Светодиоди – доминираща осветителна технология
Ако някога е имало някакъв въпрос, че светодиодите ще бъдат толкова доминираща осветителна технология, просто се огледайте. Те са практически навсякъде. От стандартни индикатори за стерео оборудване, лаптопи и играчки до светофари, променливи знаци за съобщения и автомобилно осветление, светодиодите се радват на експлозивен растеж през последните няколко години, без да се вижда край. Голяма част от това се дължи на непрекъснато нарастващите нива на яркост, които се постигат с нови материали и процеси на производство на пластини, както и на появата на сини и бели светодиоди за RGB (пълноцветни) и приложения за общо осветление. С нарастването на нивото на сложност при използването на светодиоди се повишава и необходимостта от точни измервания на оптичните свойства на светодиодите. Аз съм в индустрията на оптоелектрониката от близо 25 години и далеч най-често срещаният тип въпрос, който винаги ми задават, е свързан с измерването на светодиод. (Какво е лумен? Как да конвертирам от лумени в кандела? Как да измеря точно яркостта? Защо моето измерване не е същото като вашето?) Надявам се да разгледам тези и много подобни проблеми в следващата статия. Подробностите за оптичното измерване в тази дискусия ще бъдат разделени на четири отделни, но взаимосвързани теми. Това са: Фотометрични количества, Радиометрични количества, Дължина на вълната или Хроматизъм и накрая ъглови или Гониометрични количества. Въпреки че може лесно да се напише цяла книга за единиците, стандартите и методологиите за изпитване от горните, ще се опитам да обобщя по-често срещаните и основни области на интерес.
Фотометрия
Фотометрията е просто измерване на светлината във видимия спектър (приблизително 380nm-770nm). Това е светлина, видяна с невъоръжено око на обикновен човешки наблюдател. Има много различни видове фотометрични единици, като нит (cd/m2), lux (лумен/m2), свещи (lumen/ft2), стилб (cd/cm2) и др. Всички те се основават на два основни фотометрични стандарта, ЛУМЕН и СВЕЩА. Канделата е единицата за светлинен интензитет, която може да се дефинира като количеството светлинен поток (общата светлинна мощност, излъчвана от източник и изразена като лумени) на единица телесен ъгъл в дадена посока. Луменът може да се определи като светлинен поток, излъчван на единица твърд ъгъл от еднороден точков източник, чийто светлинен интензитет е 1 кандела. (1 кандела=1 лумен/стерадиан) Също така е важно да се разбере дефиницията за стерадиан, който е плътният ъгъл (конус) в центъра на сфера с радиус „r“, която обхваща област „r2“ на повърхността на сферата. (Вижте фигура 1) Площта на повърхността на сфера е 4π r2; следователно една сфера има 4π стерадиана. Повечето стандартни светодиоди, доставяни днес, се измерват в кандели, но поради нарастващото търсене на светодиоди като заместител на лампите с нажежаема жичка на пазара за общо осветление, сега луменът често се използва като мерна единица за светлинна мощност. Един прост метод за преобразуване от Candela в Lumens е показан на Фигура 2 (по-долу). Стъпка 1.) Получете плътния ъгъл на светодиода w=π * (θ1/2)2 w=π(25)2, като приемем, че полуъгълът на светодиода е 25° w=π(.43633)2, преобразувайте градуси в радиани .598 Стъпка 2.) Изчислете лумени f=Iv * wf=2,00 * ,598, като приемем, че яркостта на светодиода е 2000 mcd f=1,196 лумена Въпреки че са възможни емпирични изчисления за преобразуване на много различни типове фотометрични единици, действителната измерена стойност може да се различава от изчислената стойност поради промяна в характеристиките на пространственото излъчване на светодиода. В повечето случаи емпиричното изчисление е достатъчно точно. Допълнителни фотометрични преобразувания са показани на фигура 3. Въпреки че има безброй други преобразувания, които са възможни, например кандела в нит или ламберт в кандела, няма лесен директен коефициент на умножение, който може да се използва. Може да се изисква информация като площта на източника и/или детектора или разстоянието на измерване и ъгловите характеристики. Фотометричното измерване на светодиодите може да бъде повече изкуство, отколкото точна наука. Има различни геометрични, електрически и монтажни проблеми, които могат значително да повлияят на оптичните свойства на светодиодите. Тъй като няма два еднакви светодиода, има стъпки, които значително ще подобрят точността на вашето измерване. Те включват, но не се ограничават до:
