Колориметрические характеристики светодиодов


Измерительная лаборатория для комплексного исследования характеристик светодиодов

к.т.н. - Сергей Никифоров

В статье описана фотометрическая лаборатория, предназначенная для комплексного исследования светодиодов, применяемых в светодиодных экранах и вывесках. На базе лаборатории создан измерительный комплекс для изучения характеристик светодиодов, параметров производимых светотехнических устройств на их основе и исследования в области физики полупроводниковых излучающих структур. Статья опубликована в печатном издании журнала “Компоненты и Технологии” в 7 номере за 2007 год.

Версия для печати в PDF формате

Введение

Результатом интенсивного развития технологий в области производства оптоэлектронных приборов на основе полупроводниковых светоизлучающих кристаллов стало широкое использование этих приборов в системах отображения информации, а также в световой сигнализации, декоративной подсветке и освещении. Большой выбор цветов свечения, комбинация мощного излучения с любой формой пространственного распределения и получения любого оттенка цвета в широком динамическом диапазоне световых потоков открывают огромные перспективы использования светоизлучающих диодов в качестве источников света для этих устройств.

Однако проектирование и разработка конструкций указанных устройств, а также новых типов светоизлучающих диодов невозможна без подробного анализа характеристик источников излучения. Предложенный в этой статье измерительный комплекс позволяет получать и исследовать практически все существующие фотометрические, спектральные, электрические, энергетические и другие необходимые для подобных работ параметры, зависимости и характеристики светодиодов и излучающих структур. Он также имеет возможность реализации научных программ по исследованию физических свойств излучающих кристаллов, разработки технологии производства светоизлучающих диодов на их основе и экспериментов по изучению механизмов деградации параметров со временем наработки.

Несмотря на отсутствие должной нормативной базы по метрологии светотехнических характеристик светодиодов, работа над которой ведется Международной Комиссией по Освещению (МКО), все измерения основаны на публикациях [1, 2, 6] и дополнены собственными методиками, разработанными непосредственно для измерений и расчетов некоторых необходимых величин [3].

Разработка совершенных методик по тестированию и отбраковке, прогнозу качества и анализу потенциальной надежности светодиодов, оценка заявленных производителем характеристик, оценка реальных, а не декларируемых параметров на работающих изделиях — задача важная для множества областей, где сегодня применяются светодиоды. Однако область, где точное определение параметров светодиодов оказывается критически важной, - это производство светодинамических конструкций, а также светодиодных экранов и вывесок больших размеров.

Почему это нужно?

Существующий в обычной практике подход к выбору, аттестации и исследованию параметров светодиодов оказался неэффективным при создании таких сложных и высокоточных изделий, как полноцветные видеоэкраны. Прецизионной точности сортировка светодиодов по параметрам, глубокий анализ изменения характеристик со временем наработки и измерения величин по оригинальным методикам - вот неполный перечень необходимых мер для построения высококачественного устройства отображения информации.

Подобные мероприятия в цикле производства своей продукции, позволяют получать необходимый уровень качества и стабильности характеристик видеоэкранов, а также спрогнозировать поведение тех или иных параметров при длительной эксплуатации светодиодного экрана. В сумме все это позволяет проектировать устройства, имеющие оптимальное соотношение цены и качества и легко обеспечивать необходимые параметры экранов для конкретных заказчиков, сохраняя качество.

Назначение

По функциональному использованию все оборудование для эксперимента делится на 3 части:

  • Одну группу составляют средства измерения и регистрации различных величин, устройства преобразования их сигналов (АЦП, периферийные устройства), высокоточные источники питания, электромеханические установки и вспомогательные приборы. Эта группа представляет собой фотометрический стенд.
  • Вторая группа оборудования представлена аналитическим центром на базе компьютера.
  • Последняя группа оборудования предназначена для реализации необходимых режимов во время наработки образцов и представлена устройствами обеспечения стабилизированного питания и температурного режима работы светодиодов.

Концепция большинства экспериментов и программ предполагает изучение максимально возможного количества параметров светодиодов, а их измерение является одной из самых ответственных частей. Поэтому подход к разработке и созданию измерительного комплекса был направлен на интеграцию измерений различных величин с одной стороны и на универсальность такого комплекса без потери метрологических характеристик по отношению к большому динамическому диапазону и типам исследуемых источников с другой.

Для осуществления данной программы было специально разработано и изготовлено большинство электронных устройств, механических систем и средств измерения. Наряду с этим, в рамках соблюдения федерального закона “Об обеспечении единства измерений” и для корректности выполняемых исследований, с точки зрения соответствия метрологических характеристик эталонным величинам, основные средства измерения были внесены в Государственный реестр средств измерений и подверглись поверке в соответствии с утвержденной методикой и Государственной поверочной схемой, регламентируемой ГОСТ 8.023-90 “Государственная поверочная схема для средств измерений световых величин непрерывного и импульсного излучений”.

Поверка осуществляется на эталонной базе Всероссийского научно-исследовательского института оптико-физических измерений (ВНИИОФИ), держателя Государственного первичного эталона единицы силы света - канделы.

Фотометрический стенд

Вся установка располагается в отдельном помещении, особой конфигурации и специальной отделки. Поскольку измерения фотометрических величин ведутся в непрерывном режиме (что верно с точки зрения физики процесса измерения) без использования модуляции излучения, детектирования и усреднения импульсов фототока по времени, при котором нельзя проводить измерения непосредственно при внешнем освещении, очень важным требованием к данному помещению будет полное отсутствие посторонних засветок. Другим, не менее важным требованием будет обеспечение необходимого расстояния фотометрирования для выполнения закона “обратных квадратов” при измерении энергетических величин излучения.

