Загрузить - Национальный исследовательский университет

АККРЕДИТОВАННЫЙ ЦЕНТР ПО СЕРТИФИКАЦИОННЫМ
ИСПЫТАНИЯМ УСТРОЙСТВ СВЕТОТЕХНИКИ И ИСТОЧНИКОВ
ИЗЛУЧЕНИЯ ООО «АРХИЛАЙТ»
На правах рукописи.
Никифоров Сергей Григорьевич
РАЗРАБОТКА СРЕДСТВ ИЗМЕРНИЙ И МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ
ПАРАМЕТРОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ НА
ОСНОВЕ СОЕДИНЕНИЙ AIIIBV, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В
ВЫСОКОНАДЁЖНЫХ ПРИБОРАХ
Специальность 05.11.13. – «Приборы и методы контроля природной среды,
веществ, материалов и изделий».
Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук.
Москва – 2015
2
Оглавление
Введение………………………………………………………………………………………….4
Глава 1. Аналитический обзор публикаций..…………………………………………………12
1.1. Светоизлучающие диоды на основе гетероструктур ……………………………….…..12
1.2. Конструкция светодиодов и их параметры………………………………………………19
1.3. Деградация параметров……………………………………………………………………21
1.4. Разработки светосигнальной техники для ОАО «РЖД» на светодиодах.………….….26
Глава 2. Методы и средства измерений параметров светодиодов..…………………………35
2.1. Система электрических, фотометрических и колориметрических характеристик
светодиодов..……………………………………………………………………………………35
2.1.1 Группа электрических характеристик. …………………………………………………36
2.1.2. Группа фотометрических и энергетических характеристик излучения..…………….43
2.1.3. Группа спектральных и колориметрических характеристик излучения..……………51
2.1.4. Группа общих температурных характеристик, условий хранения и эксплуатации...60
2.2. Концепция и принципы построения системы измерительного оборудования..……….61
2.2.1. Описание разработанных средств измерений и области его применения.
Сертификация средств измерения и аккредитация измерительной лаборатории..………..62
2.3. Методики измерений и расчёта параметров……………………………………………..85
2.3.1. Исходные измерения……………….……………………………………………………85
2.3.2. Расчёт колориметрических характеристик излучения………………………………...88
2.3.3. Фотометрические характеристики. Измерение углового распределения силы света и
расчёт светового потока..………………………………………………………………………92
2.3.4.
Электрические
характеристики.
Измерение
и
расчёт
электрических
и
электрофизических характеристик светодиодов..…………………………………………..100
Глава 3. Исследование деградации параметров светодиодов. Описание экспериментов по
изучению деградации параметров. Методика подготовки и проведения эксперимента по
изучению деградации. Описание эксперимента.……………………………………………102
3.1. Наиболее общая методика подготовки и проведения эксперимента по изучению
деградации………………………………..……………………………………………………103
3.2. Последовательность и порядок измерений в ходе эксперимента……………………..103
3.3. Описание эксперимента…………….……………………………………………………105
3.3.1. Изготовление образцов со специальными параметрами для исследования,
технология их производства и отбора….……………………………………………………106
3.3.2. Результаты температурных исследований параметров светодиодов.………………118
3.3.3. Влияние температурных зависимостей характеристик светодиодов на восприятие
глазным аппаратом человека результирующего излучения.……………………………….144
3
3.4.Комплексное исследование характеристик светодиодов различных производителей.165
3.4.1. Исследования параметров светодиодов производства компании CREE.…………..165
3.4.2. Исследования параметров светодиодов CREE XLamp XP-E, XLamp XP-G и XLamp
XM-L……………………………………...……………………………………………………188
3.4.3. Светодиоды фирмы Philips - Lumileds «Luxeon «REBEL»…………………………..199
3.4.4. Исследование светодиодов производства ОАО «Светлана-ЛЕД» ………………….203
3.4.5. Исследование светодиодов производства Samsung.………………………………….212
3.4.6. Исследование светодиодов производства Seoul Semiconductor.…………………….218
Глава 4. Обоснование физических механизмов деградации по результатам экспериментов.
4.1. Деградационные характеристики групп светодиодов.…………………………………228
4.2 Описание деградационных характеристик………………………………………………229
4.3. Физические механизмы деградации параметров..……………………………………...240
4.4. Практическое применение результатов экспериментов при разработке и производстве
светодиодов.…………………………………………………………………………………...255
4.5. Анализ результатов прогнозирования деградации параметров светодиодов и
сравнение результатов исследований по фактической наработке образцов в течение
50000ч………………………………………………………………………………………….263
Глава 5. Разработка полупроводниковых излучающих устройств высокой степени
надёжности для нужд РЖД…………………..……………………………………………….270
5.1. Оценка используемых приборов световой сигнализации на РЖД и новых разработок,
претендующих на внедрение…………………………………………………………………270
5.2. Конструкция и основные принципы построения светодиодной лампы ЖСС для
использования в линзовых комплектах……………………………………………………...296
5.2.1. Обоснование параметров применяемых излучающих кристаллов для лампы ЖСС,
схемы их включения и доказательства безопасности.……………...………………………302
5.2.2. Расчёт корригирующего фильтра……...………………………………………………321
5.3. Оценка катафотного эффекта. Разработка методики по определению требований к
отражающим характеристикам светооптических систем.………………………………….329
5.4. Оценка фотобиологической безопасности излучения лампы ЖСС..…………………350
Заключение. Основные выводы и результаты работы.………………………………..……359
Список использованной литературы.………………………………..………………………364
Приложения……………………………………………..………………………………..……374
4
Введение
Актуальность темы
Стремительное развитие технологии производства излучающих структур в последние
годы привело к значительным успехам в области повышения качества приборов на их
основе. Существенно увеличилось число различных конструкций и типов серийно
производимых кристаллов, изготовленных на основе эпитаксиальных гетероструктур
твёрдых растворов AlGaInP и AlGaInN, позволяющих создавать источники излучения с
любыми необходимыми характеристиками для различных сфер применения. Большой
выбор цветов свечения, комбинация мощного излучения с любой формой его
пространственного распределения и с возможностью получения любого цветового
оттенка в широком динамическом диапазоне интенсивностей излучения открывают
огромные перспективы использования светоизлучающих диодов на основе этих структур
в качестве источников света для различных устройств. Однако, имеют место некоторые
проблемы при изготовлении как самих гетероструктур, так и светодиодов на их основе,
которые до сих пор недостаточно исследованы, а отсутствие методов их комплексного
решения на стадии производства излучающих кристаллов и технологии их сборки в
светодиодах существенно ограничивает применение готовых приборов в большинстве
устройств специальной сигнализации (светофоры, световая сигнализация [1]), в
устройствах ответственного применения с повышенной степенью надёжности (судовое,
шахтное и аварийное освещение) и в устройствах стратегического назначения (военная и
космическая техника). Наиболее значимой из всего спектра существующих проблем
является проблема изменения (деградации) всего комплекса первоначальных параметров
излучающих структур и светодиодов в целом. На практике это проявляется в виде
изменения значений некоторых характеристик устройств с исполнительной частью на
светодиодах, приводящее к искажению визуального восприятия информации человеком.
