Измерительная лаборатория для комплексного исследования характеристик светодиодов
В статье описана фотометрическая лаборатория, предназначенная для комплексного исследования светодиодов, применяемых в светодиодных экранах и вывесках. На базе лаборатории создан измерительный комплекс для изучения характеристик светодиодов, параметров производимых светотехнических устройств на их основе и исследования в области физики полупроводниковых излучающих структур. Статья опубликована в печатном издании журнала “Компоненты и Технологии” в 7 номере за 2007 год.
Версия для печати в PDF формате
Введение
Результатом интенсивного развития технологий в области производства оптоэлектронных приборов на основе полупроводниковых светоизлучающих кристаллов стало широкое использование этих приборов в системах отображения информации, а также в световой сигнализации, декоративной подсветке и освещении. Большой выбор цветов свечения, комбинация мощного излучения с любой формой пространственного распределения и получения любого оттенка цвета в широком динамическом диапазоне световых потоков открывают огромные перспективы использования светоизлучающих диодов в качестве источников света для этих устройств.
Однако проектирование и разработка конструкций указанных устройств, а также новых типов светоизлучающих диодов невозможна без подробного анализа характеристик источников излучения. Предложенный в этой статье измерительный комплекс позволяет получать и исследовать практически все существующие фотометрические, спектральные, электрические, энергетические и другие необходимые для подобных работ параметры, зависимости и характеристики светодиодов и излучающих структур. Он также имеет возможность реализации научных программ по исследованию физических свойств излучающих кристаллов, разработки технологии производства светоизлучающих диодов на их основе и экспериментов по изучению механизмов деградации параметров со временем наработки.
Несмотря на отсутствие должной нормативной базы по метрологии светотехнических характеристик светодиодов, работа над которой ведется Международной Комиссией по Освещению (МКО), все измерения основаны на публикациях [1, 2, 6] и дополнены собственными методиками, разработанными непосредственно для измерений и расчетов некоторых необходимых величин [3].
Разработка совершенных методик по тестированию и отбраковке, прогнозу качества и анализу потенциальной надежности светодиодов, оценка заявленных производителем характеристик, оценка реальных, а не декларируемых параметров на работающих изделиях — задача важная для множества областей, где сегодня применяются светодиоды. Однако область, где точное определение параметров светодиодов оказывается критически важной, - это производство светодинамических конструкций, а также светодиодных экранов и вывесок больших размеров.
Почему это нужно?
Существующий в обычной практике подход к выбору, аттестации и исследованию параметров светодиодов оказался неэффективным при создании таких сложных и высокоточных изделий, как полноцветные видеоэкраны. Прецизионной точности сортировка светодиодов по параметрам, глубокий анализ изменения характеристик со временем наработки и измерения величин по оригинальным методикам - вот неполный перечень необходимых мер для построения высококачественного устройства отображения информации.
Подобные мероприятия в цикле производства своей продукции, позволяют получать необходимый уровень качества и стабильности характеристик видеоэкранов, а также спрогнозировать поведение тех или иных параметров при длительной эксплуатации светодиодного экрана. В сумме все это позволяет проектировать устройства, имеющие оптимальное соотношение цены и качества и легко обеспечивать необходимые параметры экранов для конкретных заказчиков, сохраняя качество.
Назначение
По функциональному использованию все оборудование для эксперимента делится на 3 части:
- Одну группу составляют средства измерения и регистрации различных величин, устройства преобразования их сигналов (АЦП, периферийные устройства), высокоточные источники питания, электромеханические установки и вспомогательные приборы. Эта группа представляет собой фотометрический стенд.
- Вторая группа оборудования представлена аналитическим центром на базе компьютера.
- Последняя группа оборудования предназначена для реализации необходимых режимов во время наработки образцов и представлена устройствами обеспечения стабилизированного питания и температурного режима работы светодиодов.
Концепция большинства экспериментов и программ предполагает изучение максимально возможного количества параметров светодиодов, а их измерение является одной из самых ответственных частей. Поэтому подход к разработке и созданию измерительного комплекса был направлен на интеграцию измерений различных величин с одной стороны и на универсальность такого комплекса без потери метрологических характеристик по отношению к большому динамическому диапазону и типам исследуемых источников с другой.