Исходя их указанных условий было создано помещение, представляющее собой расширяющийся с одной стороны коридор, все стены, пол и потолок которого обшиты черной тканью, поглощающей свет. Данная конфигурация помещения лаборатории продиктована ГОСТ Р 51000.4-96 [4] и соответствует ГОСТ Р ИСО/МЭК 17025-2000 [5] для использования в качестве составной части прецизионного фотометрического стенда, средства измерения которого имеют статус рабочего эталона и занесены в Государственный реестр СИ.

Размеры коридора обеспечивают измерительную базу (расстояние от источника излучения до фотометра) до 11 м. Для выполнения измерений небольших световых величин (до 10-30 кд) был изготовлен специальный стол, на котором располагается массивный оптический рельс, позволяющий изменять расстояние фотометрирования в пределах 0,1-2,5 м. Большинство средств измерения также располагаются на этом столе в непосредственной близости от двухкоординатного гониометра, жестко связанного с поверхностью стола.

Для устранения возникновения возможных помех в тракте передачи малых значений фототока от фотометра непосредственно за ним, на расстоянии не более нескольких сантиметров расположен блок с усилителем сигнала и АЦП. Выходной сигнал с фотометра на регистратор значений передается в цифровом виде. Это обеспечивает высокую помехозащищенность и достоверность передачи информации от фотометрической головки на всем расстоянии фотометрирования, которое, как говорилось, может составлять до 11 м. Это обстоятельство позволяет измерять очень малые значения световых величин без искажения при передаче, что существенно расширяет динамический диапазон стенда.

Прецизионный источник тока имеет 3 идентичных канала с цифровой настройкой значения выходного тока раздельно в каждом канале в пределах 0-100 мА. Точность установления тока - 1 мA (100 дискретных значений), точность поддержания заданного значения - ±5%. 3 канала в некоторых случаях необходимы для измерения полноцветного (трехкристального) светодиода и удобства формирования любого оттенка с помощью изменения тока питания.

На табло источника индицируется как установленное, так и фактическое значение тока каждого канала. Источник тока имеет выходное напряжение до 15 В, поэтому несоответствие фактического тока установленному означает значительное нарушение хода ВАХ светодиода или нарушение контактных соединений. Проверка данного параметра позволяет избежать неправильных измерений световых величин из-за неправильного электрического режима. Кроме того, источник тока дает возможность вручную измерять ЛАХ (люмен-амперную характеристику).

Измеритель ВАХ был разработан с учетом возможности измерений подавляющего большинства электрических характеристик светодиодов. Он тоже представляет собой программно-управляемый источник тока с калиброванными значениями. Весь диапазон рабочих токов до 100 мA разбит на 2 поддиапазона: 0-10 мA с возможностью установки минимального дискретного значения тока 0,01 мA (1000 точек) для более точного измерения экспоненциального участка ВАХ светодиодов и 0-100 мA с возможностью установки минимального дискретного значения тока 0,1 мA (1000 точек).

Прямое падение напряжения на измеряемом приборе по отдельной линии подается на компаратор сигнала и впоследствии поступает на АЦП. Быстродействие ограничено необходимым временем на формирование импульса заданного значения тока, фиксации аналогового напряжения на нагрузке, его оцифровки и передачи в компьютер в режиме реального времени.

Также предусмотрена возможность изменения времени измерения между дискретными значениями в диапазоне 20 мс - 30 мин для реализации режимов импульсного и разогревающего действия тока. Эта функция имеет 2 режима: независимо от установленного времени между измерениями можно задавать любое значение тока в паузе между этими измерениями, тем самым устанавливая необходимую степень теплового действия тока или моделируя различные электрические режимы работы светодиода в реальных условиях.

Измерение ВАХ обратной ветви обеспечивается подачей на светодиод обратного смещения до -20 В. Однако здесь алгоритм работы устройства меняется на противоположный, и заданным значениям обратного напряжения будут присваиваться соответствующие значения обратного тока в диапазоне до -500 мA. Обработка результатов измерения производится по аналогичному принципу, описанному для прямой ветви ВАХ. Обратное напряжение можно устанавливать с точностью до 0,1 В.

Всю последовательность измерений и установку необходимых значений обеспечивает программное обеспечение, также разработанное для совместной работы с измерителем ВАХ. Реализация указанных электрических режимов светодиодов этим устройством во всей полноте используется и при измерении светотехнических характеристик.

Для этого разъем на плате гониометра, на которую устанавливается светодиод, имеет совместимую с разъемом источника питания распайку, поэтому достаточно переключить эти разъемы, и программная установка электрических режимов с помощью измерителя ВАХ одновременно будет соотнесена со светотехническими характеристиками светодиода. Особенно удобно пользоваться таким сочетанием, когда необходимо достаточно точно измерять ЛАХ: время установления термодинамического равновесия работающего светодиода задается программой, а фотометр фиксирует значение силы света через это время.

Для измерений спектрального распределения энергии излучения использовался спектрофотометр. Излучение от светодиода передается на его измерительную часть с помощью оптоволоконного световода с известной передаточной характеристикой, которая учитывается при расчетах параметров спектра. Входная часть световода располагается непосредственно на корпусе фотометра, и фактически они оба получают часть излучения от источника, исходящего из одной его точки. Поэтому можно считать, что светотехнические параметры, зафиксированные фотометром в данной точке диаграммы пространственного распределения, и колориметрические, зафиксированные спектрофотометром, характеризуют излучение одной этой точки.

