LED diode – dominantna tehnologija rasvjete
Ako se ikad postavlja pitanje da će LED diode biti tako dominantna tehnologija rasvjete, samo pogledajte oko sebe. Oni su praktički posvuda. Od standardnih indikatora na stereo opremi, prijenosnih računala i igračaka do semafora, promjenjivih znakova poruka i automobilske rasvjete, LED diode uživale su u eksplozivnom rastu tijekom posljednjih nekoliko godina bez kraja. Velik dio toga je zbog sve veće razine svjetline koja se postiže s novim materijalima i procesima proizvodnje pločica, kao i pojavom plavih i bijelih LED dioda za RGB (puna boja) i primjene općeg osvjetljenja. Kako razina sofisticiranosti korištenja LED dioda raste, raste i potreba za točnim mjerenjima optičkih svojstava LED dioda. Ja sam u optoelektronskoj industriji već skoro 25 godina i daleko najčešći tip pitanja koje mi uvijek postavljaju odnosi se na mjerenje LED-a. (Što je lumen? Kako mogu pretvoriti iz lumena u kandelu? Kako točno izmjeriti svjetlinu? Zašto moje mjerenje nije isto kao vaše?) Nadam se da ću se pozabaviti ovim i mnogim sličnim problemima u sljedećem članku. Detalji optičkog mjerenja u ovoj diskusiji bit će raščlanjeni u četiri odvojene, ali međusobno povezane teme. To su: fotometrijske veličine, radiometrijske veličine, veličine valne duljine ili kromatičnosti i konačno kutne ili goniometrijske veličine. Iako se o gore navedenim jedinicama, standardima i metodologijama ispitivanja lako može napisati cijela knjiga, pokušat ću sažeti češća i osnovna područja interesa.
Fotometrija
Fotometrija je jednostavno mjerenje svjetlosti u vidljivom spektru (otprilike 380nm-770nm). Ovo je svjetlo koje se vidi golim okom prosječnog ljudskog promatrača. Postoji mnogo različitih tipova fotometrijskih jedinica kao što su gnjide (cd/m2), luks (lumen/m2), nožne svijeće (lumen/ft2), stilb (cd/cm2) itd. Sve se one temelje na dva osnovna fotometrijska standarda, LUMEN i KANDELA. Candela je jedinica svjetlosnog intenziteta, koja se može definirati kao količina svjetlosnog toka (ukupna svjetlosna snaga emitirana iz izvora i izražena u lumeni) po jedinici kuta tijela u danom smjeru. Lumen se može definirati kao svjetlosni tok emitiran po jedinici čvrstog kuta iz jednolikog točkastog izvora čiji je svjetlosni intenzitet 1 kandela. (1 kandela=1 lumen/steradian) Također je važno razumjeti definiciju steradiana, što je kruti kut (konus) u središtu sfere polumjera "r" koja spaja područje "r2" na površini sfera. (Vidi sliku 1) Površina kugle je 4π r2; dakle, kugla ima 4π steradiana. Većina standardnih LED dioda koje se danas isporučuju mjere se u kandelama, međutim, zbog sve veće potražnje za LED diodama kao zamjenom za žarulje sa žarnom niti na općem tržištu rasvjete, lumen se sada često koristi kao mjerna jedinica za izlaznu svjetlost. Jednostavna metoda za pretvaranje iz Candela u lumen prikazana je na slici 2 (ispod). Korak 1.) Dobijte čvrsti kut LED-a w=π * (θ1/2)2 w=π(25)2, uz pretpostavku da je polukut LED diode 25° w=π(.43633)2, pretvorite stupnjeve u radijane .598 Korak 2.) Izračunajte lumene f=Iv * wf=2,00 * ,598, uz pretpostavku da je svjetlina LED-a 2000 mcd f=1,196 lumena Iako su empirijski izračuni mogući za pretvaranje mnogo različitih tipova fotometrijskih jedinica, stvarna izmjerena vrijednost može se razlikovati od izračunatu vrijednost zbog varijacije u karakteristikama prostornog zračenja LED-a. U većini slučajeva, empirijski izračun je dovoljno točan. Dodatne fotometrijske pretvorbe prikazane su na slici 3. Iako postoji bezbroj drugih mogućih konverzija, na primjer kandela u nit ili lambert u kandelu, ne postoji jednostavan izravni faktor množenja koji se može koristiti. Možda će biti potrebne informacije kao što su područje izvora i/ili detektora ili mjerna udaljenost i kutne karakteristike. Fotometrijsko mjerenje LED dioda može biti više umjetnost nego egzaktna znanost. Postoje različiti problemi s geometrijom, električnom energijom i montažom koji mogu uvelike utjecati na optička svojstva LED dioda. Budući da ne postoje dvije potpuno iste LED diode, postoje koraci koji će uvelike poboljšati točnost vašeg mjerenja. To uključuje, ali nije ograničeno na:
