližší vyšší hodnotou (kvůli bezpečnosti a menšímu proudu), to je 270 Ω, nebo s vědomím, že jsme zanedbali úbytek napětí na diodě, a proud bude ve skutečnosti nižší, hodnotou nejbližší nižší, tedy 220 Ω. V obou případech bude LED bezpečně fungovat, nicméně toto není správný postup.

Už v základních údajích prodejců najdeme kromě jmenovitého (maximálního trvalého) proudu údaj o úbytku napětí, pro červenou LED to může být například 2 V. Při lepším určení budeme s tímto údajem počítat. Napětí na rezistoru bude 5 – 2 = 3 V a hodnota odporu 3 V / 0,02 A = 150 Ω. Tento odpor je shodou okolností v řadě a můžeme je použít. Bude-li mít LED parametry přesně odpovídající udávaným, bude takto určený proud správný. V reálné situaci je lepší použít o něco větší odpor, nebo ještě lépe si skutečný úbytek napětí na dané LED změřit, protože úbytek bývá menší a v parametrech je uváděný spíše maximální. Ale to nyní není podstatné.

Položme si otázku, jak stabilní je úbytek napětí na LED, jak moc se mění především se změnou procházejícího proudu a s teplotou, to jsou dva nejdůležitější vlivy. Pokud budou tyto vlivy malé, můžeme LED použít i jako referenční zdroj napětí v obvodech.

Před několika léty jsem dělal měření a srovnání typických prvků používaných jako zdroje referenčního napětí – polovodičového přechodu signálové diody (1N4148), LED (HLMP 1300), malé Zenerovy diody (ZPD4V7), přechodu B-E tranzistoru (BC546B) a dvou specializovaných integrovaných obvodů, TL431C a ICL8069. Výsledné hodnoty docela překvapily. Získané údaje závislosti napětí na procházejícím proudu shrnuje tabulka.

Protože každý z referenčních zdrojů poskytuje jiné napětí, další tabulka ukazuje stejné naměřené hodnoty ale vztažené relativně k napětí při procházejícím proudu 1 mA. Protože se většinou snažíme minimalizovat odběr proudu, zajímají nás především právě referenční zdroje fungující kolem proudu 1 mA a nižším. Graf už jen představuje hodnoty z druhé tabulky v názornější podobě.

Co z těchto hodnot vyplývá? Specializované IO poskytují téměř dokonale stabilní napětí, ale až od určitého proudu. TL431C je výborný, dostupný a vcelku levný referenční zdroj (kusová maloobchodní cena kolem 5 Kč), pracuje však až od 1 mA, přesně tak, jak je uvedeno v jeho parametrech. Stejně tak ICL8069 dává výborné výsledky při proudu 0,1 mA a vyšším, mezi 0,1 a 1 mA je to z daného výběru nejlepší volba, ale je podstatně dražší (63 Kč). Mimo svůj zaručovaný rozsah proudů jsou oba IO nepoužitelné. A teď to zajímavé. Z ostatních prvků vykázala nejmenší závislost LED dioda HLMP 1300 a navíc je schopna funkce nejméně od 0,01 mA, pravděpodobně by vyhověla i při proudu o řád nižším. Přechod BE tranzistoru BC546B a běžnou diodu 1N4148 lze použít od 0,01mA, ale jejich závislost na procházejícím proudu je mnohem větší. Zenerova dioda je v uvažovaném rozsahu malých proudů nepoužitelná. I když se jednalo o nejmenší dostupný typ, její stabilizační účinky se začínají projevovat až kolem 3 mA.

Když budeme potřebovat malý stabilní zdroj proudu, pak v něm musíme použít referenční zdroj napětí, a je žádoucí, aby tento zdroj neměl velký odběr. Na dalším obrázku je vlevo standardní řešení s odporovým děličem (nejhorší a silně závislé na napájecím napětí), často používané podobné zapojení s diodami, které je podstatně méně závislé na změnách napájecího napětí, a vpravo totéž zapojení, ale s LED, které je jednodušší (má o součástku méně), stejně drahé, a má několikanásobně lepší stabilizační funkci.

Obdobně byla změřena i teplotní závislost napětí uvažovaných prvků při proudu 1 mA v rozsahu -4,4°C až 55°C. Naměřené závislosti jsou podle předpokladu téměř ideálně lineární. Výsledek shrnutý do grafu s relativními hodnotami ukazuje, že prvky určené ke stabilizaci mají (samozřejmě) nejlepší výsledky, ale pokud porovnáváme přechod BE tranzistoru, standardní signálovou diodu a LED, vychází teplotní stabilita LED také s velkým odstupem nejlépe.

Jak to ale bude s rozptylem vlastností různých LED? Nelze samozřejmě postihnout všechny, ale zkoušel jsem 12 LED vybraných z různých skupin použití a od různých výrobců. Výsledky byly velmi podobné:

Obdobně teplotní stabilita pro stejný vzorek 12 LED vyšla velmi podobně bez ohledu na typ LED:

Ukazuje se, že LED jsou jako referenční zdroje malého napětí velmi dobře použitelné, rozhodně jsou mnohem lepší, než v zapojeních často používané přechody BE tranzistorů nebo signálové diody. Samozřejmě nedosahují kvality součástek, které byly jako referenční zdroje napětí přímo určeny, ale většina těchto prvků vyžaduje mnohem větší pracovní proud nebo jsou mnohonásobně (asi 50x) dražší. Pro běžné nenáročné aplikace tedy má smysl LED takto použít.