Это может иметь место, например, в больших полноцветных экранах на основе
многоцветных кластеров светодиодов (система RGB), в которых одновременно находятся
в работе более 500 – 800 тыс. светодиодов, первоначально отобранных по принципу
максимальной близости их параметров.
Во время эксплуатации у светодиодов с различным цветом свечения могут иметь место
неодинаковые изменения величины светового потока и его перераспределение по углам
излучения, изменение спектров излучения и, как следствие, различные изменения
значений силы света. Эти изменения приводят к появлению неоднородностей на площади
экрана в виде цветных пятен с несбалансированным белым цветом и нарушенной
цветопередачей изображения. В светофоре этот эффект приводит к изменению осевых
значений силы света, определённых стандартами, и угловых характеристик излучения
5
светоблоков, что неизбежно влечёт за собой ухудшение условий освещённости сетчатки
глаза водителя или машиниста [3], и, как следствие, уменьшение расстояния восприятия и
верности распознавания цвета сигнала. Важность этого факта достаточно велика: в
конечном итоге обнаружение и правильность определения цвета сигнала светофора
определяет безопасность движения в целом и жизнь человека в частности [2, 3].
Изучение механизмов деградации в сложившихся условиях массового производства
кристаллов и светодиодов на их основе является очень актуальным. Результаты
исследований выходят за рамки чисто научных программ и становятся необходимыми
непосредственно на производстве, где уже сейчас
оценка не только
всё больше требуется достоверная
параметров произведённых светодиодов, но и прогнозирование их
надёжности и срока службы. Эта тенденция требует необходимости проведения новых
исследований не только физических причин изменения различных свойств гетероструктур
на основе твёрдых растворов AlGaInP и AlGaInN во время наработки светодиодов, но и
разработки методик применения результатов этих исследований при конструировании и
производстве светодиодов и устройств на их основе. Неотъемлемой часть таких
исследований и внедрения их результатов в промышленное производство является также
разработка новых методов и методик в области метрологии излучения, современных
средств измерений характеристик светодиодов и устройств на их основе. Анализ
известных результатов исследований деградации светодиодов и методов её изучения, а
также особенности современного производства привели к идее проведения комплексного
эксперимента, в котором проводятся измерения максимально возможного количества
параметров и характеристик светодиодов с целью установления их взаимосвязи и
взаимозависимости в процессе наработки. При этом для определения степени влияния
конструкций и технологий изготовления гетероструктур AlGaInP и AlGaInN и кристаллов
на их основе на скорость деградации важнейших параметров приборов исследуемые
светодиоды должны иметь идентичные конструкции и технологии сборки.
К важнейшим параметрам светодиодов относятся световой поток, сила света и падение
прямого напряжения при рабочей величине прямого тока. В современном производстве
эти
параметры
измеряются
на
каждом
выпускаемом
приборе
с
помощью
автоматизированных установок и светодиоды сортируются по группам, имеющим
определённые типичные значения этих параметров в пределах от минимальных до
максимальных значений.
Установление связи между скоростью деградации важнейших параметров светодиодов в
процессе наработки с величинами этих параметров до наработки, в перспективе, даёт
возможность количественно прогнозировать срок службы светодиодов ещё на стадии их
производства. В результате, имея такую возможность контролировать качество и
6
потенциальную долговечность приборов, использование наиболее качественных из них
позволяет строить устройства на их основе, имеющие максимальную надёжность при
последующей эксплуатации, что особенно важно в ответственных светосигнальных
приборах: светофорах, навигационной и индикаторной аппаратуре.
Цель работы
Разработка
современных
методов
и
средств
измерения
фотометрических
(радиометрических), колориметрических (спектральных) и электрических характеристик
полупроводниковых
излучающих
кристаллов
и
светодиодов
на
их
основе,
использующихся как для изучения механизмов деградации характеристик приборов на
основе материалов АIIIВV, производственного контроля параметров светодиодной
продукции, так и для формирования комплексных исследовательских лабораторий,
имеющих статус аккредитованных испытательных центров РФ для сертификационных
испытаний светотехнической продукции.
Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:
- - Разработать фотометрические методы и соответствующие средства измерения для
определения параметров излучения светодиодов и устройств на их основе, исследования
деградационных явлений в полупроводниковых излучающих структурах и механизмов
деградации их характеристик.
- Разработанные средства измерений (СИ) утвердить как типы СИ (занести в Госреестр
СИ) с целью формирования высокоточных фотометрических измерительных систем для
сертификационных испытаний светодиодных изделий и разработки методик измерений их
параметров, в том числе в системе ГОСТ Р.
- На основе созданных СИ разработать и организовать производство высокоточных
фотометрических
измерительных
комплексов
для
оснащения
светотехнических
производств (контроль качества), отделов разработки и КБ, научных, исследовательских и
мобильных лабораторий, национальных центров по сертификационным испытаниям.
- Сформировать расширенную систему физических параметров и характеристик
светодиодов, основанную на их взаимозависимости и учитывающую деградационные
явления.
- Исследовать и установить причины возникновения деградации основных параметров
излучающих структур и приборов на их основе, провести моделирование электрических и
оптических характеристик исследуемых структур.
- Найти взаимосвязь между степенью и скоростью деградации основных характеристик со
значениями параметров в начале наработки.
- Разработать методики производственной сортировки светодиодов и устройств на их
основе по сроку службы (потенциальной степени деградации параметров), позволяющие
7
существенно повысить долю выхода качественной и надёжной светодиодной продукции и
спрогнозировать срок её службы.
- Используя результаты, полученные с помощью созданных средств и методик измерения
полного комплекса характеристик светодиодов и закономерностей изменения параметров
в процессе деградации электрических и излучающих свойств светодиодов с различной
конструкцией кристаллов, изготовленных из эпитаксиальных гетероструктур твёрдых
растворов
AlGaInP,
InGaN
и
AlGaInN
разработать
светодиодные
излучатели,
используемые в качестве источников света, для применения в светосигнальных
устройствах особо ответственного назначения (в железнодорожных светофорах).
Научная новизна
1.
Сформулированы принципы построения средств измерений и метрологических
комплексов на их основе для прецизионных исследований полупроводниковых
излучающих структур фотометрическими (радиометрическими) методами.
2.
Предложена принципиально
новая конструкция
фотометра (радиометра),
обеспечивающая максимальную точность измерения силы излучения (силы света) и её
пространственного распределения независимо от расстояния фотометрирования и
значения шага угла поворота гониометра (вплоть до 1 угловой минуты).
3.
С помощью оптимизированной системы радиометр–гониометр, выявлено, что
наибольшая точность измерений значения силы излучения (силы света) и её
пространственного
распределения
для
большинства
источников
обеспечивается
радиометром с диаметром чувствительной части, близкой к диаметру максимально
открытого зрачка глаза. Это
условие наиболее важно при исследованиях на
фотобиологическую безопасность излучения.
4.