Poznavanje optičkog centra za emitiranje svjetla LED u odnosu na mehaničko središte. Kada se LED diode postavljaju u tipično ispitno tijelo, ono se obično postavlja na takav način da se pretpostavlja da svjetlost izvire iz mehaničkog središta uređaja. To često nije slučaj. (Vidi sliku 4) Optički centar često odstupa 5° ili više od mehaničkog središta LED-a. Iako to možda neće predstavljati veliki problem kod mjerenja uređaja sa širokim kutom gledanja kao što je 40° ili više, za uređaje s uskim kutom razlike u očitanjima mogu biti znatne. (Treba napomenuti da je preporuka CIE (Commission Internationale de l'Eclairage) korištenje mehaničke osi LED umjesto optičke osi kao referentne mjere)
Mjerenje izlaza u određenom vremenskom intervalu ili kada je stabiliziran. Kada se LED prvi put uključi, temperatura spoja se povećava zbog potrošene električne energije. (Temperatura spoja LED diode određena je s Tj=Ta+(Vf*If)*Rth(ja)) Može proći nekoliko sekundi ili nekoliko minuta prije nego što svjetlosni izlaz dosegne toplinsku ravnotežu i stabiliziranu vrijednost. Smanjenje proizvodnje od 5-20% ili više nije neuobičajeno. Ovo nije trajna degradacija i oporaviti će se nakon de-energije. Često nije praktično čekati dulje vrijeme kada mnoge LED diode zahtijevaju testiranje, stoga se često uspostavlja postavljeni vremenski interval poput 5 sekundi iako se izlaz možda neće stabilizirati.
Osigurajte da je temperatura okoline dosljedna tijekom ispitivanja. LED diode obično mijenjaju svjetlinu i boju s temperaturom. Kako temperatura raste, izlaz se smanjuje i boja se pomiče prema višem kraju spektra. To će biti razrađeno u raspravi o kolorimetriji.
Uvijek koristite izvor konstantne struje. Napon naprijed (Vf) LED-a može varirati od uređaja do uređaja, stoga, ako se koristi standardno napajanje ili izvor napona, svaka LED možda neće dobiti istu struju.
Upotrijebite postavljanje testa koji se lako može ponoviti. Razrađene postavke mogu biti u redu za mjerenja laboratorijskog tipa, međutim, kada mnoge LED diode zahtijevaju testiranje, svaka s različitim stilovima pakiranja, kutovima gledanja, bojama itd., sustav koji se može brzo modificirati dok osigurava identično poravnanje mehaničke osi i jamči detektor uvijek vidi isti dio emisionog stošca je potreban.
Osigurajte da je sva oprema pravilno održavana i kalibrirana
Radiometrija
Radiometrija se odnosi na ukupno zračenje ili mjerenje cjelokupne svjetlosti bilo u vidljivom, infracrvenom ili ultraljubičastom spektru. Osnovna jedinica radiometrijske optičke snage (Radiant Power) je vat (W). Vat je apsolutna jedinica jer je neovisan o valnoj duljini. Jedan vat infracrvene svjetlosti sadrži snagu koliko i jedan vat vidljive svjetlosti. Ostali radiometrijski pojmovi koji se obično mjere su intenzitet zračenja (Watts/steradian), Ozračenost (W/m2) i Radiance (W/m2 sr). Primarna metoda za mjerenje ukupne snage zračenja/svjetlosnog toka je korištenje integrirajuće sfere. (Vidi sliku 5) Integrirajuća kugla mjeri svjetlost koja se emitira iz LED-a u svim smjerovima. Općenito, ova mjerenja su neovisna o kutu gledanja i ne podliježu kutnim mjernim netočnostima uočenim pri fotometrijskom testiranju, međutim, pogreške su još uvijek moguće. Promjeri kugle od približno 3 i 6 inča se široko koriste. Ako je točnost kritična, preferiraju se tipovi s većim promjerom zbog povoljnog omjera površine sfere i veličine LED diode i priključaka, međutim, to također rezultira gubitkom intenziteta. Glavni izvor mjerne greške je mjesto na kojem se LED dioda smjesti unutar integrirajuće kugle. Najnovija specifikacija koju je usvojio CIE, Publikacija 127, navodi da cijeli paket LED-a treba biti unutar sfere što se naziva mjerenjem 2 svjetlosnog toka. Iste mjere opreza koje se koriste za fotometrijsko mjerenje LED dioda također se trebaju poštivati prilikom radiometrijskih mjerenja. Kao i kod fotometrijskih pretvorbi, postoji bezbroj radiometrijskih pretvorbi koje su moguće s odgovarajućim informacijama. Radiometrijske vrijednosti obično su potrebne za aplikacije koje se koriste zajedno s foto detektorom kao što su optička vlakna, skeniranje ili senzor.