Аналитическая часть

Вся информация об измерениях, полученных данных для расчета всех необходимых характеристик и зависимостей сосредоточена в аналитической части всей измерительной установки эксперимента - компьютере. Расчет светотехнических, колориметрических и других величин и характеристик производился с применением разработанных непосредственно для этих целей программ, составленных в пакетах MathCAD, Excel последних версий. Особенностью этого компьютера является высокое быстродействие, значительный объем памяти и наличие современной подсистемы обработки изображений и построения графиков.

Данное условие проистекает из расчета количества измерений и скорости их обработки. К аналитической части также стоит отнести различного рода измерительные приборы, осуществляющие постоянный мониторинг состояния окружающей среды в помещении, где располагается стенд. Это барометр, гигрометр и термометр с возможностью измерения температуры в нескольких точках стенда. Все показания этих приборов также учитываются при расчетах, так как имеются зависимости показаний основных средств измерения стенда от условий окружающей среды.

Оборудование для изучения механизмов деградации светодиодов

В процессе наработки одним из самых важных условий является поддержание стабильности режимов работы светодиодов. Прежде всего, это жесткая стабилизация тока питания светодиодов, постоянство значения которого не должно вызывать сомнения на протяжении всего срока наработки. Любое отклонение от этого условия сведет на нет все измерения из-за достаточно высокой вероятности существенного влияния плотности протекающего тока на характеристики деградации светодиодов.

Даже незначительное, но долговременное изменение питающего тока или разные его значения для различных образцов могут повлиять на дальнейшее принятие решения о той или иной причине изменения любого параметра, что приведет к неправильным выводам. Кроме того, важен факт постоянства пребывания светодиодов в рабочем состоянии, по возможности с минимальным количеством коммутационных циклов, которые обязательно внесут свой вклад в деградацию параметров. Полностью избавиться от этого эффекта не удастся (необходимо отключать светодиоды на время измерения), однако свести к минимуму возможно. Исходя из этого, была разработана особая система питания светодиодов, исключающая возможность появления подобных проблем.

Для каждого из исследуемых образцов индивидуально применяется двухступенчатая схема стабилизации: по напряжению и по току. Для решения обозначенной задачи нельзя применять ни групповую, ни какую-либо иную систему стабилизации — появление группы приборов, непосредственно связанных по цепи питания, неизбежно приведет к их взаимному влиянию друг на друга при изменении параметров в процессе наработки, как следствие реакции источника питания на эти изменения в соответствии с законом Кирхгофа. Ввиду большой крутизны вольт-амперной характеристики изменение напряжения питания всего на 0,05 В приведет к изменению потребляемой мощности приблизительно на 2% и в такой же пропорции изменит тепловой режим светодиода, что не может не сказаться на его параметрах при длительной работе.

Система питания представляет собой мощный импульсный источник стабилизированного напряжения, питающий несколько плат со светодиодами. Этот источник имеет обратную связь по напряжению, с помощью сигнала рассогласования которой он поддерживает выходное напряжение непосредственно на нагрузке, компенсируя тем самым влияние проводов и падение напряжения на контактах разъемов. Платы, на которых расположены светодиоды и их стабилизаторы тока, подсоединены к этому источнику общей шиной. Каждый светодиод имеет свой собственный стабилизатор тока, поддерживающий только его режим.

Для удобства и оперативности установки и извлечения светодиодов с плат на них установлены цанговые контактные гнезда. Схема составлена таким образом, что примененный стабилизатор напряжения известного номинала работает на резистор, который задает ток в цепи между стабилизатором и источником напряжения. Поэтому стабилизатор напряжения работает в своем штатном включении. Светодиод включается в разрыв входа питания стабилизатора, замыкая собой всю цепь. Поддерживая постоянство напряжения на резисторе, сопротивление которого не изменяется, стабилизатор тем самым поддерживает постоянство тока через всю цепь вместе со светодиодом.

При отсутствии светодиода в гнезде соответствующего стабилизатора последний оказывается обесточенным, при этом остальные могут работать. Стоит отметить, что такое включение светодиода оправдано еще и тем, что при любом катастрофическом отказе стабилизатора светодиод не окажется включенным в цепь с повышенным неконтролируемым напряжением и не выйдет из строя. Также каждая плата с группой светодиодов имеет свои фильтры, выполненные на электролитическом конденсаторе большой емкости (10 000 мкФ) и нескольких керамических, равномерно распределенных по площади платы. Входной диод защищает всю плату от напряжения обратной полярности.

Весь комплекс питается от сетевого стабилизатора - фильтра, предохраняющего последующие устройства от колебаний сетевого напряжения и обеспечивающего еще одну ступень стабилизации. Также, в цепь питания источника напряжения введен источник бесперебойного питания на случай отключений сетевого напряжения.

Заключение

Лаборатория является важным звеном производственной цепочки. От результатов лабораторных исследований зависит выбор того или иного производителя светодиодов, определение параметров и долговечности будущей продукции. Лаборатория является центром научных разработок новой продукции и полигоном при создании новейших методик для изучения и тестирования всей линейки светотехнической аппаратуры.

Список литературы:

  1. Technical report "Measurement of LED's" CIE127-1997. ISBN 3 900 734 84 4 (Технический доклад МКО “Измерения СИД”)
  2. Котюк А. Ф. Основы оптической радиометрии. М.: Физматлит, 2003
  3. 3. Никифоров С. Г. Почему светодиоды не всегда работают так, как хотят их производители? Журнал “Компоненты и технологии” № 7 - 2005
  4. ГОСТ Р 51000.4-96. Система аккредитации в РФ. “Общие требования к аккредитации испытательных лабораторий”. Госстандарт РФ, официальная копия документа № 036.637 5. ГОСТ Р ИСО/МЭК 17025-2000. “Общие требования к компетентности испытательных и калибровочных лабораторий”
  5. ГОСТ Р ИСО/МЭК 17025-2000. “Общие требования к компетентности испытательных и калибровочных лабораторий”
  6. Айзеберг Ю. Б. Справочная книга по светотехнике. М.: Энергоатомиздат. 1995. Журнал “Компоненты и технологии” № 7 - 2007

www.screens.ru

Светодиодный мир нашего века: Фотометрические характеристики светодиодов (светотехнические).