Благодаря
применению
принципиально
нового
разработанного
фотометрического метода неразрушающего контроля параметров светодиодов на основе
гетероструктур AlGaInP, InGaN и AlGaInN выявлена взаимосвязь между степенью и
скоростью деградации основных характеристик со значениями параметров в начале
наработки, а также в любое время в течение срока службы.
5.
С помощью разработанного фотометрического метода исследования излучающих
структур выявлен эффект перераспределения плотности изменения интегрального
значения светового потока (мощности излучения) со временем наработки в пределах
пространственной диаграммы излучения.
6.
Предложен метод расчёта светового потока Ф(t), для любого времени наработки
светодиода t, учитывающий плотность тока через излучающую структуру. Указанный
метод использован для прогноза потенциальной степени деградации светового потока на
срок до 100 000ч.
8
7.
Предложена модель, описывающая электрические и излучающие свойства InGaN
кристаллов светодиодов, в которой учтено неоднородное распределение атомов индия в
активной области гетероструктуры. Согласно этой модели, кристалл светодиода
представляет собой совокупность параллельно включённых микродиодов, имеющих
одинаковые параметры широкозонных n–GaN и p–GaN эмиттеров, но отличающихся друг
от друга содержанием индия (xIn.) в квантовых ямах и величиной площади p-n перехода
S(xIn.). Показано, что при различных значениях xIn. зависимости плотности тока от
напряжения у микродиодов сильно отличаются.
Практическая значимость работы
1.
Предложенная
параметров
новая,
светодиодов,
расширенная
основанная
на
их
система
существующих
взаимозависимости
и
физических
включающая
характеристики, описывающие деградацию параметров светодиодов: скорость деградации
светового потока и силы света, изменение прямого напряжения за время наработки
позволила формировать оптимальные методики измерения характеристик и научные
программы исследований полупроводниковых излучающих структур.
2.
Новая комплексная методика измерений, компьютерные программы расчётов
светотехнических,
фотометрических,
колориметрических,
электрических
и
энергетических характеристик и параметров светодиодов существенно повысили скорость
и точность измерения и расчёта значений величин при оценке качества приборов на
производстве и при исследованиях в лаборатории.
3.
Разработанные методики и средства измерения характеристик светодиодов
(измерительный комплекс), а также методы отбора приборов по степени потенциальной
деградации параметров, использованы в области производства светодиодов со статусом
вторичного эталона (эталонные источники на основе светодиодов).
4.
Разработанные метрологические средства измерения характеристик светодиодов
(измерительный комплекс) являются универсальными для исследования параметров
любых источников в диапазоне длин волн 180 – 1100нм и мощности излучения 1 мВт –
1000Вт и нашли своё
применение от производственных участков, научных
исследовательских лабораторий, до аккредитованных испытательных центров по
сертификационным
испытаниям
светотехнической
продукции.
Указанный
метрологический комплекс использован при формировании единственного вновь
созданного за последние десятилетия независимого аккредитованного в Государственной
системе ГОСТ Р сертификационного испытательного центра «АРХИЛАЙТ».
5.
Разработанный алгоритм (последовательность) и режимы измерений, критерии
сортировки светодиодов используются на стандартном производственном сортировочном
оборудовании. Это позволяет достоверно отделить приборы с потенциально большими (от
9
-20% за 10000 час., и более) скоростями деградации силы света или светового потока.
Показано, что предложенные методы сортировки на производстве не требуют
дополнительного оборудования, времени и трудозатрат персонала.
6.
Применение в различных устройствах светодиодов, отсортированных по
разработанным методикам на производстве позволило уменьшить, не менее чем на 90%
количество приборов, чей световой поток деградировал более чем на 20% или вышедших
из строя процессе наработки всего за 2 - 3 тыс. час. Это имеет особо важное значение при
их использовании в изделиях, влияющих на здоровье и жизнь человека (светофоры,
медицинские световые приборы, аварийное освещение, и т.д.).
7.
На основе указанных выше методов исследования и сортировки потенциальной
степени надёжности излучающих кристаллов, разработаны и внедрены в производство
высоконадёжные светодиодные лампы для использования в системах световой
сигнализации ОАО «РЖД», существенно увеличивающие безопасность движения на ЖД,
в том числе скоростного.
8.
Результаты исследований светодиодов, проведённые в работе (деградационные,
метрологические, производственные и др.) вошли в новую нормативную базу
Государственной системы сертификации ГОСТ Р (ГОСТ Р 54350-2011, ГОСТ Р 549452012 и др.), а также в другие нормативные документы (САНПиНы, СНиПы),
регламентирующие применение светодиодов и устройств на их основе.
Научные положения, выносимые на защиту
Положение 1. Учёт неоднородного распределения атомов индия в активной области
гетероструктуры основе InGaN позволяет представить кристалл светодиода как
совокупность параллельно включённых микродиодов с различным содержанием индия в
квантовых ямах активной области и показать, что спектр излучения и суммарный
световой поток светодиода в целом являются суперпозицией спектров излучения и
световых потоков всех микродиодов.
Положение 2. Изменение значения интегрального светового потока при наработке всегда
происходит одновременно с перераспределением его плотности внутри пространственной
диаграммы излучения по причине неравномерной степени деградации интенсивности
излучения микродиодов с различным содержанием индия и изменения шунтирующего
действия центров безизлучательной рекомбинации.
Положение 3. Величина деградации энергетических характеристик излучения (световой
поток, мощность излучения) находится в зависимости от степени перераспределения
плотности светового потока (мощности излучения) по пространственной диаграмме в
процессе наработки.
10
Положение 4. Длинноволновый сдвиг спектра излучения обусловлен тем, что в большей
степени деградации подвержены области структуры с малым содержанием индия в
активном
слое
(формирующие
наиболее
коротковолновую
часть
спектрального
распределения излучения), через которые протекают токи с существенно большей
плотностью, что и приводит в процессе наработки к смещению спектров излучения в
длинноволновую область.
Положение 5. Скорость деградации светового потока светодиодов на основе кристаллов,
выращенных при одних условиях, различна, и имеет зависимость от величины их прямого
напряжения и значения светового потока (световой эффективности) в начальный момент
времени наработки.
Положение 6. Неоднородность спектрального состава пространственного распределения
излучения структур на основе материалов AIIIBV, изменяющаяся при наработке,
обусловлена неравномерностью степени деградации секторов с различным содержанием
атомов индия.
Апробация работы
Материалы по теме настоящей работы были представлены на следующих
конференциях и семинарах:
- 1-ой Всероссийской конференции «Нитриды галлия, индия и алюминия –
структуры и приборы» в МГУ им. Ломоносова, Москва, 2001 год, докладом о методах
измерения световых характеристик светодиодов.
- 25 сессии Международной комиссии по освещению (CIE) в Сан-Диего, США,
2003 год с представлением доклада «Red LED Railway Traffic Lights Visional Perception
Research».
