Фотометричні (світлові) характеристики світлодіодів
Фотометрія - це вимір світла у видимому спектрі. Це та частина світлового спектру, яка приблизно відповідає довжинах хвиль 380-770 нм і видно неозброєним оком «усередненого» спостерігача. Існує безліч фотометричних величин, таких як яскравість (1 ніт = 1 кд / м 2 або 1 стильб = 1 кд / см 2), освітленість (1 люкс = 1 лм / м 2), і т.д. Всі вони засновані на двох основних фотометричних стандартах: світловий потік і сила світла.
Світловий потік вимірюється в люменах. 1 люмен визначається як світловий потік, що випускається точковим джерелом з силою світла 1 кандела всередині тілесного кута 1 стерадіан (1 лм = 1 кд × ср). Важливо розуміти визначення Стерадіан, що є тілесним кутом (конусом) з центром в сфері радіуса r, який вирізає зі сфери поверхню площею r 2 (див. Рис.1). Площа поверхні сфери дорівнює 4 π r 2. тому повний світловий потік, створюваний точковим джерелом, з силою світла одна кандела, дорівнює 4 π люменам.
Рис.1 - тілесний кут Ω
Сила світла вимірюється в канделах. Наукове визначення кандели досить складно для образного сприйняття: «одиниця сили світла точкового джерела в заданому напрямку, що випускає монохроматичне випромінювання частотою 540 × 10 12 Гц, енергетична сила світла якого в цьому напрямку становить 1/683 Вт / ср». Частота випромінювання 540 × 10 12 Гц відповідає довжині хвилі 555 нм (випромінювання зеленого кольору).
Для спрощення розуміння можна звернутися до походження назви «кандела». Так ось, одна кандела (в перекладі з латині - «свічка») це сила світла звичайної воскової свічки.
У багатьох резонно постає питання: чому сила світла вимірюється в якихось канделах, а не в ватах на стерадіан? Так, можна вимірювати силу світла і в Вт / ср, і фахівці іноді так роблять, але при цьому виникає одна незручність. Якби ми включили синій, зелений і червоний світлодіоди з однаковою силою світла в Вт / ср, то зелений світлодіод світил б яскравіше. Вся справа в тому, що людське око має різну чутливість до різних довжинах хвиль випромінювання. Але про це трохи пізніше. Зараз же від теорії перейдемо до практики, тобто до світлодіодів.
Для оціночного перерахунку кд в люмени, використовують наступний метод:
1. Знаючи плоский кут світіння світлодіода θ (подвійний кут половинній яскравості), вказаний виробником, визначаємо тілесний кут: Ω = 2 π (1 - cos (θ / 2)).
2. Обчислюємо світловий потік: F = Iv × Ω, де Iv - сила світла світлодіоди.
Однак, фактично виміряне значення може відрізнятися від розрахункової величини через варіацій просторового розподілу випромінювання світлодіода. Це особливо помітно при перерахунку несиметричних діаграм спрямованості випромінювання (наприклад, світлодіодів з овальної оптикою) і индикатрис вузько світлодіодів. Справа в тому, що не існує ніякого однозначного методу перерахунку сили світла для визначення точного світлового потоку. Тільки безпосереднім виміром цієї величини можна з високою точністю отримати її значення в люменах.
Фотометричне вимір світлодіодів може виявитися більшим мистецтвом, ніж просто розрахунок із застосуванням суворих фізичних формул. Існує маса факторів (геометричні та електричні нюанси, різні похибки, внесені на етапі виробництва світлодіодів), варіації яких можуть істотно впливати на оптичні властивості світлодіодів. Не існує двох у всьому однакових світлодіодів, тому потрібне прийняття заходів, які значно збільшать точність ваших вимірів. Вони включають, але не обмежені наступним:
▪ Враховуйте зміщення оптичного центру емісії світлодіодів щодо механічного центру.