Для осуществления данной программы было специально разработано и изготовлено большинство электронных устройств, механических систем и средств измерения. Наряду с этим, в рамках соблюдения федерального закона “Об обеспечении единства измерений” и для корректности выполняемых исследований, с точки зрения соответствия метрологических характеристик эталонным величинам, основные средства измерения были внесены в Государственный реестр средств измерений и подверглись поверке в соответствии с утвержденной методикой и Государственной поверочной схемой, регламентируемой ГОСТ 8.023-90 “Государственная поверочная схема для средств измерений световых величин непрерывного и импульсного излучений”.
Поверка осуществляется на эталонной базе Всероссийского научно-исследовательского института оптико-физических измерений (ВНИИОФИ), держателя Государственного первичного эталона единицы силы света - канделы.
Фотометрический стенд
Вся установка располагается в отдельном помещении, особой конфигурации и специальной отделки. Поскольку измерения фотометрических величин ведутся в непрерывном режиме (что верно с точки зрения физики процесса измерения) без использования модуляции излучения, детектирования и усреднения импульсов фототока по времени, при котором нельзя проводить измерения непосредственно при внешнем освещении, очень важным требованием к данному помещению будет полное отсутствие посторонних засветок. Другим, не менее важным требованием будет обеспечение необходимого расстояния фотометрирования для выполнения закона “обратных квадратов” при измерении энергетических величин излучения.
Исходя их указанных условий было создано помещение, представляющее собой расширяющийся с одной стороны коридор, все стены, пол и потолок которого обшиты черной тканью, поглощающей свет. Данная конфигурация помещения лаборатории продиктована ГОСТ Р 51000.4-96 [4] и соответствует ГОСТ Р ИСО/МЭК 17025-2000 [5] для использования в качестве составной части прецизионного фотометрического стенда, средства измерения которого имеют статус рабочего эталона и занесены в Государственный реестр СИ.
Размеры коридора обеспечивают измерительную базу (расстояние от источника излучения до фотометра) до 11 м. Для выполнения измерений небольших световых величин (до 10-30 кд) был изготовлен специальный стол, на котором располагается массивный оптический рельс, позволяющий изменять расстояние фотометрирования в пределах 0,1-2,5 м. Большинство средств измерения также располагаются на этом столе в непосредственной близости от двухкоординатного гониометра, жестко связанного с поверхностью стола.
Для устранения возникновения возможных помех в тракте передачи малых значений фототока от фотометра непосредственно за ним, на расстоянии не более нескольких сантиметров расположен блок с усилителем сигнала и АЦП. Выходной сигнал с фотометра на регистратор значений передается в цифровом виде. Это обеспечивает высокую помехозащищенность и достоверность передачи информации от фотометрической головки на всем расстоянии фотометрирования, которое, как говорилось, может составлять до 11 м. Это обстоятельство позволяет измерять очень малые значения световых величин без искажения при передаче, что существенно расширяет динамический диапазон стенда.
Прецизионный источник тока имеет 3 идентичных канала с цифровой настройкой значения выходного тока раздельно в каждом канале в пределах 0-100 мА. Точность установления тока - 1 мA (100 дискретных значений), точность поддержания заданного значения - ±5%. 3 канала в некоторых случаях необходимы для измерения полноцветного (трехкристального) светодиода и удобства формирования любого оттенка с помощью изменения тока питания.
На табло источника индицируется как установленное, так и фактическое значение тока каждого канала. Источник тока имеет выходное напряжение до 15 В, поэтому несоответствие фактического тока установленному означает значительное нарушение хода ВАХ светодиода или нарушение контактных соединений. Проверка данного параметра позволяет избежать неправильных измерений световых величин из-за неправильного электрического режима. Кроме того, источник тока дает возможность вручную измерять ЛАХ (люмен-амперную характеристику).
Измеритель ВАХ был разработан с учетом возможности измерений подавляющего большинства электрических характеристик светодиодов. Он тоже представляет собой программно-управляемый источник тока с калиброванными значениями. Весь диапазон рабочих токов до 100 мA разбит на 2 поддиапазона: 0-10 мA с возможностью установки минимального дискретного значения тока 0,01 мA (1000 точек) для более точного измерения экспоненциального участка ВАХ светодиодов и 0-100 мA с возможностью установки минимального дискретного значения тока 0,1 мA (1000 точек).