Световые характеристики источников света основаны на двух основных фотометрических стандартах: сила света и световой поток. Единица измерения светового потока - люмен. 1 люмен эквивалентен световому потоку, излучаемому точечным источником с силой света 1 кандела внутри телесного угла 1 стерадиан. Наглядная иллюстрация этого определения приведена в верней части рисунка.

Рис.  Фотометрические характеристики источников света

Для понимания фотометрических характеристик необходимо вспомнить определение стерадиана. Стерадиан представляет собой телесный угол Ω (конус с центром сферы радиусом R), который вырезает на сфере поверхность площадью R2 (как показано в верхней части рисунка). Из определения стерадиана следует, что полный световой поток, излучаемый точечным источником с силой света 1 кандела равен 4p люменов.

СВЕТОВОЙ ПОТОК F

Силу света измеряют в канделах (в переводе с латинского - свеча). Кандела - это сила света обычной восковой свечи.

Возникает вполне правомерный вопрос: почему силу света измеряют в канделах, а не Вт/стерадиан (Вт/ср)? Часто так и делают, но при использовании мощных светодиодов для освещения возникает следующее неудобство. Если включить зеленый, красный и синий светодиоды с одинаковой силой света, измеренной в Вт/ср, то яркость зеленого светодиода будет существенно выше. Это явление объясняет рассмотренные нами выше графики на рисунках 3 и 4, иллюстрирующие разную чувствительность глаза человека к разным длинам волн видимого спектра. Яркость красного светодиода нам казалась бы меньше, чем у зеленого, а свечение синего светодиода вообще оказалось бы очень тусклым. Чтобы устранить эти причины, силу света измеряют в канделах, а световой поток в люменах (см. рис. 5). При расчете освещенности именно люмен является наиболее подходящей единицей измерения для расчетов и сравнения разных источников света.

СИЛА СВЕТА I

Сила света I - это пространственная плотность светового потока или отношение светового потока внутри телесного угла к величине этого телесного угла. Проще говоря, сила света показывает, какую часть светового потока излучает источник в рассматриваемом направлении. Сила света измеряется в канделах (кд).

Для пересчета кандел в люмены применяют следующий метод:

1. Зная двойной угол половинной яркости светодиода q, взятый из документации производителя, вычисляем соответствующий телесный угол Ω = 2p (1-cos(q/2)).

2. Определяем световой поток F = IxΩ, где I - сила света светодиода.

ОСВЕЩЕННОСТЬ Е

Освещенность характеризует уровень освещения поверхности, создаваемый световым потоком, падающим на поверхность. В системе СИ измеряется в люксах. Рассчитывается по формуле E = F/S (1 люкс = 1 люмен/м2). Освещенность пропорциональна силе света. С увеличением дистанции от поверхности освещенность уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния. При падении световых лучей наклонно к освещаемой поверхности освещенность падает пропорционально косинусу угла падения лучей.

ЯРКОСТЬ L

В фотометрии термин «яркость» рассматривают применительно к поверхности. Хотя мы все часто употребляем термин «яркость светодиода», это некорректно. Более правильные термины - сила света и световой поток. В данном случае (см. рис. 5) речь идет о яркости поверхности, то есть отраженном от нее свете. Яркость L - это отношение силы света I элемента поверхности к площади его проекции, перпендикулярной рассматриваемому направлению или L = (I/S) x cosa. Из всех фотометрических величин яркость наиболее близко связана со зрительными ощущениями, так как освещенности изображений предметов на сетчатке глаза пропорциональны именно яркости этих предметов.

СВЕТОВАЯ ОТДАЧА

Световая отдача характеризует эффективность источника излучения, определяющая, какой вырабатывается световой поток на 1 Вт подведенной мощности. Единица измерения - лм/Вт. Теоретически максимально возможная световая отдача равна 683 лм/Вт у источника света с длиной волны 555 нм при преобразовании электрической энергии в свет без потерь. Из последнего предложения следует, что 1 люмен - это световой поток зеленого излучателя света без потерь с длиной волны 555 нм мощностью 1/683 Вт. Обычная лампа накаливания 60 Вт обеспечивает световой поток 500 лм (светоотдача - 8,33 лм/Вт). Лампа накаливания мощностью 100 Вт излучает световой поток около 1300 лм (13 лм/Вт). Люминесцентная лампа мощностью 26 Вт создает световой поток около 1600 лм (61,5 лм/Вт). Уличная натриевая газоразрядная лампа излучает 10000...20000 лм. Натриевые лампы низкого давления обеспечивают один из максимальных показателей эффективности - световая отдача около 200 лм/Вт. Фирма Cree выпускает светодиоды с оптической эффективностью более 100 лм/Вт. По оценкам экспертов со временем этот показатель будет только увеличиваться, а цена ультраярких и осветительных светодиодов будет только уменьшаться.

svetodiode.blogspot.ru

Оптические характеристики светодиодов

В наше время трудно представить качественную осветительную систему без использования светодиодов. Эти устройства прочно закрепились среди современной техники благодаря своим высоким показателям долговечности, яркости и миниатюрности.