При фіксації світлодіода в кріпленні випробувальної установки передбачається, що світло виходить від його механічного центру. Але це не завжди так (див. Рис. 2). Оптичний центр нерідко відхиляється на 5 або більше градусів від механічного. Можливо, це не є особливою проблемою, коли вимірювані прилади мають широкий кут світіння, наприклад 40 градусів або більше. Але для світлодіодів з вузьким кутом світіння результат може відрізнятися на значну величину. Потрібно відзначити, що Міжнародна комісія з освітлення (CIE) рекомендує використовувати саме механічну (а не оптичну) вісь світлодіода при проведенні вимірювань.
▪ Вимірюйте вихід світла з певним часовим інтервалом.
Після того, як на світлодіод подано харчування, температура переходу збільшується через споживання електроенергії (температуру переходу світлодіода можна визначити як Tj = Ta + (Vf × If) × Rth (j-a)). Цей процес може зайняти кілька секунд або кілька хвилин до моменту настання теплової рівноваги, коли вихід світла досягне сталого значення. При цьому зменшення виходу світла на 5-20% або більшу величину - вельми звичайне явище. Ця деградація не є незворотною, і первісна світловіддача відновиться після знеструмлення. На практиці в ході вимірювання великої кількості світлодіодів вибір тривалого інтервалу часу між вимірами не прийнятний. Найчастіше задається інтервал близько 5 секунд, незважаючи на те, що вихід світла не встигає досягати стабільного значення.
▪ Переконайтеся, що температура навколишнього середовища постійна в ході тестування.
Світлодіоди змінюють яскравість і колір зі зміною температури. Якщо температура підвищується, вихід світла скорочується, а колір зазвичай зміщується в довгохвильову сторону спектра.
▪ Завжди використовуйте стабілізований джерело струму.
Падіння напруги (Vf) на світлодіоді може коливатися від приладу до приладу, тому якщо в якості опорного харчування використовується джерело напруги, світлодіоди не отримають однакового струму.
▪ Використовуйте легко відтворювані умови тестування.
Складні умови (спеціалізована оснастка) можуть чудово підходити для лабораторних вимірювань. Однак, коли необхідно тестування значної кількості світлодіодів з різним типом корпусу, кутом світіння, кольором і т.д. виникає потреба в вимірювальній системі, яка може бути швидко перенастроєна, забезпечуючи ідентичне вирівнювання механічних осей і гарантуючи, що датчик завжди бачить той же самий сектор емісійного конуса.
▪ Переконайтеся що все обладнання належним чином обслужено і калібрувати.
Мал. 2 - девіація кута світіння
Радіометричні (енергетичні) характеристики світлодіодів
Радіометрія займається вимірами повного світлового випромінювання у всіх (видимому, інфрачервоному й ультрафіолетовому) оптичних діапазонах. Основна одиниця радіометричної оптичної потужності - ват (Вт). Ватт - абсолютна величина, яка не залежить від довжини хвилі. Один ват інфрачервоного світла несе таку ж потужність, як один ват видимого світла. Інші вимірювані радіометричні величини - енергетична сила випромінювання (Вт / ср), енергетична освітленість (Вт / м 2) і енергетична яскравість (Вт / ср × м 2). Основний метод вимірювання повної оптичної потужності заснований на використанні сферичного інтегратора (див. Рис. 3).
Мал. 3 - сферичний інтегратор
Сферичний інтегратор вимірює світло, що випускається светодиодом у всіх напрямках. За великим рахунком, ці вимірювання не залежать від кута світіння і не схильні до кутовим погрішностей, характерним для фотометричного тестування. Найбільш широке застосування отримали сфери діаметром від 75 до 150 мм. Якщо критична точність вимірювань, то кращий більший діаметр, так як важливим є співвідношення площі сфери до розміру світлодіода. Однак при вимірах світлодіодів з різним просторовим розподілом сили світла помилки неминучі. Головним фактором, що вносить помилку в вимірювання, є місце розташування світлодіода в сфері. Остання специфікація, прийнята CIE, передбачає, що корпус світлодіода повинен повністю перебувати в сфері - це так зване «2 π» вимір світлового потоку.