- 37-ом международном семинаре «Шумовые и деградационные процессы в
полупроводниковых приборах» 28 – 30 ноября 2006 г. в МЭИ, докладом о результатах
исследований физических механизмов деградации и сортировки светодиодов на
производстве с применением разработанной методики
- семинаре «МИСиС – ULVAC – АГУ «Перспективные технологии и оборудование
для материаловедения, микро- и наноэлектроники» 2006 г.
- 5-ой Всероссийской конференции «Нитриды галлия, индия и алюминия –
структуры и приборы» в МГУ им. Ломоносова, Москва, 2007 год, докладом «Метод
контроля потенциальной степени деградации характеристик светодиодов на основе
твёрдых растворов AlGaInN».
- 38-ом международном семинаре «Шумовые и деградационные процессы в
полупроводниковых приборах» 2007 г, МЭИ, докладом «Надёжность и стабильность
параметров светодиодов закладываются на производстве».
11
- 6-ой Всероссийской конференции «Нитриды галлия, индия и алюминия –
структуры и приборы» в ФТИ им. Иоффе, С-Пб, 2008 год, докладом «Исследования и
анализ зависимости квантового выхода светодиодов на основе материалов AlGaInN от
плотности тока в неразогревающем режиме».
- 6-ой Всероссийской конференции «Нитриды галлия, индия и алюминия –
структуры и приборы» в ФТИ им. Иоффе, С-Пб, 2008 год, докладом «Метод исследования
деградации излучающих свойств материалов на основе InGaN с помощью прецизионных
измерений светового потока».
- на конкурсе молодых учёных «Роснано». Москва, 3-5 декабря 2008 г докладом
«Исследования деградации структуры полупроводниковых кристаллов и излучающих
диодов на их основе».
- конференции «ТрансЖат –2008», 22-24 октября 2008г. докладом «Физические
аспекты восприятия приборов световой ЖД сигнализации на основе светодиодов и
оправданность их применения».
- 4-м международном российско-японском семинаре МИСиС-Interactive Corp.ВКГТУ, Усть-Каменогорск, 24 - 25 июня 2008г. докладом «Влияние ультразвукового
воздействия на деградацию InGaN светодиодов».
- 7-ой Всероссийская Конференция «Нитриды галлия, индия и алюминия:
структуры и приборы» МГУ им. Ломоносова, Москва, 01 - 03 февраля 2010 г. докладом
««Л.И.С.Т.» – первый в России независимый аттестованный испытательный центр в
области изучения деградационных явлений и метрологии излучения полупроводников».
- 8-ой Всероссийская Конференция «Нитриды галлия, индия и алюминия:
структуры и приборы» ФТИ им. Иоффе, С-Пб, 26 - 28 мая 2011 г. докладом
«Светодиодная лампа для железнодорожных светофоров».
- конференции фонда «Сколково», октябрь 2011 докладом «Современное состояние
реальных параметров светодиодов. Опыт и эволюция исследований».
- 1-ом Всероссийский светотехническом форуме «Инновационные продукты,
материалы и технологии», Саранск, декабрь 2011 докладом «Лаборатория исследований
источников света «Архилайт» - самый современный независимый аккредитованный
испытательный
центр
в
области
метрологии
излучения
полупроводниковых
и
традиционных источников света».
- конференции «Светодиоды, чипы, продукция, материалы, оборудование» в
рамках выставки «Экспоэлектроника-2012», «LED Tech Expo», Москва, 10-13 апреля
2012г.
докладом «Измерительное оборудование отечественного
лаборатории
лабораторий».
«АРХИЛАЙТ»
для
оснащения
производственных
производства от
фотометрических
12
- 9-ой Всероссийская Конференция «Нитриды галлия, индия и алюминия:
структуры и приборы» МГУ им. М.В. Ломоносова, Москва, 13 - 15 июня 2013 г. докладом
«Исследования деградации параметров гетероструктур InGaN на подложках из различных
материалов в течение 50000ч и сравнение результатов с прогнозом на стадии наработки до
2000ч».
Публикации, патенты и акты о внедрении.
Всего по теме диссертационной работы автором опубликовано 85 печатных работ, из них
11 в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК. Также, по теме работы получено 9
патентов на изобретения и полезные модели, зарегистрировано 8 актов о внедрении
результатов работы на разных предприятиях, в различные области народного хозяйства.
Глава 1.
Аналитический обзор публикаций
1.1. Светоизлучающие диоды на основе гетероструктур
Источники оптического излучения весьма разнообразны. Однако большинство из
них не удовлетворяют всей совокупности современных требований и находят применение
лишь в отдельных светотехнических устройствах, главным образом в индикаторных
приборах [3,9].
При оценке перспективности того или иного источника определяющую роль играет
агрегатное состояние активного светящегося вещества или вещества, заполняющего
рабочий объем. Из всех возможных вариантов - вакуум, газ, жидкость, твердое тело предпочтение отдаётся твердотельному, а "внутри" него - монокристаллическому как
обеспечивающему наибольшую долговечность и надёжность приборов. Одними из
твердотельных
источников
оптического
излучения
являются
светоизлучающие
полупроводниковые диоды, основанные на принципе спонтанной инжекционной
электролюминесценции.
При подаче прямого смещения концентрация неосновных носителей у границ р-nперехода
резко
повышается
и
становится
значительно
выше
равновесной.
К
инжектированным неосновным носителям подтягиваются основные и их концентрация у
границ
р-n-перехода
становится
выше
равновесной.
Диффундируя
вглубь
полупроводника, неравновесные носители рекомбинируют, проникая в среднем на
расстояние диффузионной длины от слоя объёмного заряда р-n-перехода. Если при этом
существенная доля актов рекомбинации происходит с излучением света, то, создав
условия для выхода этого излучения наружу, полупроводниковый диод можно
использовать как источник излучения. Такой диод называют светодиодом. Особенно
широкое применение в последние годы получили источники видимого света.
Человеческий глаз чувствует излучение в диапазоне от 0,45 до 0,7 мкм для энергий
квантов от 1,8 до 2,8 эВ. Видимое излучение с длиной волны менее 720 нм можно
13
получить лишь от широкозонных полупроводников с шириной запрещённой зоны Еg
более 1,72 эВ. Таким образом, для источников видимого света нужны полупроводники с
шириной запрещенной зоны от 1,8 до 2,8 эВ или больше, если используются не
межзонные переходы, а излучательные переходы через глубокие примесные уровни.
Наилучшие параметры излучения имеют светоизлучающие диоды на основе
гетероструктур (или гетеропереходов). Гетеропереходом называется переходный слой,
возникающий на границе двух полупроводников с разной шириной запрещенной зоны.