Они используются повсеместно: начиная с мобильных устройств и заканчивая автомобильным светом (например, мощные светодиодные лампы h5, сверхяркие светодиодные лампы h5 и многие другие) – и неспроста, ведь светодиоды крайне удобны для применения в качестве альтернативного источника света.

Если говорить об устройстве светодиода наиболее простым языком, то следует представить кристалл (тонкую пластину), которая светится и контакты, которые идут от него. Максимальная сила света диодов – 90 градусов (перпендикулярно пластине), свет от него идет по прямой – достаточно вспомнить диаграммы, которые указывают производители светодиодов на упаковке, и все станет понятно. Для наглядности – иллюстрация справа.

Конечно же, кроме оптических характеристик, то есть тех, которые связаны с освещением и производительностью, существуют другие параметры. К ним относят:

  • Фотометрические (световые) характеристики;
  • Радиометрические (энергетические) характеристики;
  • Гониометрические (угловые) характеристики;
  • Колориметрические (спектральные) характеристики;
  • Эксплуатационные характеристики (связанные со сроком службы).

Ниже приведена подробная информация по каждой из характеристик в виде таблицы.

1. Фотометрические (световые) характеристики светодиодов

Фотометрия – процесс измерения света в видимом спектре. Под видимым спектром подразумевается та часть светового спектра, которая видна невооруженным глазом среднестатистического человека, то есть длина волны лежит между 380 и 770 нм. Существует 2 основных световых стандарта – сила света и световой поток. Эти стандарты определяют главные фотометрические величины – яркость и освещенность.

Единицы измерения фотометрических параметров
Параметр В чем измеряется
Cветовой поток Люмен [Лм] – световой поток, испускаемый точечным источником с силой света 1 кд внутри телесновго угла 1 стерадиан.
Сила света Кандела [кд] – сила света восковой свечи
Яркость 1 нит = 1 кд/м^2
Освещенность 1 люкс = 1 Лм/м^2

Периодически возникает необходимость самостоятельно измерить излучение. О том, как это правильно сделать, существует огромное количество статей, здесь же приведены главные моменты, на которые следует обратить внимание во время этого процесса.

Способы измерения излучения:

  • Использование калькулятора, если имеются вводные данные.
  • Использование техники при необходимости измерения по факту.

Советы и меры, которые следует учитывать во время измерения излучения:

  • Оборудование должно быть тщательно откалибровано.
  • Нужно измерять выход света с определенным временным интервалом.
  • Соблюдение постоянной температуры света в ходе тестирования.
  • Использовать исключительно стабилизированный источник света.
  • Условия тестирования должны быть легко воспроизводимы.
  • Необходимо учитывать смещение оптического центра эмиссии светодиодов относительно механического центра.

2. Радиометрические (энергетические) характеристики светодиодов

Радиометрия – измерение полного светового излучения во всех оптических диапазонах. Оптические диапазоны бывают:

  • видимый;
  • инфракрасный;
  • ультрафиолетовый.
Величина Характеристика Единицы измерения
Единица радиометрической оптической мощности Абсолютная величина, не зависит от длины волны. Один ватт инфракрасного света по мощности равен ватту видимого света. Ватт [Вт]
Энергетическая сила излучения Измеряемая величина [Вт/ср]
Энергетическая освещенность Измеряемая величина [Вт/м^2]
Энергетическая яркость Измеряемая величина [Вт/cpxм^2]

В процессе радиометрических измерений светодиодов необходимо придерживаться тех же рекомендаций, что и при фотометрии.

3. Колориметрические (спектральные) характеристики светодиодов

Колориметрия – измерение и определение цветовых характеристик. Обычно эти параметры выражаются в координатах цветности (когда мы видим параметр 4000К) или в длинах волн.

На кривой (Рис 4) указаны точки с цветовой температурой, которой они соответствуют в видимом спектре излучения. Так, мы видим что 6500К – это белый холодный цвет. Наиболее точный способ измерения цвета – использование спректрорадиометра.

Важным фактором является температура: с повышением температуры окружающей среды увеличивается температура активной части светодиода, а значит что увеличивается и длина волны излучения. Значение зависит от типа используемого кристалла.

4. Гониометрические (угловые) характеристики светодиодов

Гониометрия – непосредственное измерение угловых характеристик устройства. Измерение возможно лишь с использованием гониометра – прибора, который фиксирует пространственное распределение силы светодиода. На рис. 2 мы видим диаграмму пространственного распределения силы света. Из нее видно, каким образом распределяется свет, исходящий от кристалла.

5. Эксплуатационные характеристики светодиодов

Одним из главных вопросов, который интересует человека – срок службы светодиодов.

Типы сроков службы
Полный До тех пор, пока прибор не перегорит
Полезный До тех пор, пока световой поток не упадет ниже определенного предела. Иными словами, пока устройство не начнет затухать.

Тест на деградацию светодиодов проводят для того, чтобы определить полный и полезный срок службы. На практике тестом на деградацию светодиода является его непосредственная эксплуатация.

Что делать для того, чтобы устройство прослужило дольше?

  • Стабилизация тока питания. Стараться сделать его значение постоянным на протяжении всего срока эксплуатации, избегать перепадов.
  • Поддержание постоянного температурного режима в месте установки светодиода. Также она не должна превышать максимальную температуру эксплуатации, заявленную производителем.
  • Соблюдение всех инструкций и мер предосторожности, строго придерживаться норм эксплуатации.

