A LED-ek mért jellemzői
A LED-ek fotometriás (könnyű) jellemzői
A fotometria a látható spektrumban a fény mérése. Ez a fényspektrum azon része, amely megközelítőleg 380-770 nm hullámhossznak felel meg, és látható az "átlag" megfigyelő szabad szemmel. Számos fotometriai mennyiség van, például fényerő (1 nit = 1 cd / m2 vagy 1 stilb = 1 cd / cm2), megvilágítás (1 lux = 1 lm / m 2) stb. Mindegyik két alapvető fotometriai szabványon alapul: fényáram és fényerő.
A fényáramot lumenben mérik. 1 lumen a pontforrás által kibocsátott fényáram, melynek kandela 1 fényintenzitása van a szilárd szög belsejében 1 steradian (1 lm = 1 cd × cp) belül. Fontos megérteni a steradianus definícióját, amely egy szög (kúp) egy r sugárkörben lévő középponttal, amely a gömb r2 területének gömbjét levágja (lásd az 1. ábrát). A gömbfelület területe 4 π r 2. Ezért egy pontforrás által generált teljes fényáram, egy gyertya kandela, 4 π lumen.
1. ábra - a szilárd szög Ω
A fényerősséget kandelában mérik. Candela tudományos meghatározás meglehetősen nehéz képérzékelési „egység erő pontszerű fényforrás egy előre meghatározott irányba, kibocsátó monokromatikus sugárzást frekvencia 540 × október 12 Hz, az energia intenzitása, amely ebben az irányban 1/683 W / sr.” Az 540 × 10 12 Hz sugárzási frekvencia 555 nm hullámhossznak felel meg (zöld emisszió).
A megértés megkönnyítése érdekében a "candela" név eredetére utalhat. Így egy kandeláber (latinból - "gyertya") a hagyományos viaszgyertya fényereje.
Sokan felmerül a kérdés: miért van a fény intenzitása bizonyos kandelában, nem pedig wattban steradianként? Igen, a fényintenzitást W / cm-ben lehet mérni, és a szakértők néha ezt teszik, de van egy kellemetlenség. Ha a kék, zöld és piros LED-eket ugyanolyan fényerősséggel, W / c-ben adtuk be, a zöld LED világosabb lenne. Az a tény, hogy az emberi szem eltérő érzékenységet mutat a különböző sugárzási hullámhosszokra. De többet erről később. Most menjünk az elméletről a gyakorlatra, vagyis a LED-ekre.
A kandela átalakításának becsléséhez a következő módszert használja:
1. A gyártó által feltüntetett LED θ (dupla fényszögű szög) fénysíkjának ismeretében meghatározzuk a szilárd szöget: Ω = 2 π (1 - cos (θ / 2)).
2. Számítsa ki a fényáramot: F = Iv × Ω, ahol Iv a LED fényintenzitása.
Azonban a tényleges mért érték eltérhet a számított értéktől a LED sugárzás térbeli eloszlásának változásai miatt. Ez különösen észrevehető az aszimmetrikus sugárzási minták (például ovális optikájú LED-ek) és az erősen irányított LED-ek jelzőinek újratervezésében. Az a tény, hogy nincs világos módszer a fény intenzitásának újraszámítására a pontos fényáram meghatározásához. Csak e mennyiség közvetlen mérésével nagy pontossággal tudjuk elérni értékét a lumenben.
A fénykibocsátó diódák fotometriai mérése több lehet, mint csupán szigorú fizikai képleteket alkalmazó számítás. Számos tényező (geometriai és elektromos árnyalatok, különböző hibák a LED-gyártás színpadán), amelyek változatossága jelentősen befolyásolhatja a LED-ek optikai tulajdonságait. Nincs két azonos LED, ezért olyan intézkedésekre van szükség, amelyek jelentősen növelni fogják a mérési pontosságot. Ezek magukban foglalják, de nem kizárólag:
▪ Tekintse meg a LED-ek optikai központjának elmozdulását a mechanikai központhoz viszonyítva.
