Зеллайт (Zellight)
               

ЗЕЛЛАЙТ (Zellight) - энергосберегающие технологии

Сверхъяркие светодиоды KTL, светодиодные светильники, модули, линейки

8-499-638-22-32        Понед-Пятн с 10.00 - 18.00

 

Архив документов · Книга отзывов  

Измеряемые характеристики светодиодов

Если бы кто-нибудь предполагал, что светодиоды займут такое доминирующее положение в световых технологиях… Только посмотрите вокруг — они фактически 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. Счастливые для лентяев времена, когда разнообразие источников света ограничивалось «лампочкой Ильича», окончательно канули в лету. 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. И это не удивительно, ведь светодиодный свет из пассивного «статиста» превратился в эффективный инструмент изменения реальности. Современный рынок оптоэлектронных компонентов требует понимания не только оптических свойств светодиодов, но и методов их измерения.
Безусловно, наиболее типичные вопросы, которые задают среднестатистические потребители, связаны с оптическими свойствами светодиодов: насколько яркие ваши светодиоды? Что такое люмен? Как преобразовать канделы в люмены? Почему наши измерения не совпадают с вашими измерениями? Попробуем дать ответы на эти и другие подобные вопросы, разбив статью на пять отдельных, но взаимосвязанных тем:
— фотометрические (световые) характеристики;
— радиометрические (энергетические) характеристики;
— колориметрические (спектральные) характеристики;
— гониометрические (угловые) характеристики;
— эксплуатационные характеристики (срок службы);
По большому счёту, об этих характеристиках, стандартах и испытательных методологиях можно написать отдельную книгу. Но мы 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
телесный уголСила 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.
У многих резонно встаёт вопрос: почему сила света измеряется в каких-то 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. Сейчас же от теории перейдём к практике, то есть к светодиодам.

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 бóльшим 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:
Учитывайте 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 (см. рис. 2). 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.
▪ Измеряйте выход света 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.
▪ Убедитесь, 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.
▪ Всегда используйте 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.
▪ Используйте 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.
▪ Убедитесь что всё оборудование надлежащим образом обслужено и откалибровано.

Рис. 2 — девиация угла свечения

девиация угла свечения свечения светодиода











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 (см. рис. 3).

Рис. 3 — сферический интегратор
сферический интегратор
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).
Система tristimulus базируется на условии, что каждый цвет — это комбинация трёх первичных цветов: красного, зелёного и синего. Диаграмма цветности CIE (см. рис. 5) получена из значений tristimulus следующим образом:
X = X / (X+Y+Z) или X = Красный / (Красный + Зелёный + Синий)
Y = Y / (X+Y+Z) или Y = Зелёный / (Красный + Зелёный + Синий)
Поскольку, (X + Y + Z) = 1, третья ось Z = 1 — (X + Y)

Рис. 4 — ординаты кривых сложения
(CIE spectral tristimulus values)
ординаты кривых сложения CIE
Рис. 5 — диаграмма цветности CIE (1931г)
диаграмма цветности МКО


Обычно координаты цветности определяются только осями X и Y. Но если светодиод не имеет «белого» свечения, большинство спецификаций, предоставляемых изготовителями, содержат не координаты цветности, а скорее пиковую и доминирующую длины волн. Доминирующая длина волны используется для обозначения цвета в координатах CIE и измеряется в нанометрах (нм). Это, по существу, цвет, фактически воспринимаемый человеческим глазом. Пиковая длина волны — это длина волны максимальной спектральной интенсивности. Пиковое значение легко определить, и поэтому оно является наиболее частым параметром, указываемым изготовителями светодиодов. Однако пиковая длина волны имеет меньшее практическое значения для применений в области спектра, воспринимаемой человеческим зрением: два светодиода могут иметь одинаковую пиковую длину волны, но будут оценены человеком как имеющие различные цвета.
В настоящее время самый точный метод измерения цвета — с использованием спектрорадиометра. Данное устройство регистрирует и измеряет спектральное распределение мощности источника света, после чего могут быть математически вычислены все фотометрические, радиометрические и колориметрические параметры. Точность определения оборудованием длины волны должна быть не хуже, чем 0,5 нм (желательно 0,1 нм).
Как мы уже говорили, существуют различные факторы, влияющие на полученный результат. Одним из них является температура. С повышением температуры окружающей среды увеличивается и температура активной области светодиода, соответственно увеличивается длина волны излучения светодиода. Это увеличение обычно имеет значение в пределах 0,1-0,2 нм/ºC в зависимости от типа используемого кристалла. Некоторые светодиоды, например, красного свечения, могут демонстрировать и отрицательную температурную зависимость длины волны.