В заключение следует сказать, что заявленные производителем параметры излучения света могут не соответствовать практическим показателям – не в силу того, что мы оказываемся обманутыми, а в силу различия условий эксперимента. Необходимо всегда понимать, что лабораторные условия всегда отличаются от естественных, и понятие погрешности вполне допустимо, особенно при измерении такой чувствительной характеристики, как свет.

xenon-lampa.ru

Полупроводниковая светотехника №5'2011

СВЕТОДИОДЫ, СВЕТОДИОДНЫЕ КЛАСТЕРЫ И СБОРКИ

ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ СВЕТОТЕХНИКА №5’2011

16

Система параметров светодиодов

Электрические, фотометрические, спектральные

(колориметрические) и энергетические характеристики

Л

юбая техническая характеристика какой-

либо продукции должна содержать

в наиболее удобном для восприятия

потребителем виде информацию о ее функ-

циональных возможностях и в то же время

позволять провести сравнение с другими

аналогами, чтобы пользователь мог не только

составить необходимый технический портрет

изделия, но и определить его положение среди

подобных типов в свете предоставляемых тех-

нических данных. Однако, помимо удобства

чтения и сравнения, система должна наиболее

полно отражать истинные физические данные

изделия, сформированные на основе тех функ-

ций, параметров и тех их взаимозависимостей,

которые, с одной стороны, имеются у боль-

шинства светодиодов, а с другой стороны, для

каждого их типа являются только частным

случаем. В то же время система параме-

тров светодиодов должна включать в себя

преимущественно только такие сочетания

характеристик и единиц, которые хорошо

согласуются с системами параметров других

групп, классов и видов изделий и позволяют

использовать их для дальнейших расчетов

режимов в составе устройств на их основе

или выходных характеристик сложных ком-

плексных конструкций [1, 2]. Так, например,

на основе фотометрических характеристик

источников света (светодиодов в данном

случае) рассчитывается и формируется

комплекс параметров осветительного при-

бора, определяется его оптическая система,

а колориметрические характеристики ложатся

в основу цветовых параметров будущего

светильника. Поэтому очень важно иметь

однозначное понимание параметров всех

аналогов, которые могут быть использо-

ваны в этом светотехническом устройстве

в качестве источника света. Электрические

характеристики используются для расчетов

вторичного источника питания и способа

коммутации излучающих кристаллов или

светодиодов в световом приборе.

Для представления характеристик свето-

диодов не существует единой утвержденной

международной системы, по которой строились

бы все спецификации, или Datasheets, с по-

мощью которых производители описывают

технические параметры своей продукции. Это

касается не только светодиодов, но и кристаллов,

на основе которых производятся эти свето-

диоды. Как правило, в основу подавляющего

большинства спецификаций ложатся самые

важные и показательные физические характе-

ристики, приводимые в единицах системы СИ,

однако большинство светотехнических и ко-

лориметрических единиц, полученных эм-

пирически или статистически, приняты МКО

на основе субъективного анализа психофизи-

ческих реакций респондентов и часто не несут

в себе истинного физического смысла, хотя

и указываются наряду с первыми (индекс

цветопередачи, коррелированная цветовая тем-

пература, координаты цветности) [3]. К слову

сказать, формально силу света и световой

поток также можно отнести к виртуальным

единицам, сформированным на основе стати-

стической кривой видности V(L) относительно

энергетического потока, являющегося самой

«физической» из приведенных единиц. Этот

факт является основной проблемой отсутствия

единства в системах формирования специфи-

каций на светодиодную продукцию и порож-

дает множество разногласий при их чтении

и сравнении. В данной работе будет не только

описана существующая система характеристик,

но и предпринята попытка формирования

наиболее рационального и информативного

концепта, с точки зрения автора, отражающего

максимальное количество характеристик и, что

самое важное, их взаимозависимостей, которые

могут учитывать также и факторы деградации

параметров в зависимости от времени и раз-

личных режимов работы.

Все параметры современных спецификаций

делятся на группы, отражающие физический

смысл и природу их происхождения, а также

необходимость и удобство их использования

потребителем при расчетах устройств, учиты-

вающих или основанных на этих параметрах.

В составе каждой группы существующей системы

параметров светодиодов представленные ниже

характеристики расположены вне зависимости

от важности (необходимости использования)

для потребителя, однако информативность

и физический смысл их находится в некоторой

логической последовательности, позволяющей

проследить связь большинства параметров. Для

характеристик в виде функций или зависимостей

в качестве примера, часто только для одного

типа кристаллов, приводится диаграмма, на-

глядно показывающая вид этой зависимости.

Большинство терминов и обозначений параме-

тров и характеристик согласовано с [4].

Для наглядности удобно рассматривать си-

стему параметров, как это показано на рис. 1,

в виде блок-схемы, где можно проследить как

их взаимосвязь, так и положение той или иной

группы относительно друг друга. Следует

заметить, что предложенная система содер-

жит в основном самые важные и ключевые

характеристики, которые можно измерить,

рассчитать или косвенно определить реаль-

ными измерениями.

Группа

электрических характеристик

Исходные величины

Прямое напряжение

U

f

[В].

Определяется параметрами ширины запре-

щенной зоны

E

g

примененной гетероструктуры,

материалом подложки, структурой омических

контактов и характеристиками токоведущих

нитей и их сварных соединений. Указывает

прямое напряжение смещения светодиода при

номинальном прямом токе

I

f

. Применяется,

помимо определения потребляемой мощности

светодиода, для расчета режимов оконечных

каскадов или ключей вторичных источников

питания, нагрузкой которых являются свето-

диоды, а также параметров самих источников

питания, буферных, согласующих и стабили-

зирующих элементов.

Прямой ток

I

f

[А].