Прямое падение напряжения на измеряемом приборе по отдельной линии подается на компаратор сигнала и впоследствии поступает на АЦП. Быстродействие ограничено необходимым временем на формирование импульса заданного значения тока, фиксации аналогового напряжения на нагрузке, его оцифровки и передачи в компьютер в режиме реального времени.
Также предусмотрена возможность изменения времени измерения между дискретными значениями в диапазоне 20 мс - 30 мин для реализации режимов импульсного и разогревающего действия тока. Эта функция имеет 2 режима: независимо от установленного времени между измерениями можно задавать любое значение тока в паузе между этими измерениями, тем самым устанавливая необходимую степень теплового действия тока или моделируя различные электрические режимы работы светодиода в реальных условиях.
Измерение ВАХ обратной ветви обеспечивается подачей на светодиод обратного смещения до -20 В. Однако здесь алгоритм работы устройства меняется на противоположный, и заданным значениям обратного напряжения будут присваиваться соответствующие значения обратного тока в диапазоне до -500 мA. Обработка результатов измерения производится по аналогичному принципу, описанному для прямой ветви ВАХ. Обратное напряжение можно устанавливать с точностью до 0,1 В.
Всю последовательность измерений и установку необходимых значений обеспечивает программное обеспечение, также разработанное для совместной работы с измерителем ВАХ. Реализация указанных электрических режимов светодиодов этим устройством во всей полноте используется и при измерении светотехнических характеристик.
Для этого разъем на плате гониометра, на которую устанавливается светодиод, имеет совместимую с разъемом источника питания распайку, поэтому достаточно переключить эти разъемы, и программная установка электрических режимов с помощью измерителя ВАХ одновременно будет соотнесена со светотехническими характеристиками светодиода. Особенно удобно пользоваться таким сочетанием, когда необходимо достаточно точно измерять ЛАХ: время установления термодинамического равновесия работающего светодиода задается программой, а фотометр фиксирует значение силы света через это время.
Для измерений спектрального распределения энергии излучения использовался спектрофотометр. Излучение от светодиода передается на его измерительную часть с помощью оптоволоконного световода с известной передаточной характеристикой, которая учитывается при расчетах параметров спектра. Входная часть световода располагается непосредственно на корпусе фотометра, и фактически они оба получают часть излучения от источника, исходящего из одной его точки. Поэтому можно считать, что светотехнические параметры, зафиксированные фотометром в данной точке диаграммы пространственного распределения, и колориметрические, зафиксированные спектрофотометром, характеризуют излучение одной этой точки.
Аналитическая часть
Вся информация об измерениях, полученных данных для расчета всех необходимых характеристик и зависимостей сосредоточена в аналитической части всей измерительной установки эксперимента - компьютере. Расчет светотехнических, колориметрических и других величин и характеристик производился с применением разработанных непосредственно для этих целей программ, составленных в пакетах MathCAD, Excel последних версий. Особенностью этого компьютера является высокое быстродействие, значительный объем памяти и наличие современной подсистемы обработки изображений и построения графиков.
Данное условие проистекает из расчета количества измерений и скорости их обработки. К аналитической части также стоит отнести различного рода измерительные приборы, осуществляющие постоянный мониторинг состояния окружающей среды в помещении, где располагается стенд. Это барометр, гигрометр и термометр с возможностью измерения температуры в нескольких точках стенда. Все показания этих приборов также учитываются при расчетах, так как имеются зависимости показаний основных средств измерения стенда от условий окружающей среды.
Оборудование для изучения механизмов деградации светодиодов
В процессе наработки одним из самых важных условий является поддержание стабильности режимов работы светодиодов. Прежде всего, это жесткая стабилизация тока питания светодиодов, постоянство значения которого не должно вызывать сомнения на протяжении всего срока наработки. Любое отклонение от этого условия сведет на нет все измерения из-за достаточно высокой вероятности существенного влияния плотности протекающего тока на характеристики деградации светодиодов.
Даже незначительное, но долговременное изменение питающего тока или разные его значения для различных образцов могут повлиять на дальнейшее принятие решения о той или иной причине изменения любого параметра, что приведет к неправильным выводам. Кроме того, важен факт постоянства пребывания светодиодов в рабочем состоянии, по возможности с минимальным количеством коммутационных циклов, которые обязательно внесут свой вклад в деградацию параметров. Полностью избавиться от этого эффекта не удастся (необходимо отключать светодиоды на время измерения), однако свести к минимуму возможно. Исходя из этого, была разработана особая система питания светодиодов, исключающая возможность появления подобных проблем.