Ha a LED a tesztbeállítás szerelésénél rögzül, feltételezzük, hogy a fény a mechanikai központjából származik. De ez nem mindig így van (lásd a 2. ábrát). Az optikai központot gyakran eltérítik 5 vagy annál több fokkal a mechanikai iránytól. Talán ez nem különösebb probléma, ha a mért műszerek széles fényszöget használnak, például 40 fok vagy több. Azonban a fénykibocsátó diódák esetében, amelyek keskeny szögben vannak, az eredmény jelentősen eltérhet. Meg kell jegyezni, hogy a Nemzetközi Világítástechnikai Bizottság (CIE) a mérések mechanikai (és nem optikai) tengelyének használatát ajánlja.
▪ Mérje meg a fénykibocsátást egy bizonyos időintervallumban.
Miután a tápfeszültséget a LED-re helyezték, az áramfelvétel miatt nő az átmeneti hőmérséklet (a LED átmeneti hőmérséklete Tj = Ta + (Vf × If) × Rth (j-a)). Ez a folyamat néhány másodpercig vagy néhány perccel a termikus egyensúly megindulása előtt eltarthat, amikor a fénykibocsátás egyenletes értéket ér el. Ugyanakkor a fénykibocsátás 5-20% -os vagy annál nagyobb csökkenése meglehetősen gyakori jelenség. Ez a lebomlás nem visszafordíthatatlan, és a kezdeti fénykibocsátás visszaállításra kerül a feszültségmentesítés után. A gyakorlatban nagyszámú LED mérése során a mérések közötti hosszú időtartam kiválasztása nem elfogadható. Leggyakrabban körülbelül 5 másodperces időköz van beállítva annak ellenére, hogy a fény kimenetének nincs ideje stabil érték elérésére.
▪ Ellenőrizze, hogy a környezeti hőmérséklet állandó-e a vizsgálat során.
A LED-ek a fényerőt és a színt változtatják a hőmérséklet-változásokkal. Ha a hőmérséklet emelkedik, a fénykibocsátás csökken, és a szín általában a spektrum hosszú hullámú oldalára változik.
▪ Mindig stabilizált áramforrást használjon.
A LED feszültségcsökkenése (Vf) ingadozhat a műszerről a műszerre, így ha a feszültségforrás feszültségforrás, akkor a LED-ek nem kapnak ugyanazt a áramot.
▪ Használjon könnyen reprodukálható vizsgálati feltételeket.
Komplex körülmények (speciális kötélzet) tökéletesen alkalmasak laboratóriumi mérésekre. Azonban, amikor jelentős számú, különböző típusú házak, könnyű szög, szín stb. szükség van egy olyan mérőrendszerre, amely gyorsan újrakonfigurálható, biztosítva a mechanikai tengelyek azonos illesztését és biztosítva, hogy az érzékelő mindig az emissziós kúp azonos szektorát látja.
▪ Győződjön meg róla, hogy az összes berendezés megfelelően karbantartott és kalibrálva van.
Ábra. 2 - a megvilágítás szögének eltérése
A LED-ek sugárzási (energia) jellemzői
A sugárzásmérés a teljes fénysugárzás mérését végzi az összes (látható, infravörös és ultraibolya) optikai tartományban. A radiometrikus optikai teljesítmény alapegysége watt (W). A Watt abszolút érték, amely nem függ a hullámhossztól. Egy watt infravörös fény ugyanolyan teljesítményt hordoz, mint egy watt látható fényt. Más mért radiometrikus értékek a sugárzás energia-erőssége (W / cm), az energiamilágítás (W / m 2) és az energia-fényerő (W / cm2). A teljes optikai teljesítmény mérésének fő módja a gömb alakú integrátor használata (3. ábra).
Ábra. 3 - gömbölyű integrátor
A gömbölyű integrátor a LED által sugárzott fényt minden irányban sugározza. Ezek a méretek nagyjából függetlenek a fényvisszaverési szögtől, és nem függenek a fotometriai vizsgálat szögletes hibáitól. A leggyakrabban használt szférák 75-150 mm átmérőjűek voltak. Ha a mérési pontosság kritikus, akkor nagyobb átmérőt kell előnyben részesíteni, mivel a gömb területének és a LED méretének aránya nem lényeges. A fényintenzitású diódák mérése során a fényintenzitás térbeli eloszlásával azonban a hibák elkerülhetetlenek. A mérésekben hibát követõ legfontosabb tényezõ a LED helyzete a szférában. A CIE által elfogadott utolsó specifikáció feltételezi, hogy a LED-háznak teljesen a gömbben kell lennie - ez a fényáramlás úgynevezett "2 π" mérése.