Рабочий (номинальный) ток светодиода, при

котором обеспечивается его работоспособность

в течение указанного времени и с указанными

Сергей Никифоров, к. т. н. |

[email protected]

Статья посвящена описанию и систематизации параметров и характеристик

светодиодов. Предпринята попытка не только охватить список имеющихся

величин, но и построить систему, основанную на их взаимозависимостях.

Материал поясняет и трактует суть около 70 параметров, использующихся

в спецификациях светодиодов, а также раскрывает их взаимосвязь. Содер-

жание работы может быть использовано производителями, разработчиками

и потребителями светодиодной продукции.

led-e.ru

Номенклатура, электрические и светотехнические характеристики светодиодных осветительных установок

Министерство  образования и науки Российской Федерации
Санкт-Петербургский  государственный  политехнический  университет
_______________________________________________________________

Факультет комплексной безопасности

Кафедра безопасности жизнедеятельности   

КУРСОВАЯ РАБОТА

ПО ДИСЦИПЛИНЕ: ПОРОИЗВОДСТВЕННАЯ САНИТАРИЯ И ГИГИЕНА 

НА ТЕМУ: «Номенклатура, электрические и светотехнические характеристики светодиодных осветительных установок» 

  

Выполнил студент  гр. 51313/1                  И.И. Бармин

Проверил, доцент к. ф-м. н.                  Г.В. Струйков 

           

Санкт-Петербург

2011

 

Содержание

 

Введение

      Светодиоды  применяются повсюду. От стандартных индикаторов в аудио-видео технике, портативных компьютерах и игрушках до светофоров, видеодисплеев и автомобильного света. Светодиодные технологии демонстрируют взрывной рост на протяжении последних лет, и дальнейшие перспективы светодиодов представляются весьма широкими.

      Основной  «движущей силой» такого роста является постоянно увеличивающийся уровень  яркости светодиодов. Кроме того, на рынок приходят новые материалы и технологические процессы изготовления кристаллов. Одновременно с увеличением разновидностей как самих светодиодов, так и их возможных применений, повышаются и требования к уровню компетентности, необходимого проектировщикам и архитекторам для построения светодиодных систем освещения. Современный рынок оптоэлектронных компонентов требует понимания не только свойств светодиодов, но и методов их измерения. 

      Основные  характеристики светодиодов:

      — фотометрические (световые) характеристики;

      — радиометрические (энергетические) характеристики;

      — колориметрические (спектральные) характеристики;

      — гониометрические (угловые) характеристики;

      — электрические характеристики;

      Остановимся на наиболее общих моментах, представляющих для наших читателей наибольший интерес.

Фотометрические (световые) характеристики светодиодов

      Фотометрия — это измерение света в видимом спектре. Это та часть светового спектра, которая приблизительно соответствует длинам волн 380-770 нм и видна невооружённым глазом «усреднённого» наблюдателя. Существует множество фотометрических величин, таких как яркость (1 нит = 1 кд/м2 или 1 стильб = 1 кд/см2), освещённость (1 люкс = 1 лм/м2), и т.д. Все они основаны на двух основных фотометрических стандартах: световой поток и сила света.

      Световой  поток измеряется в люменах. 1 люмен определяется как световой поток, испускаемый точечным источником с силой света 1 кандела внутри телесного угла 1 стерадиан (1 лм = 1 кд×ср). Важно понимать определение стерадиана, являющегося телесным углом (конусом) с центром в сфере радиуса r, который вырезает из сферы поверхность площадью r2 (см. рис.1). Площадь поверхности сферы равна 4πr2, поэтому полный световой поток, создаваемый точечным источником, с силой света одна кандела, равен 4π люменам.

      

      Рис.1 — телесный угол Ω

      Сила  света измеряется в канделах. Научное определение канделы достаточно сложно для образного восприятия: «единица силы света точечного источника в заданном направлении, испускающего монохроматическое излучение частотой 540×1012 Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср». Частота излучения 540×1012 Гц соответствует длине волны 555 нм (излучение зеленого цвета).

      Для упрощения понимания можно обратиться к происхождению названия «кандела». Так вот, одна кандела (в переводе с латыни — «свеча») это сила света обычной восковой свечи.

      Почему сила света измеряется в  канделах, а не в ваттах на стерадиан? Да, можно измерять силу света и в Вт/ср, и специалисты иногда так делают, но при этом возникает одно неудобство. Если бы мы включили синий, зелёный и красный светодиоды с одинаковой силой света в Вт/ср, то зелёный светодиод светил бы ярче. Все дело в том, что человеческий глаз имеет разную чувствительность к различным длинам волн излучения. Но об этом чуть позже.

      Еще совсем недавно выпускаемые промышленностью  светодиоды выполняли в основном индикаторные функции и их главной потребительской характеристикой была сила света (в милликанделах). Однако такая характеристика оказалась малополезной при построении систем освещения — светодиод с силой света 2000 мкд и углом свечения 30° обеспечивает такой же световой поток, как и светодиод с параметрами 8000 мкд / 15°. Поэтому, из-за увеличивающегося спроса на мощные светодиоды в качестве альтернативы лампам накаливания, сейчас всё чаще делается акцент именно на величину светового потока. То есть именно люмен является более подходящей мерой оценки произведённого света при сравнении между различными источниками света и при выполнении расчётов.

      Для оценочного пересчета кандел в люмены, используют следующий метод:

      1. Зная плоский угол свечения светодиода θ (двойной угол половинной яркости), указанный производителем, определяем телесный угол:

      Ω=2π (1 — cos(θ/2)).

      2. Вычисляем световой поток:

      F = Iv × Ω, где Iv — сила света светодиода.