Kolorimetrija
Znanstveno mjerenje i kvantifikacija LED boje naziva se kolorimetrija. Njegove se jedinice obično daju kao koordinate kromatičnosti ili u valnoj duljini. Percepcija boja je vrlo komplicirana jer ne ovisi samo o različitim fizičkim svojstvima svjetlosti, već io stvarima kao što su okolni objekti, mehanička svojstva uređaja, reakcija očiju gledatelja kao i njihovo psihičko stanje. CIE je uspostavio standarde za mjerenje vidljive svjetlosti jer se odnosi na "standardni odgovor ljudskog oka". Ova takozvana standardna krivulja promatrača prvi je put uspostavljena 1931. (vidi sliku 6a). Iz ove krivulje dobivaju se vrijednosti tristimulusa za točno definiranje boje. X, Y, Z tristimulusni sustav temelji se na pretpostavci da je svaka boja kombinacija tri primarne boje; crvena, zelena i plava. CIE dijagram kromatičnosti iz 1931. (vidi sliku 6b) izveden je iz vrijednosti tristimulusa na sljedeći način: x=X/(X+Y+Z) ili x=crveno/(crveno {{6} } Zelena + Plava) y=Y/(X+Y+Z) ili y=Zelena/(Crvena + Zelena + Plava) Od ( x + y + z) =1, treća os, z=1 – (x + y)
Koordinate kromatičnosti obično su određene samo osi x i y. Općenito, većina specifikacija koje pružaju proizvođači LED-a ne navode koordinate kromatičnosti, već vršnu i dominantnu valnu duljinu (osim ako je LED bijela). Dominantna valna duljina, određena u nanometrima, dobiva se iz gore navedenih koordinata boje. To je u biti boja koju zapravo percipira ljudsko oko. Vrhunska valna duljina je valna duljina pri maksimalnom spektralnom intenzitetu. Vršnu vrijednost je lako dobiti i stoga je najčešća vrijednost koju navode proizvođači LED-a, međutim, ona ima malo praktičnog značaja za aplikacije koje se promatraju ljudskim okom jer dvije LED diode mogu imati istu vršnu valnu duljinu, ali se mogu percipirati kao različite boje. Trenutno je najpreciznija metoda za mjerenje boje korištenjem spektroradiometra. Ovaj uređaj obavlja potpunu spektralnu raspodjelu snage izvora koji se mjeri iz kojeg se mogu matematički izračunati svi fotometrijski, radiometrijski i kolorimetrijski parametri. Točnost valne duljine opreme trebala bi biti bolja od 0,5 nm s poželjnim 0,1 nm. Kao što je već spomenuto, postoji nekoliko čimbenika koji mogu utjecati na dobivenu vrijednost. Jedna od njih je temperatura. Kako temperatura okoline raste, raste i valna duljina LED dioda. Ovo povećanje će obično biti od 0,1 nm/°C-0,2 nm/°C ovisno o vrsti LED diode koja se koristi.
Goniometrijska / kutna karakterizacija
Konačna tema za raspravu je goniometrijska ili kutna karakterizacija. Goniometar je uređaj koji mjeri prostornu distribuciju ili uzorak zračenja LED diode (vidi sliku 8). To se može postići pomicanjem detektora oko LED-a ili naginjanjem LED-a dok detektor ostaje nepomičan. U oba slučaja, nekoliko izlaznih mjerenja provodi se za svaki kut dok se izvodi rotacija od 0°-180°. Po završetku dobiva se profil zračenog snopa u jednoj ravnini. Često se pretpostavlja da je, budući da je većina LED dioda okrugla, uzorak zračenja simetričan. Čini se da to čak pokazuju i grafički prikazi kuta gledanja koje pružaju mnogi proizvođači LED dioda. To često nije slučaj. Kao što je već spomenuto, geometrijske varijacije i varijacije sklopa koje se javljaju tijekom proizvodnje LED dioda mogu uvelike utjecati na njegova optička svojstva. Možda će biti potrebno izvršiti dodatno skeniranje i snimiti više ravnina pogleda. Osim toga, neke LED diode posebnog oblika, poput ovalnog ili eliptičnog tipa, u osnovi imaju dva uzorka zračenja (30° x 70° na primjer), stoga je potrebno i 0° i 90° skeniranje uređaja. Ako goniometar nije lako dostupan, moguće je dobiti grubi uzorak zračenja korištenjem foto detektora i ručnim rotiranjem LEDor detektora, bilježenjem izlaznih razina i crtanjem točaka podataka, međutim, to može biti vrlo zamorno i dugotrajno. . Iz onoga što je raspravljano trebalo bi biti jasno da mjerenje svjetlosti može biti vrlo netočno u usporedbi s drugim specifičnijim električnim karakteristikama kao što su napon, struja ili otpor. Postoji mnogo čimbenika kao što su boja, geometrija uređaja, poravnanje LED-a s ispitnim uređajem, temperatura itd. koji mogu uzrokovati pogrešku mjerenja. Često se klasificira kao više umjetnost nego znanost. Iako se točnost mjerenja od ±5% još uvijek smatra standardnom i široko prihvatljivom u industriji, uz pažljivu pažnju, moguće su točnosti bolje od ±2,5%.