В ході радіометричних вимірювань світлодіодів повинні дотримуватися ті ж самі заходи, що і при фотометрії.
Колориметричні (спектральні) характеристики світлодіодів
Колориметрія - наукове вимір і визначення колірних характеристик світлодіодів. Колориметричні параметри світлодіодів зазвичай виражені в координатах кольоровості або в довжинах хвиль. Колірне сприйняття людини дуже складно, оскільки воно залежить не тільки від різних фізичних властивостей світла, але також і від навколишніх об'єктів, механічних властивостей випромінювача, фізіологічного відгуку очі спостерігача і його психологічного стану. У 1931 році Міжнародною комісією з освітлення (CIE) були виміряні реакції на колір декількох тисяч людей і введено поняття «стандартного спостерігача». Реакцію такого абстрактного спостерігача на кольори різного спектру описали через tristimulus - три криві, названі X, Y і Z (див. Рис. 4).
Система tristimulus базується на умові, що кожен колір - це комбінація трьох первинних кольорів: червоного, зеленого і синього. Діаграма кольоровості CIE (див. Рис. 5) отримана з значень tristimulus наступним чином:
X = X / (X + Y + Z) або X = Червоний / (Червоний + Зелений + Синій)
Y = Y / (X + Y + Z) або Y = Зелений / (Червоний + Зелений + Синій)
Оскільки, (X + Y + Z) = 1, третя вісь Z = 1 - (X + Y)
Мал. 4 - ординати кривих складання
(CIE spectral tristimulus values)
Мал. 5 - діаграма кольоровості CIE (1931р)
Зазвичай координати кольоровості визначаються тільки осями X і Y. Але якщо світлодіод не має «білого» світіння, більшість специфікацій, що надаються виробниками, містять не координати кольоровості, а скоріше пікову і домінуючу довжини хвиль. Домінуюча довжина хвилі використовується для позначення кольору в координатах CIE і вимірюється в нанометрів (нм). Це, по суті, колір, фактично сприймається людським оком. Пікова довжина хвилі - це довжина хвилі максимальної спектральної інтенсивності. Пікове значення легко визначити, і тому воно є найбільш частим параметром, вказуються виробниками світлодіодів. Однак пікова довжина хвилі має менше практичне значення для застосувань в області спектра, яка сприймається людським зором: два світлодіода можуть мати однакову пікову довжину хвилі, але будуть оцінені людиною як такі, що різні кольори.
В даний час найточніший метод вимірювання кольору - з використанням спектрорадіометра. Цей пристрій реєструє і вимірює спектральний розподіл потужності джерела світла, після чого можуть бути математично обчислені всі фотометричні, радіометричні й колориметрические параметри. Точність обладнанням довжини хвилі повинна бути не гірше, ніж 0,5 нм (бажано 0,1 нм).
Як ми вже говорили, існують різні фактори, що впливають на отриманий результат. Одним з них є температура. З підвищенням температури навколишнього середовища збільшується і температура активної області світлодіода, відповідно збільшується довжина хвилі випромінювання світлодіода. Це збільшення зазвичай має значення в межах 0,1-0,2 нм / ºC в залежності від типу використовуваного кристала. Деякі світлодіоди, наприклад, червоного світіння, можуть демонструвати і негативну температурну залежність довжини хвилі.