      Однако, фактически измеренное значение может  отличаться от расчётной величины из-за вариаций пространственного распределения излучения светодиода. Это особенно заметно при пересчёте несимметричных диаграмм направленности излучения (например, светодиодов с овальной оптикой) и индикатрис узконаправленных светодиодов. Дело в том, что не существует никакого однозначного метода пересчёта силы света для определения точного светового потока. Только непосредственным измерением этой величины можно с высокой точностью получить её значение в люменах.

      Фотометрическое измерение светодиодов может  оказаться большим искусством, чем просто расчёт с применением строгих физических формул. Существует масса факторов (геометрические и электрические нюансы, различные погрешности, внесённые на этапе производства светодиодов), вариации которых могут существенно влиять на оптические свойства светодиодов. Не существует двух во всём одинаковых светодиодов, поэтому требуется принятие мер, которые значительно увеличат точность ваших измерений. Они включают, но не ограничены следующим.

      1. Смещение оптического центра эмиссии светодиодов относительно механического центра. При фиксации светодиода в креплении испытательной установки предполагается, что свет исходит от его механического центра. Но это не всегда так.

      Оптический  центр нередко отклоняется на 5 или более градусов от механического. Возможно, это не является особой проблемой, когда измеряемые приборы имеют широкий угол свечения, например 40 градусов или больше. Но для светодиодов с узким углом свечения результат может различаться на значительную величину. Нужно отметить, что Международная комиссия по освещению (CIE) рекомендует использовать именно механическую (а не оптическую) ось светодиода при проведении измерений.

      2. Измерение выхода света необходимо проводить с определённым временным интервалом. После того, как на светодиод подано питание, температура перехода увеличивается ввиду потребления электроэнергии (температуру перехода светодиода можно определить как Tj = Ta + (Vf × If) × Rth (j-a)) . Этот процесс может занять несколько секунд или несколько минут до момента наступления теплового равновесия, когда выход света достигнет устойчивого значения. При этом уменьшение выхода света на 5-20% или большую величину — весьма обычное явление. Эта деградация не является необратимой, и первоначальная светоотдача восстановится после обесточивания. На практике в ходе измерения большого количества светодиодов выбор длительного интервала времени между замерами не приемлем. Чаще всего задается интервал порядка 5 секунд, несмотря на то, что выход света не успевает достигать стабильного значения.

      3. Необходимо убедится, что температура окружающей среды постоянна в ходе тестирования.

      Светодиоды  меняют яркость и цвет с изменением температуры. Если температура повышается, выход света сокращается, а цвет обычно смещается в длинноволновую сторону спектра.

      4. Необходимо использовать стабилизированный источник тока.

      Падение напряжения (Vf) на светодиоде может колебаться от прибора к прибору, поэтому если в качестве опорного питания используется источник напряжения, светодиоды не получат одинакового тока.

      5. Необходимо использовать легко воспроизводимые условия тестирования.

      Сложные условия (специализированная оснастка) могут превосходно подходить для лабораторных измерений. Однако, когда необходимо тестирование значительного количества светодиодов с различным типом корпуса, углом свечения, цветом и т.д., возникает потребность в измерительной системе, которая может быть быстро перенастроена, обеспечивая идентичное выравнивание механических осей и гарантируя, что датчик всегда видит тот же самый сектор эмиссионного конуса.

Радиометрические (энергетические) характеристики светодиодов

      Радиометрия занимается измерениями полного светового излучения во всех (видимом, инфракрасном и ультрафиолетовом) оптических диапазонах. Основная единица радиометрической оптической мощности — ватт (Вт). Ватт — абсолютная величина, не зависящая от длины волны. Один ватт инфракрасного света несёт такую же мощность, как один ватт видимого света. Другие измеряемые радиометрические величины — энергетическая сила излучения (Вт/ср), энергетическая освещённость (Вт/м2) и энергетическая яркость (Вт/ср×м2). Основной метод измерения полной оптической мощности основан на использовании сферического интегратора.

      Сферический интегратор измеряет свет, испускаемый  светодиодом во всех направлениях. По большому счету, эти измерения не зависят от угла свечения и не подвержены угловым погрешностям, характерным для фотометрического тестирования. Наиболее широкое применение получили сферы диаметром от 75 до 150 мм. Если критична точность измерений, то предпочтителен больший диаметр, так как немаловажным является соотношение площади сферы к размеру светодиода. Однако при измерениях светодиодов с различным пространственным распределением силы света ошибки неизбежны. Главным фактором, вносящим ошибку в измерения, является местоположение светодиода в сфере. Последняя спецификация, принятая CIE, предполагает, что корпус светодиода должен полностью находиться в сфере — это так называемое «2π» измерение светового потока.

      В ходе радиометрических измерений светодиодов должны соблюдаться те же самые предосторожности, что и при фотометрии.

Колориметрические (спектральные) характеристики светодиодов

      Колориметрия — научное измерение и определение цветовых характеристик светодиодов. Колориметрические параметры светодиодов обычно выражены в координатах цветности или в длинах волн. Цветовое восприятие человека весьма сложно, поскольку оно зависит не только от различных физических свойств света, но также и от окружающих объектов, механических свойств излучателя, физиологического отклика глаза наблюдателя и его психологического состояния. В 1931 году Международной комиссией по освещению (CIE) были измерены реакции на цвет нескольких тысяч людей и введено понятие «стандартного наблюдателя». Реакцию такого абстрактного наблюдателя на цвета различного спектра описали через tristimulus — три кривые, названные X, Y и Z (см. рис. 4).

freepapers.ru


Смотрите также