Для каждого из исследуемых образцов индивидуально применяется двухступенчатая схема стабилизации: по напряжению и по току. Для решения обозначенной задачи нельзя применять ни групповую, ни какую-либо иную систему стабилизации — появление группы приборов, непосредственно связанных по цепи питания, неизбежно приведет к их взаимному влиянию друг на друга при изменении параметров в процессе наработки, как следствие реакции источника питания на эти изменения в соответствии с законом Кирхгофа. Ввиду большой крутизны вольт-амперной характеристики изменение напряжения питания всего на 0,05 В приведет к изменению потребляемой мощности приблизительно на 2% и в такой же пропорции изменит тепловой режим светодиода, что не может не сказаться на его параметрах при длительной работе.
Система питания представляет собой мощный импульсный источник стабилизированного напряжения, питающий несколько плат со светодиодами. Этот источник имеет обратную связь по напряжению, с помощью сигнала рассогласования которой он поддерживает выходное напряжение непосредственно на нагрузке, компенсируя тем самым влияние проводов и падение напряжения на контактах разъемов. Платы, на которых расположены светодиоды и их стабилизаторы тока, подсоединены к этому источнику общей шиной. Каждый светодиод имеет свой собственный стабилизатор тока, поддерживающий только его режим.
Для удобства и оперативности установки и извлечения светодиодов с плат на них установлены цанговые контактные гнезда. Схема составлена таким образом, что примененный стабилизатор напряжения известного номинала работает на резистор, который задает ток в цепи между стабилизатором и источником напряжения. Поэтому стабилизатор напряжения работает в своем штатном включении. Светодиод включается в разрыв входа питания стабилизатора, замыкая собой всю цепь. Поддерживая постоянство напряжения на резисторе, сопротивление которого не изменяется, стабилизатор тем самым поддерживает постоянство тока через всю цепь вместе со светодиодом.
При отсутствии светодиода в гнезде соответствующего стабилизатора последний оказывается обесточенным, при этом остальные могут работать. Стоит отметить, что такое включение светодиода оправдано еще и тем, что при любом катастрофическом отказе стабилизатора светодиод не окажется включенным в цепь с повышенным неконтролируемым напряжением и не выйдет из строя. Также каждая плата с группой светодиодов имеет свои фильтры, выполненные на электролитическом конденсаторе большой емкости (10 000 мкФ) и нескольких керамических, равномерно распределенных по площади платы. Входной диод защищает всю плату от напряжения обратной полярности.
Весь комплекс питается от сетевого стабилизатора - фильтра, предохраняющего последующие устройства от колебаний сетевого напряжения и обеспечивающего еще одну ступень стабилизации. Также, в цепь питания источника напряжения введен источник бесперебойного питания на случай отключений сетевого напряжения.
Заключение
Лаборатория является важным звеном производственной цепочки. От результатов лабораторных исследований зависит выбор того или иного производителя светодиодов, определение параметров и долговечности будущей продукции. Лаборатория является центром научных разработок новой продукции и полигоном при создании новейших методик для изучения и тестирования всей линейки светотехнической аппаратуры.
Список литературы:
- Technical report "Measurement of LED's" CIE127-1997. ISBN 3 900 734 84 4 (Технический доклад МКО “Измерения СИД”)
- Котюк А. Ф. Основы оптической радиометрии. М.: Физматлит, 2003
- 3. Никифоров С. Г. Почему светодиоды не всегда работают так, как хотят их производители?
Журнал “Компоненты и технологии” № 7 - 2005 - ГОСТ Р 51000.4-96. Система аккредитации в РФ. “Общие требования к аккредитации испытательных лабораторий”. Госстандарт РФ, официальная копия документа № 036.637 5. ГОСТ Р ИСО/МЭК 17025-2000. “Общие требования к компетентности испытательных и калибровочных лабораторий”
- ГОСТ Р ИСО/МЭК 17025-2000. “Общие требования к компетентности испытательных и калибровочных лабораторий”
- Айзеберг Ю. Б. Справочная книга по светотехнике. М.: Энергоатомиздат. 1995. Журнал “Компоненты и технологии” № 7 - 2007