Каждый из полупроводников, образующих гетеропереход, может иметь одинаковый или
различный тип электропроводности и, соответственно, каждая пара полупроводников
может образовывать четыре гетероструктуры: p1 – n2, n1 – n2, n1 – p2, p1 – p2. Здесь индекс 1
относится
к
полупроводникам
с
широкой
запрещенной
зоной
(широкозонный
полупроводник, а индекс 2 – к полупроводнику с узкой зоной (узкозонный
полупроводник). При образовании гетероперехода происходит перераспределение
носителей заряда, что приводит к появлению контактной разности потенциалов. Уровень
Ферми для гетерострукруры в равновесном состоянии единый. На рис. 1.1. показана
энергетическая диаграмма излучающей гетероструктуры GaAlAs – GaAs в состоянии
равновесия [4]. На границе перехода образуется разрыв (скачок) энергии. Таким образом,
гетероструктура имеет различные потенциальные барьеры для инжектируемых дырок и
электронов.
p 2 - база
n1 - эм иттер
ΔЕс
E c2
EF
E v2
E g1
E c1
ΔEv
Eg2
Ev1
Рис. 1.1. Энергетическая диаграмма излучающей ординарной гетероструктуры
Движение носителей в равновесном состоянии гетероструктуры определяется носителями
заряда только одного типа, для гетероструктуры на рис. 1.1. – электронами. Поэтому при
приложении прямого напряжения имеет место односторонняя инжекция – только
электронов из широкозонного слоя - эмиттера в узкозонный слой - базу. Такую структуру
с широкозонным эмиттером и узкозонной базой называют ординарной гетероструктурой
[4, 30]. Наряду с ординарной, в светодиодах используется двойная гетероструктура, в
которой имеется дополнительный запирающий широкозонный р3 – слой того же, что и
14
база, типа проводимости. В двойной гетероструктуре второй потенциальный барьер
препятствует выходу электронов из базовой области, зона базы образует потенциальную
яму, в которой скапливаются инжектированные электроны. Избыточная концентрация
носителей в активной (излучающей) области и односторонняя инжекция резко повышают
внутренний
квантовый
выход
гетероструктуры,
а
также
ее
быстродействие.
Односторонняя инжекция в гетеропереходах не связана со степенью легирования
эмиттерной и базовой областей, как это имеет место в обычном (гомогенном) переходе. В
результате она сохраняется до значительных плотностей тока и появляется возможность
изменения степени легирования областей гетероструктуры без ухудшения инжекции p-nпереходов. Другой отличительной особенностью гетероструктур является разница в
оптических свойствах базы и эмиттера. В результате спектральная характеристика
излучения узкозонной базы оказывается сдвинутой в область длинных волн по
отношению к спектральной характеристике поглощения широкозонного эмиттера.
Поэтому излучение выводится из светодиода через эмиттер практически без поглощения.
В излучателях с двойной гетероструктурой и удаленной подложкой сказывается явление
многократного отражения - «многопроходной эффект». Лучи, претерпевающие на
внешней границе кристалла гетероструктуры полное внутреннее отражение, многократно
отразившись от различных граней кристалла, в конце концов, падают на внешнюю
границу под таким углом, который дает возможность им выйти наружу. Многопроходный
эффект является полезным только в том случае, если поглощение излучения в
полупроводнике мало. Поглощение в узкозонной базе удается несколько компенсировать
с помощью фотолюминесценции: поглощение кванта ведет к новому акту излучения.
Все
преимущества
гетеропереходов
достижимы
только
при
высоком
качестве
гетероперехода. Для получения качественного гетероперехода необходимо иметь хорошее
совпадение параметров структуры – коэффициентов теплового расширения и постоянных
кристаллических решеток. В гетероструктуре GaAlAs-GaAs значения коэффициентов
теплового расширения при 300 К – 5,2 10-6×К-1 для AlAs и 5,0 10-6×К-1 для GaAs; параметры
решетки - 5,667 Å для AlAs и 5,653 Å для GaAs [9].
Рекордные результаты по разработке светодиодов для коротковолновой (синей, зеленой)
части видимого спектра были достигнуты методом эпитаксии из металлорганических
соединений и твёрдых растворов в системе AlInGaN группой фирмы Nichia. В работе [5]
было показано, что на основе многослойных гетероструктур InGaN/AlGaN/GaN с тонким
(2 ÷ 3 нм) активным слоем из InGaN возможно создание светодиодов в указанной
спектральной области с внешним квантовым выходом до 4 ÷ 9 %, так как твердые
растворы GaN с AlN и InN обеспечивают перекрытие области длин волн от 200 нм до 640
нм. Этот факт также позволяет рассматривать GaN в качестве базового материала для
15
изготовления инжекционных лазеров, светодиодов и фотоприемников на указанный
диапазон.
Интерес к GaN вызван совокупностью его свойств, открывающих перед этим материалом
большие перспективы в различных областях электронной техники. GaN – полупроводник
с прямым характером межзонных переходов и шириной запрещенной зоны 3.39 эВ (300
К). Высокая термическая, химическая и радиационная стойкость GaN позволяют
использовать его для изготовления приборов, работающих при повышенных температурах
и в неблагоприятных условиях. Хорошая теплопроводность снимает многие проблемы
охлаждения рабочей области, что ведет к увеличению срока службы приборов.
Нитриды галлия, алюминия и индия кристаллизуются в гексагональной решетке типа
вюрцита (a-GaN), в отличие от кубических кристаллов GaAs, InAs, GaP, AlAs и других.
Есть сведения о получении кубических фаз GaN со структурой типа сфалерита (b GaN) и
со структурой типа поваренной соли, однако эти фазы являются метастабильными [1].
Нитридные
соединения
AIIIBV
характеризуются
высокой
степенью
ионности,
обусловливающей прочность и слабую миграцию точечных дефектов. Особая роль азота
проявляется в формировании короткодействующих силовых связей, которые приводят к
меньшим постоянным кристаллических решеток, чем для других соединений AIIIBV.
Нитридные полупроводники имеют малые атомные объемы, многие их свойства близки к
свойствам алмаза, в них удачно сочетаются большая величина запрещенной зоны
значительная твердость и высокая теплопроводность.
Нитридные соединения AIIIBV – прямозонные полупроводники. В них происходит прямой
излучательный переход между экстремумами энергетического спектра, расположенными
в центре зоны Бриллюэна. Некоторые параметры нитридов AIIIBV представлены в табл.
1.1 [2].
Таблица 1.1
Параметры нитридов элементов III группы
InN
GaN
AlN
Ширина запрещенной зоны при 300 К, эВ
1,89
3,39
6,2
Постоянная решетки а, нм
0,3548
0,3189
0,3112
Постоянная решетки с, нм
0,570
0,5185
0,498
9,8
8,5
Статическая диэлектрическая постоянная
19,6
Показатель преломления
2,98
2,5
2,15
Эффективная масса электронов, отн. ед.
0,11
0,22
0,314
16
Эффективная масса легких дырок, отн. ед.
0,17
0,259
0,471
Эффективная масса тяжелых дырок, отн. Ед.
0,5
0,54
3,68
Подвижность электронов, см2/(В×с)
1500
Подвижность дырок, см2/(В×с)
300
Плотность, г/см3
6,88
6,1
3,26
Температура плавления, °С
1100
1700
3000
Теплопроводность при 300 К, Вт×см-1К-1
1,3
1,3
2
Параметры реальной кристаллической решетки GaN и других нитридов сильно зависят от
величины напряжений и количества дефектов в ней, поэтому часто наблюдается разброс в
экспериментальных значениях параметра решетки а порядка 0,3160–0,3190 нм для GaN.