A LED-ek radiometrikus mérése során ugyanazokat az óvintézkedéseket kell alkalmazni, mint a fotometria esetében.
A LED-ek kolorimetriás (spektrális) jellemzői
A színmérés a LED-ek színes jellemzőinek tudományos mérése és meghatározása. A LED-ek kolorimetriás paramétereit általában kromatikus vagy hullámhosszon fejezik ki. Egy személy színérzete nagyon nehéz, mert nemcsak a fény különböző fizikai tulajdonságaitól, hanem a környező tárgyaktól, a radiátor mechanikai tulajdonságaitól, a megfigyelő szemének fiziológiai reakciójától és pszichés állapotától is függ. 1931-ben a Nemzetközi Világítástechnikai Bizottság (CIE) több ezer ember színét mérte fel, és bevezette a "normál megfigyelő" fogalmát. Az ilyen absztrakt megfigyelő reakcióját különböző spektrumú színekre írták le trisztimuluson keresztül - három X, Y és Z nevű görbével (lásd a 4. ábrát).
A trisztimulus rendszer azzal a feltétellel alapul, hogy minden szín három primer szín kombinációjából áll: vörös, zöld és kék. A CIE színdiagramja (lásd 5. ábra) a trisztimulus értékekből származik, az alábbiak szerint:
X = X / (X + Y + Z) vagy X = Piros / (Piros + Zöld + Kék)
Y = Y / (X + Y + Z) vagy Y = zöld / (piros + zöld + kék)
Mivel (X + Y + Z) = 1, a harmadik tengely Z = 1 - (X + Y)
Ábra. 4 - a hozzáadás görbéinek koordinátái
(CIE spektrális trisztimulus értékek)
Ábra. 5 - a CIE (1931g) kromatográfiás diagramja
Jellemzően a színkoordináták esetben csak a tengelyek X és Y. De ha a LED nem „fehér” fény, a többség a specifikációk a gyártó által biztosított, nem tartalmazzák a színkoordináták, hanem a csúcs és a domináns hullámhossz. A domináns hullámhosszúság a CIE koordináták színére utal, és nanométerben (nm) mérve. Ez valójában az a szín, amelyet az emberi szem ténylegesen érzékel. A csúcs hullámhossza a maximális spektrális intenzitás hullámhossza. A csúcsérték könnyen meghatározható, ezért ez a LED gyártók által meghatározott legáltalánosabb paraméter. Azonban a csúcs hullámhossza van gyakorlati értéke minimális terület a tartományban észlelt emberi látás alkalmazások: két LED azonos lehet a csúcs hullámhosszán, de belátható, egy személy által, mint amelyek különböző színekben.
Jelenleg a színmérés legpontosabb módszere spektro-rádiométer. Ez a készülék regisztrálja és méri a fényforrás teljesítményének spektrális eloszlását, amely után minden fotometriai, radiometriás és kolorimetriás paramétert matematikailag kiszámíthatunk. A berendezés hullámhossza meghatározásának pontossága nem lehet rosszabb, mint 0,5 nm (előnyösen 0,1 nm).
Mint már említettük, számos tényező befolyásolja az eredményt. Az egyik a hőmérséklet. A növekvő környezeti hőmérséklet mellett a LED aktív tartományának hőmérséklete is megnő, ennek megfelelően a LED-sugárzás hullámhossza növekszik. Ez a növekedés általában a 0,1-0,2 nm / ºC tartományban van, az alkalmazott kristály típusától függően. Egyes LED-ek, például a piros fény, szintén képesek megjeleníteni a hullámhossz negatív hőmérsékletfüggését.