Познаване на LED светлинно излъчване оптичен център срещу механичен център. Когато поставяте светодиоди в типично тестово устройство, то обикновено се поставя по такъв начин, че да се приеме, че светлината излиза от механичния център на устройството. Това често не е така. (Вижте фигура 4) Оптичният център често се отклонява с 5° или повече от механичния център на светодиода. Въпреки че това може да не представлява голям проблем при измерване на устройства с широк зрителен ъгъл, като 40° или повече, за устройства с тесен ъгъл разликите в показанията могат да бъдат значителни. (Трябва да се отбележи, че препоръката на CIE (Commission Internationale de l'Eclairage) е да се използва механичната ос на светодиода, а не оптичната ос като еталон за измерване)
Измерване на изхода в определен интервал от време или когато е стабилизиран. Когато светодиодът се захранва за първи път, температурата на кръстовището се повишава поради консумираната електрическа мощност. (Температурата на свързване на светодиода се определя от Tj=Ta+(Vf*If)*Rth(ja)) Може да отнеме няколко секунди или няколко минути, преди светлинната мощност да достигне топлинно равновесие и стабилизирана стойност. Намаляването на производството с 5-20% или повече не е необичайно. Това не е трайна деградация и ще се възстанови при изключване. Често не е практично да се изчакват продължителни периоди от време, когато много светодиоди изискват тестване, следователно често се установява зададен интервал от време като 5 секунди, въпреки че изходът може да не се стабилизира.
Осигуряване на постоянна температура на околната среда по време на тестването. Светодиодите обикновено променят яркостта и цвета си с температурата. С повишаване на температурата изходът намалява и цветът се измества към по-високия край на спектъра. Това ще бъде доразвито в дискусията за колориметрия.
Винаги използвайте източник на постоянен ток. Правото напрежение (Vf) на светодиода може да варира от устройство на устройство, следователно, ако се използва стандартно захранване или източник на напрежение, всеки светодиод може да не получава същия ток.
Използвайте лесно възпроизводима тестова настройка. Сложните настройки може да са добри за измервания от лабораторен тип, но когато много светодиоди изискват тестване, всеки с различни стилове на опаковка, ъгли на видимост, цветове и т.н., система, която може бързо да се модифицира, като същевременно гарантира идентично подравняване на механичната ос и гарантиране на детектора винаги вижда един и същ участък от емисионния конус е необходим.
Уверете се, че цялото оборудване е правилно поддържано и калибрирано
Радиометрия
Радиометрията се отнася до общото излъчване или измерването на цялата светлина, независимо дали е във видимия, инфрачервения или ултравиолетовия спектър. Основната единица за радиометрична оптична мощност (Radiant Power) е ватът (W). Ватът е абсолютна единица, защото не зависи от дължината на вълната. Един ват инфрачервена светлина съдържа толкова мощност, колкото един ват видима светлина. Други радиометрични термини, които обикновено се измерват, са интензитет на излъчване (Watts/стерадиан), излъчване (W/m2) и излъчване (W/m2 sr). Основният метод за измерване на обща мощност на излъчване/светлинен поток е чрез използване на интегрираща сфера. (Вижте фигура 5) Интегриращата сфера измерва светлината, излъчвана от светодиода във всички посоки. Като цяло тези измервания са независими от ъгъла на гледане и не са обект на неточности на ъглови измервания, наблюдавани при фотометрично тестване, но все пак са възможни грешки. Сфери с диаметър приблизително 3 и 6 инча са широко използвани. Ако точността е критична, предпочитат се типовете с по-голям диаметър поради благоприятното съотношение на сферата на сферата към размера на светодиода и портовете, но това също води до загуба на интензитет. Основен източник на грешка в измерването е къде да се позиционира светодиодът вътре в интегриращата сфера. Последната спецификация, приета от CIE, публикация 127, гласи, че целият пакет на светодиода трябва да бъде вътре в сферата, което се нарича измерване на 2 светлинен поток. Същите предпазни мерки, използвани за фотометрично измерване на светодиодите, също трябва да се спазват при извършване на радиометрични измервания. Както при фотометричните преобразувания, съществуват безброй радиометрични преобразувания, които са възможни при наличието на подходяща информация. Радиометричните стойности обикновено се изискват за приложения, използвани във връзка с фотодетектор, като например при оптични влакна, сканиране или сензори.