Гониометрические (угловые) характеристики светодиодов

Гониометрия занимается измерением угловых характеристик светодиодов. Гониометр — устройство, измеряющее пространственное распределение силы света светодиода (см. рис. 6). Суть этого метода основана на пошаговой фиксации значений силы света светодиода при его повороте на известный угол, что может быть реализовано перемещением датчика вокруг светодиода или наклонами светодиода относительно неподвижного датчика. Несколько измерений выхода света делаются для каждого угла, при выполнении вращения от 0º до 180º. В результате мы получаем профиль излучения в одной плоскости. Так как большинство светодиодов имеет круглую форму линзы, то чаще всего диаграмма направленности излучения (индикатриса) является симметричной.

Рис. 6 — диаграмма пространственного
распределения силы света

пространственное распределения силы света светодиода
Многие производители светодиодов предоставляют именно такую диаграмму в качестве графического представления угла свечения светодиода. Но, как мы уже говорили, отклонения в геометрии и погрешности, внесённые в ходе производства светодиодов, могут существенно затронуть их оптические свойства. По-хорошему, необходимо выполнить дополнительные сканирования и сделать измерения в различных плоскостях. Кроме того, некоторые светодиоды специфических форм (овальных или эллиптических) имеют две диаграммы направленности (30º x 70º, например), поэтому необходимо как 0º, так и 90º сканирование. Если гониометр недоступен, то получить грубую диаграмму направленности возможно с использованием фотодатчика, вручную вращая светодиод или датчик, и регистрируя уровень выхода с фиксацией точки данных. Однако такой метод может быть весьма утомительным и отнимающим много времени.

Эксплуатационные характеристики светодиодов или тест на деградацию

Заключительная тема для обсуждения — основная качественная характеристика светодиодов, а именно срок их службы. Эксплуатация — это серьезно, ведь лампы перегорают… Кроме того, световой поток лампы уменьшается в процессе работы. Срок службы — важнейший эксплуатационный параметр источников света — отражает оба этих неприятных факта: различают полный (пока прибор не перегорит) и полезный (пока световой поток не упадет ниже определённого предела) срок службы. Проектируя световое решение, нельзя забывать о дальнейшей эксплуатации осветительной установки, в частности, о замене ламп. Частая замена ламп в труднодоступных местах может превратить эксплуатацию в кошмар. Ещё более худший вариант — длительная работа установки с перегоревшими лампами, разрушающими световой образ, что очень актуально для установок наружного архитектурного освещения. Современные источники света сильно отличаются по сроку службы. Если верить сообщениям СМИ, абсолютным лидером здесь являются светодиоды: лампу накаливания пришлось бы поменять более 100 раз, а светодиоды горят и горят…
Но на самом деле это не соответствует действительности. Подавляющее большинство поставляемых сегодня промышленностью светодиодов деградирует в течение нескольких месяцев (подробнее в нашей статье о деградации светодиодов). Чтобы протестировать светодиоды на скорость деградации, необходимо следовать определённым критериям:
— поддержание стабильности режимов работы светодиодов. Прежде всего, это стабилизация тока питания, постоянство значения которого должно иметь место на протяжении всего срока тестирования;
— соблюдение температурного режима. В течение всего срока тестирования температура субстрата в местах установки светодиодов должна быть постоянной, и не превышать максимальную температуру, заявленную производителем или вычисленную исходя из тепловых свойств светодиодов;
— соблюдение всех необходимых предосторожностей при проведении измерений.

Из всего вышесказанного становится очевидно, что измерение света может быть очень неточным по сравнению с измерением более определённых электрических параметров (напряжение, ток, сопротивление). Существует множество факторов, таких как цвет, геометрия прибора, точность выравнивания светодиода в креплении измерительной установки, температура и т.д., которые могут привести к ошибке в измерениях. Подобные измерения всё ещё больше относятся к искусству, нежели к науке. Точность измерений ±5% в настоящее время считают стандартной и широко применимой в промышленности, но при соблюдении осторожности и должного внимания вполне реально получить ±2,5%.

О компании · Новости · Карта сайта · Контакты · Задать вопрос · Поиск
zellight , все права защищены.
Работает на: Amiro CMS