A LED-ek goniometrikus (szögletes) jellemzői
A goniometria a LED-ek szögletes jellemzőinek mérésére szolgál. Goniometer - olyan eszköz, amely a LED fényintenzitásának térbeli eloszlását méri (lásd a 6. ábrát). Ennek lényege módszer alapja az inkrementális rögzítését a LED intenzitás értékek a forgása közben egy bizonyos szögben, amely lehet megvalósítani azáltal, hogy a szenzor körül a LED-ek, vagy LED dönthető képest rögzített szenzor. A fénykibocsátás több mérését minden egyes szögnél 0 ° és 180 ° között forgatjuk. Ennek eredményeként a sugárzási profilt egy síkban kapjuk meg. Mivel a legtöbb LED cirkuláris lencsével rendelkezik, leggyakrabban a sugárzási mintázat (jelzés) szimmetrikus.
Ábra. A 6. ábra a térbeli diagram
a fényerősség eloszlása
A LED-ek gyártói csak egy olyan ábrát mutatnak, amely a LED megvilágításának szögét ábrázolja. De ahogy már említettük, a geometriai eltérések és a LED-ek gyártása során bevezetett hibák jelentősen befolyásolhatják optikai tulajdonságukat. Jó mód van további leolvasások elvégzésére és mérések elvégzésére különböző síkokban. Sőt, egyes LED-ek speciális formái (ovális vagy elliptikus) két irányított diagramja (30 ° x 70º, például), oly módon, hogy szükség van 0 °, és a 90º szkennelés. Ha a goniométer nem áll rendelkezésre, érzelmi sugárzást kaphat fényérzékelővel, a LED vagy érzékelő manuális forgatásával és a kimeneti szint rögzítésével az adatpont rögzítésével. Ez a módszer azonban nagyon ideges és időigényes lehet.
LED teljesítmény vagy lebomlási vizsgálat
A vita végső témája a LED-ek fő minőségi jellemzője, nevezetesen az élettartamuk. Működés - ez komoly, mert a lámpák égnek ... Emellett a lámpa fényáramlása üzem közben csökken. Élettartam - kulcsfontosságú működési paramétere fényforrások - tükrözi mindkét kellemetlen tény: megkülönböztetésére teljes (amíg a készülék égnek) és hasznos (amíg fényáram esik egy bizonyos határ alatti) életét. A világítási megoldás tervezésénél nem szabad megfeledkeznünk a világítási rendszer további működéséről, különösen a lámpák cseréjéről. A nehéz helyzetben lévő lámpák gyakori cseréje a kizsákmányolást rémálomká alakíthatja. Még rosszabb a hosszú távú működés az égetett lámpákkal, amelyek elpusztítják a fényképet, ami nagyon fontos a külső építészeti világítás telepítéséhez. A modern fényforrások nagyon eltérőek az élettartam szempontjából. A médiajelentések szerint az abszolút vezető itt a LED: az izzólámpát 100-nál többször kell megváltoztatni, és a LED-ek égnek és égnek ...
De a valóságban ez nem igaz. A mai fénykibocsátó diódák túlnyomó többsége hónapok óta romlik (bővebben a LED-bomlásról szóló cikkünkben). A LED-ek kimutatására a lebontás mértékére vonatkozóan bizonyos kritériumokat kell követni:
- a fénykibocsátó diódák munkamódszerének stabilitásának fenntartása. Először is a kínálati áram stabilizálódása, amelynek tartós fennállása a teljes vizsgálati időszak alatt történik;
- a hőmérsékleti rendszer betartása. A vizsgálati időszak alatt az aljzat hőmérsékletének a LED-ek helyén állandónak kell lennie, és nem szabad meghaladnia a gyártó által megadott vagy a LED-ek termikus tulajdonságai alapján kiszámított maximális hőmérsékletet;
- a mérések során minden szükséges óvintézkedés betartása.
A fentiekből nyilvánvalóvá válik, hogy a fénymérés nagyon pontatlan lehet a specifikusabb elektromos paraméterek (feszültség, áram, ellenállás) mérésével összehasonlítva. Számos tényező van, például a szín, a műszer geometriája, a LED illesztésének pontossága a mérőegység szereléséhez, hőmérséklet stb. ami hibákhoz vezethet a mérésekben. Az ilyen mérések még inkább kapcsolódnak a művészethez, mint a tudományhoz. A mérés pontossága ± 5% jelenleg szabványnak és széles körben alkalmazható az iparban, de óvatossággal és kellő figyelem mellett teljesen ± 2,5% lehet.