Колориметрия
Научното измерване и количествено определяне на цвета на светодиодите се нарича колориметрия. Неговите единици обикновено се дават като координати на цветност или в дължина на вълната. Възприемането на цветовете е много сложно, защото зависи не само от различните физически свойства на светлината, но и от неща като околните обекти, механичните свойства на устройствата, реакцията на очите на зрителя, както и тяхното психологическо състояние. CIE е установил стандарти за измерване на видимата светлина, тъй като се отнася до „стандартната реакция на човешкото око“. Тази така наречена стандартна крива на наблюдателя е установена за първи път през 1931 г. (виж фигура 6а). От тази крива се получават стойностите на тристимула за точно дефиниране на цвят. Тристимулната система X, Y, Z се основава на предположението, че всеки цвят е комбинация от три основни цвята; червено, зелено и синьо. Диаграмата на цветността на CIE от 1931 г. (виж фигура 6b) се извлича от стойностите на тристимула чрез следното: x=X/(X+Y+Z) или x=червено/(червено {{6} } Зелен + Син) y=Y/(X+Y+Z) или y=Зелен/(Червен + Зелен + Син) Тъй като ( x + y + z) =1, трета ос, z=1 – (x + y)
Координатите на цветността обикновено се определят само по оста x и y. Като цяло повечето спецификации, предоставени от производителите на светодиоди, не изброяват координатите на цветността, а по-скоро пика и доминиращата дължина на вълната (освен ако светодиодът не е бял). Доминиращата дължина на вълната, определена в нанометри, се получава от цветните координати, обсъдени по-горе. Това по същество е цветът, който всъщност се възприема от човешкото око. Пиковата дължина на вълната е дължината на вълната при максималния спектрален интензитет. Пиковата стойност е лесна за получаване и следователно е най-често срещаната стойност, определена от производителите на светодиоди, но има малко практическо значение за приложения, които се гледат с човешкото око, тъй като два светодиода може да имат една и съща пикова дължина на вълната, но могат да се възприемат като различни цветове. В момента най-точният метод за измерване на цвета е използването на спектрорадиометър. Това устройство извършва пълно спектрално разпределение на мощността на измервания източник, от което всички фотометрични, радиометрични и колориметрични параметри могат да бъдат математически изчислени. Точността на дължината на вълната на оборудването трябва да бъде по-добра от 0,5 nm, като се предпочита 0,1 nm. Както бе споменато по-горе, има няколко фактора, които могат да повлияят на получената стойност. Едно от тях е температурата. С повишаването на температурата на околната среда се увеличава и дължината на вълната на светодиода. Това увеличение обикновено ще бъде от 0,1 nm/°C-0,2 nm/°C в зависимост от вида на използвания светодиод.
Гониометрична / ъглова характеристика
Последната тема за дискусия е гониометрична или ъглова характеристика. Гониометърът е устройство, което измерва пространственото разпределение или модела на излъчване на светодиод (виж фигура 8). Това може да се постигне чрез преместване на детектора около светодиода или чрез накланяне на светодиода, докато детекторът остава неподвижен. И в двата случая се правят няколко изходни измервания за всеки ъгъл, като се извършва завъртане от 0°-180°. След завършване се получава профил на излъчения лъч в една равнина. Често се приема, че тъй като повечето светодиоди са кръгли, моделът на излъчване е симетричен. Това дори изглежда е посочено от графичните изображения на ъгъла на видимост, предоставени от много производители на светодиоди. Това често не е така. Както бе споменато по-рано, геометричните и монтажните вариации, които възникват по време на производството на светодиоди, могат значително да повлияят на неговите оптични свойства. Може да се наложи да извършите допълнително сканиране и да запишете няколко зрителни равнини. В допълнение, някои светодиоди със специална форма, като овален или елипсовиден тип, по същество имат два модела на излъчване (30° x 70° например), следователно е необходимо както 0°, така и 90° сканиране на устройството. Ако гониометърът не е лесно достъпен, възможно е да се получи груб радиационен модел, като се използва фотодетектор и ръчно завърта LED детектора, записва изходните нива и начертава точките от данни, но това може да бъде много досадно и отнемащо време . От обсъжданото трябва да е ясно, че измерването на светлината може да бъде много неточно в сравнение с други по-специфични електрически характеристики като напрежение, ток или съпротивление. Има много фактори, като цвят, геометрия на устройството, подравняване на светодиода в тестово устройство, температура и т.н., които могат да предизвикат грешка в измерването. Често се класифицира като повече изкуство, отколкото наука. Въпреки че точността на измерване от ±5% все още се счита за стандартна и широко приемлива в индустрията, при внимателно внимание са възможни точности по-добри от ±2,5%.