Ширина запрещенной зоны InN, по другим данным, составляет 1,95 эВ [3].
Для твердых растворов InxGa1-xN и AlхGa1-хN характерно линейное изменение периода
решетки от состава. Зависимость ширины запрещенной зоны (Eg) от состава твердого
раствора InxGa1-xN в общем виде можно записать следующим образом (1.1.):
Eg(x) = x Eg(InN)+(1-x) Eg(GaN)-x(1-x)b,
(1.1.)
где b – параметр прогиба для данного твердого раствора.
В различных работах получены значения параметра b от -0,8 эВ до 1 эВ, но с
достаточной степенью надежности можно принять среднее значение, равное 0,19 эВ. Для
твердого раствора Ga1-xInxN зависимость ширины запрещенной зоны от состава
описывается выражением, аналогичным выражению (1.1.). Значение параметра прогиба в
этом случае следует принять равным 1 эВ [6].
Таким образом, Eg твердых растворов InxGa1-xN перекрывает диапазон от 1,95 до 3,4 эВ., и
они могут быть использованы в качестве активной области светоизлучающих структур в
синей и зеленой областях спектра. Схематическое изображение зеленой светоизлучающей
структуры фирмы Nichia [5] представлено на рис. 1.2. На сапфировой подложке после
буферного слоя GaN (30 нм) выращен базовый слой n-GaN: Si (4 мкм) с концентрацией n
= 1019 см-3. Активным слоем является тонкий (3 нм) нелегированный слой In0,45Ga0,55N
(для структур синего свечения - In0,2Ga0,8N). Затем следуют р-слои Al0,2Ga0,8N : Mg (100
нм) и GaN : Mg (0,5 мкм).
Среди факторов, влияющих на механизмы излучательной рекомбинации и на квантовый
выход излучения в гетероструктурах InxGa1-xN/AlyGa1-yN/GaN существенны квантоворазмерные и туннельные эффекты, флуктуации потенциалов в квантовых ямах и
17
легирование прилегающих широкозонных областей [8, 9]. На рис. 1.3. представлена
энергетическая диаграмма гетероструктур InxGa1-xN/AlyGa1-yN/GaN [8].
р -эл е ктр о д
p -G aN
p -A l 0 ,2 G a 0 ,8 N
In 0 ,4 5 G a 0 ,5 5 N
n -э л ек тр о д
n -G aN
Б уф ер н ы й сл о й G aN
С ап ф и р о вая п о д л о ж к а
Рис. 1.2. Схематическое изображение светодиодной гетероструктуры
Для обеспечения контактного соединения кристалла с токоведущими проводниками
светодиода на поверхность кристалла наносятся омические контакты. Металлические
покрытия, применяемые в производстве полупроводниковых светоизлучающих структур,
должны обеспечивать: достаточно низкое удельное сопротивление омического контакта к
полупроводнику;
хорошую
адгезию
металлического
контакта
к
поверхности
полупроводника и к диэлектрическому покрытию; низкие механические напряжения на
границах раздела металл-полупроводник и металл-диэлектрик; технологичность операции
сборки (посадка кристалла в корпус и присоединение проволочных выводов); высокую
прочность при сборке термокомпрессионных соединений золотой проволокой или
ультразвуковой сварки алюминиевой проволоки; стабильность при хранении и
эксплуатации [10, 11]. Перечисленной выше совокупности требований к металлическим
покрытиям удовлетворяют материалы, приведенные в табл. 1.2.
I n x G a 1 -x N
E c*
Fn
p -G a N :M g
Eg*
eU
p -A lG a N :M g
Fp
n -G a N :S i
Ev*
Рисунок 1.3. Энергетическая диаграмма гетероструктур InxGa1-xN/AlyGa1-yN/GaN.
18
Таблица 1.2.
Материалы, используемые для изготовления омических контактов к светодиодным
структурам.
Кристалл
Верхний контакт
Нижний контакт
InGaN
Ni-Au
Ti-Al
AlGaAs
Au-Ge
Au-Be
GaP
Al
Ge-Au
На рисунке 1.4 представлены конструкции кристаллов, применённых для исследования
[12, 13]. В них используются различные способы эпитаксии и материалы подложек.
Предполагается, что, имея сходные параметры излучения, динамика поведения
характеристик со временем наработки будет отличаться. Количественные показатели
этого различия будут исследованы в настоящей работе.
p-электрод, пропускающий свет
Ni/Au
p-электрод
Ni/Au
p-GaN
n-электрод
Ti/Al
p-AlGaN
InGaN-активный слой
n-GaN
Сапфировая подложка
а)
б)
в)
19
г)
д)
Рисунок 1.4. Конструкции кристаллов, применённых в светодиодах для исследования.
а) - InGaN/AlGaN/GaN на сапфире, б) - AlInGaP /GaP на GaP, в) – InGaN на SiC, г) AlInGaP на Si, д) - AlGaInP на сапфире.
1.2. Конструкция светодиодов и их параметры.
Конструкция светодиодов, использующих в качестве излучателя описанные типы
кристаллов, выполняет несколько функций:
- отвод тепла от кристалла
- формирование заданной диаграммы направленности излучения
- подвод электрического тока к кристаллу
- обеспечение механического крепления и герметизации кристалла и электрического
соединения с проводниками.
Применённые для исследования кристаллы предназначены для крепления к
кристаллодержателю с помощью эпоксидных составов или токопроводящих клеев.
Производителем рекомендовано использование их в стандартных типах светодиодов
(рисунок 1.5 а-в), конструкция которых способна рассеивать такую тепловую мощность,
которая выделяется при плотности тока через кристалл 30 – 35 А/см2 (If = 20 мА). В этом
случае, разница температур кристалл – окружающая среда, составляет приблизительно
30– 40 градусов, что позволяет использовать светодиоды при температурах до +80 Со.
20
Расчёт параметров необходимого кристаллодержателя сводится к определению
теплового сопротивления p – n- переход – кристаллодержатель, которое существенно
зависит от конструкции кристалла (подложки), применённого клеевого состава, на
котором крепится кристалл и необходимой теплоёмкости и теплопроводности материала
самого кристаллодержателя [14]. Тепловой режим кристалла значительно влияет на все
характеристики излучения [15,47,75,76,77] и, как было выяснено в ходе дальнейшего
исследования, на деградационные зависимости. Подробное описание этих эффектов
приведено в [7, 15,77].
а)
Рисунок 1.5. Различные конструкции светодиодов.
Следующим
шагом
в
разработке
б)
конструкций
в)
светодиодов
стали
многокристальные светодиоды [21,26] с различным цветом излучения и полноцветный
(RGB, Full color) прибор, содержащий 3 кристалла в одном корпусе, позволяющий
формировать любой оттенок свечения, в том числе белый, как результат матрицирования
3-х цветов (рисунок 1.5 б). Кристаллы расположены на одной общей подложке и
находятся друг от друга на расстоянии, не превышающем 1 – 3 своих линейных размеров.