Гоніометричний (кутові) характеристики світлодіодів
Гоніометрія займається вимірюванням кутових характеристик світлодіодів. Гоніометр - пристрій, що вимірює просторовий розподіл сили світла світлодіода (див. Рис. 6). Суть цього методу полягає в покрокової фіксації значень сили світла світлодіода при його повороті на відомий кут, що може бути реалізовано переміщенням датчика навколо світлодіода або нахилами світлодіода щодо нерухомого датчика. Кілька вимірювань виходу світла робляться для кожного кута, при виконанні обертання від 0º до 180º. В результаті ми отримуємо профіль випромінювання в одній площині. Так як більшість світлодіодів має круглу форму лінзи, то найчастіше діаграма спрямованості випромінювання (індікатріса) є симетричною.
Мал. 6 - діаграма просторового
розподілу сили світла
Багато виробників світлодіодів надають саме таку діаграму в якості графічного представлення кута світіння світлодіода. Але, як ми вже говорили, відхилення в геометрії і похибки, внесені в ході виробництва світлодіодів, можуть суттєво зашкодити їх оптичні властивості. По-хорошому, необхідно виконати додаткові сканування і зробити вимірювання в різних площинах. Крім того, деякі світлодіоди специфічних форм (овальних або еліптичних) мають дві діаграми спрямованості (30º x 70º, наприклад), тому необхідно як 0º, так і 90º сканування. Якщо гоніометр недоступний, то отримати грубу діаграму спрямованості можливо з використанням фотодатчика, вручну обертаючи світлодіод або датчик, і реєструючи рівень виходу з фіксацією точки даних. Однак такий метод може бути дуже виснажливим і віднімають багато часу.
Експлуатаційні характеристики світлодіодів або тест на деградацію
Заключна тема для обговорення - основна якісна характеристика світлодіодів, а саме термін їх служби. Експлуатація - це серйозно, адже лампи перегорають ... Крім того, світловий потік лампи зменшується в процесі роботи. Термін служби - найважливіший експлуатаційний параметр джерел світла - відображає обидва цих неприємних факту: розрізняють повний (поки пристрій не перегорить) і корисний (поки світловий потік не впаде нижче певної межі) термін служби. Проектуючи світлове рішення, не можна забувати про подальшу експлуатацію освітлювальної установки, зокрема, про заміну ламп. Часта заміна ламп у важкодоступних місцях може перетворити експлуатацію в кошмар. Ще гірший варіант - тривала робота установки з перегоріли лампами, які руйнують світловий образ, що дуже актуально для установок зовнішнього архітектурного освітлення. Сучасні джерела світла сильно відрізняються за терміном служби. Якщо вірити повідомленням ЗМІ, абсолютним лідером тут є світлодіоди: лампу розжарювання довелося б поміняти більш 100 раз, а світлодіоди горять і горять ...
Але насправді це не відповідає дійсності. Переважна більшість поставляються сьогодні промисловістю світлодіодів деградує протягом декількох місяців (докладніше в нашій статті про деградацію світлодіодів). Щоб протестувати світлодіоди на швидкість деградації, необхідно слідувати певним критеріям:
- підтримка стабільності режимів роботи світлодіодів. Перш за все, це стабілізація струму харчування, сталість значення якого повинно мати місце протягом усього терміну тестування;
- дотримання температурного режиму. Протягом всього терміну тестування температура субстрату в місцях установки світлодіодів повинна бути постійною, і не перевищувати максимальну температуру, заявлену виробником або обчислену виходячи з теплових властивостей світлодіодів;
- дотримання всіх необхідних запобіжних заходів при проведенні вимірювань.
З усього вищесказаного стає очевидно, що вимір світла може бути дуже неточним у порівнянні з вимірюванням більш певних електричних параметрів (напруга, струм, опір). Існує безліч факторів, таких як колір, геометрія приладу, точність вирівнювання світлодіода в кріпленні вимірювальної установки, температура і т.д. які можуть привести до помилки у вимірах. Подібні вимірювання все ще більше відносяться до мистецтва, ніж до науки. Точність вимірювань ± 5% в даний час вважають стандартної і широко застосовувану в промисловості, але при дотриманні обережності і належної уваги цілком реально отримати ± 2,5%.