Именно с использованием таких приборов стал возможен отказ от кластеров на
дискретных
светодиодах
при
изготовлении
полноцветных
экранов
с
высокой
разрешающей способностью и яркостью до 3000 кд*м-2. Размер пикселя при этом
получается равным размеру одного светодиода, а смешение цветов вообще происходит в
точке с размером примерно 0,8 х 0,3 мм. Более того, будучи расположенными на одном
основании, все 3 кристалла имеют одинаковую температуру в любой момент времени,
поэтому все тепловые уходы их параметров [15] происходят одновременно, независимо от
большой разницы прямых токов, и не влияют на результирующий цвет и интенсивность
излучения, сформированные в этот момент системой управления, в отличие от кластеров
на дискретных светодиодах, где нет единой термостабилизации. Максимальный эффект
этого свойства проявляется при формировании и воспроизведении белого цвета с большой
частотой смены полей. К достоинству описанной конструкции светодиода в части
21
теплового режима стоит отнести и возможность использования его в импульсном режиме
[20,60]. Благодаря способности кристалла работать на больших (сотни МГц) частотах,
возможно получение импульсной мощности излучения, равной десяти номинальным
долговременным с сохранением фронтов до 10 нс (в зависимости от частоты повторения
импульсов) при этом прямой ток через кристалл может достигать 100 мА. Как правило,
такие светодиоды исполняются в виде элементов для SMD-монтажа и практически не
имеют оптической системы, формирующей специфическую диаграмму направленности,
поэтому она приближается по форме к cosQ , однако, взаимное геометрическое
расположение кристаллов всё же, вносит искажения в равномерность смешения световых
потоков, тем более, что в течение наработки он претерпевает существенное
перераспределение
в
пределах
диаграммы
направленности
[20,39].
Тенденция
дальнейшего увеличения энергетических показателей излучения светодиодов потребовала
повышения плотности тока через кристалл и как следствие, совершенствование
конструкции светодиода в части эффективности отвода тепла.
а)
б)
в)
Рисунок 1.6. Различные конструкции светодиодов повышенной мощности.
Для реализации этого условия был разработан специальный достаточно массивный
металлический держатель кристалла, который является мощным радиатором, отводящим
тепло от p-n перехода с тепловым сопротивлением держатель - кристалл в 10 - 20 оС/Вт
[16] (рисунок 1.6.в) в случае эпоксидного крепления кристалла и 3- 5 оС/Вт в случае
посадки на эвтектику [7, 21]. Это позволяет рассеивать тепловую мощность до 0,5 Вт, не
допуская перегрева области излучения и ухода характеристик. В результате, удвоение
относительно штатного, рекомендованного производителем кристаллов (20 мА [12,13])
прямого тока через p-n переход, позволяет значительно увеличить мощность излучения.
Для создания специфического пространственного распределения силы света 3-х и
24-х – градусных светодиодов, требуемого стандартом для железнодорожных и
автодорожных светофоров [17, 18], была применена оптика Френеля, нанесённая
непосредственно на верхнюю часть линзы светодиода повышенной мощности [19].
22
Путём ещё большего увеличения мощности излучения стало применение в светодиодах
кристаллов больших размеров (1 х 1 мм) [13,39]. Помещённые в специально
разработанные корпуса на металлокерамическом основании (рисунок 1.6 а,б), они могут
работать на токах до 500 мА через кристалл, хотя с учётом их размера, плотность тока в
них остаётся на уровне стандартных кристаллов [20,39], обеспечивая световой поток до
120 лм. Поэтому предполагается, что механизмы, вызывающие деградацию у них подобны
[22,28,35,39,53,54].
1.3. Деградация параметров
Исследования деградации параметров излучающих структур проводились со времени их
первого изготовления. За этот период исследований реализовалось достаточно много
методов
определения
качества
структур
и
исследования
поведения
различных
характеристик излучающих кристаллов в процессе наработки [7,8,20,22,23,24,35,39,53,54].
Анализ истории исследований в области изучения поведения характеристик светодиодов
со временем наработки показывает, что подавляющее их большинство производилось для
выяснения деградационных характеристик какого – либо одного [7,53,57] или нескольких
наиболее важных [8,22,24] параметров. Необходимость этого была продиктована, как
правило, научными или технологическими интересами производителей излучающих
структур и разработчиками конструкций светодиодов для того, чтобы оценить
правильность расчётов режимов эпитаксии или работы кристалла в составе светодиода, а
также ресурс наработки светодиода [78], чтобы впоследствии отметить результаты
измерений в спецификациях на продукцию, как «срок службы». Однако, из - за
достаточной трудоёмкости и больших затрат времени на эти исследования, стоит
отметить, что проводились они весьма узконаправленно и часто поверхностно, не
достигая, в основном, ответа на вопрос о причинах полученного поведения параметров со
временем и тем более, получения наиболее общих зависимостей. Описанные выше
исследования дают представления о характере этих изменений в начальный, и довольно
короткий (до 2000 часов [24]), по сравнению с традиционным временем наработки,
указываемом в спецификациях (100000 часов), период. Однако, как показали более
масштабные и продолжительные исследования деградации параметров светодиодов, этот
период является очень важным и одним из самых показательных при определении
дальнейшего развития изменения характеристик [20, 21, 24]. Представляемый в настоящей
работе эксперимент, по сути, является продолжением идеи экспериментов по изучению
деградации параметров светодиодов, описанной в [24], где разъяснены причины
изменения интенсивности люминесценции и эффективной концентрации заряженных
центров ОПЗ исследуемых InGaN/AlGaN/GaN светодиодов со временем наработки,
измеренных по оригинальной методике, подобной [32], и прослежена взаимосвязь с
23
одновременным изменением характера вольт – амперной характеристики и появлением
туннельной составляющей тока (также в [8]). Однако выводы по изменению
интенсивности излучения были сделаны по результатам измерения спектрального
распределения в относительных единицах, что эквивалентно измерению силы света в
одной точке. Тем не менее, характер изменения интенсивности излучения со временем,
показанный в работе [24] частично подтвердился в результате представляемого здесь
эксперимента, где этот эффект был количественно рассчитан с точки зрения светового
потока и было показано, что результатом деградации является не столько его уменьшение,
сколько часто просто его перераспределение по объёму кристалла. Вероятно, существует
прямая связь этого факта с исследованиями количественного изменения заряженных
центров ОПЗ и изменения плотности их концентраций в объёме ОПЗ со временем
наработки [32]. Основной упор на изменение осевой силы света со временем наработки
был также сделан и в работе [28]. Результаты описываемого в настоящей работе
эксперимента выявили, что достоверность выводов о причинах деградации по этому
параметру является крайне низкой из-за большой вероятности геометрического
перемещения значений силы света в любой (в т. ч. и осевой) области диаграммы
распределения излучения со временем наработки [21].
В работе [8] была прослежена связь изменения энергетических показателей выходного
излучения
кристаллов
с
соответствующими
им
изначальными
электрическими
характеристиками. Это было сделано наиболее подробно, но исследования в процессе
деградации не проводились, а представленное поведение мощности излучения в
зависимости от электрических характеристик носило интегральный характер, не
позволяющий составить полную картину изменения излучения в разных областях
кристалла, где требуется иной подход к измерениям: оптическая мощность связана со
спектром излучения, который также изменялся [27]. Также подобные результаты
получены в [7], где прослежены температурные зависимости характеристик в их связи с
зависимостями от плотности тока через кристалл. Вероятно, продолжением поднятой там,
и в [15,75,77] темы, будет исследование деградационных характеристик при различных
температурах окружающей среды. Также близко к теме перераспределения светового
потока в объёме излучающей структуры подошла работа [22]. Однако представленный в
ней эксперимент носит скорее качественный характер – о количественной стороне
перераспределения излучения не говорится – измерения энергетики излучения не
проводилось, и было определено визуально; исследованы последствия деградации только
после воздействия импульсного тока. Идея представления излучающей структуры, как
большого числа параллельных структур с различными Eg, встречающаяся как в этой
работе, так и в [7, 8, 15] наиболее достоверно объясняет поведение большинства
24
характеристик излучающих структур в процессе наработки. Существуют достаточно
справедливое утверждение о том, что излучающую структуру стоит рассматривать не как
единую область с флуктуацией ширины запрещённой зоны Eg, а как схему, где выполнено
параллельное включение множества микроскопических p – n – переходов со своими,
отличающимися друг от друга значениями Eg1 , Eg2 … Egn . Набор таких p – n –
переходов, включённых параллельно и формирует всё спектральное распределение
плотности энергетической яркости кристалла, внося свой вклад в виде отдельной длины
волны (моды) и соответствующей амплитуды излучения. Подобная модель излучающей
структуры хорошо объясняет изменение параметров спектра со временем, когда
изменения ширины запрещённой зоны каждого элемента приводят к пропорциональному
изменению интенсивности излучения на своей длине волны [8]. Точно такое же
объяснение применимо и для изменения приложенного внешнего электрического поля.
При повышении Uf будут включаться мини p – n – переходы с наибольшими Eg , что
увеличит вклад коротковолновых составляющих в спектр и наоборот [15, 20], при этом
рост амплитуды длинноволновых компонентов уже включённых в работу малыми Uf на
экспоненциальном участке вольт – амперной характеристики, будет значительно меньшим
из-за явления насыщения и ограниченного их количества, при определённом Uf первый
процесс будет доминировать над вторым. Этим объясняется характерная несимметрия
спектрального распределения излучения, определяющаяся положением центроидной
длины волны спектра при малых плотностях тока, выравнивающаяся при их увеличении
или при изменении температуры. В первом приближении, количественный состав
переходов с различными значениями Eg будет определяться гауссовским распределением
относительно средних значений Eg [4, 20] для данной структуры, что и можно заметить
при рассмотрении вида формы кривых спектрального распределения, как результата
сложения двух функций – упомянутой выше и функции распределения плотности
заполнения Ферми – Дирака. Таким же образом, состав спектра излучения позволяет
судить
о
равномерности
распределения
легирующей
примеси
в
слоях
полупроводникового материала и наличии посторонних включений, что по сути и
определяет качество излучающего кристалла, и как следствие долговечность жизни
светодиода [44]. Подобное утверждение касается и распределения участков с различными
Uf, совокупность которых при
параллельном включении в кристалле и формирует
привычную вольт – амперную характеристику; совершенно очевидно, что у этих
дискретных элементов структуры имеется связь с соответствующими элементами,
имеющими
различные
спектральные
характеристики,
что
делает
функцию
их
распределения ещё более сложной. В работе [32] описан ещё один метод определения
качества и структуры материала кристалла в части наличия в нём посторонних включений
25
и центров безизлучательной рекомбинации в области пространственного заряда,
позволяющий получить информацию об этом принципиально другим методом,
использующим свойства модуляции переменным сигналом u(t) ширины ОПЗ с
одновременным постоянным смещением [24], либо малым переменным зарядом dq(t) [32],
что вызывает пропорциональное изменение барьерной ёмкости. При разложении сигнала
u(t) на составляющие, одна из гармоник содержит информацию о ширине ОПЗ, другая о
величине концентрации заряженных центров. Эти частоты выделяются фазовыми
дискриминаторами после прохождения сигнала u(t) через барьерную структуру,
содержащую ёмкостную составляющую сопротивления слоёв и образующую частотно –
зависимое реактивное сопротивление для сигнала u(t). Вероятно, связь спектральных
характеристик и определённых таким методом качественных показателей материалов
кристаллов в процессе деградации позволяет наиболее достоверно усмотреть причины
перераспределения светового потока и плотности тока в излучающей структуре.
Изменение интенсивности инжекции под действием внешнего электрического поля
[31,67,73], и соответственно, протекающего через p – n – переход тока, как отмечалось,
вызывает изменение не только энергетики результатов излучательной рекомбинации квантов, но и их количества, то есть, интенсивности излучения. Интенсивность излучения,
в свою очередь, рассматривается как совокупность всех излучённых структурой квантов и
может быть определена как интеграл всех элементарных энергий по объёму, в котором
распространяется это излучение. Зависимость результата этого интегрирования от
интенсивности инжекции, а значит, и величины тока через p – n – переход имеет
достаточно характерный вид и известна как люмен – амперная характеристика или
зависимость величины светового потока от тока через светодиод. Данная характеристика
для большинства популярных типов кристаллов и структур подробно обсуждалась в [57],
и с использованием семейства температурных зависимостей в [15]. Однако наряду с
суммарным
световым
потоком,
излучаемым
кристаллом
имеет
место
эффект
распределения интенсивности излучения по объёму кристалла, которое будет в некоторой
степени зависеть от величины приложенного напряжения, и как следствие, от
соответствующего неравномерного распределения плотности проходящего тока, а в
значительной - от времени наработки, как существенного фактора в процессе
упорядочения центров излучательной рекомбинации [39]. Этот эффект также связан с
конструкцией омических контактов кристалла, которая определяет пути протекания тока
и функцию его растекания по объёму [10, 22]. В случае с исследованием деградации
светового потока кристалла, наибольший интерес представляет изменение характера его
перераспределения по объёму излучения в зависимости от величины проходящего тока и
времени наработки [20].
26
Также,
можно
заметить,
что
деградационная
характеристика
светового
потока
существенно отличается от деградационной характеристики максимальной силы света в
части их крутизны и тенденции ухода в процессе наработки, а наличие у светодиода
оптики, хоть и элементарной, объясняет факт значительного роста силы света на фоне
практически не изменяющегося светового потока именно из-за описанного выше его
перераспределения, а не изменения самого значения. По этому примеру можно судить о
том, насколько возможно расхождение этих характеристик при наличии у светодиода
более серьёзной оптической системы.
1.4. Разработки светосигнальной техники для ОАО «РЖД» на светодиодах
Анализ существующих на данный момент разработок в области применения светодиодов
в особо ответственных приборах весьма ограничен по причине минимального количества
самих разработок и материалов, их освещающих. Однако среди имеющихся, наибольший
интерес представляют отечественные разработки, требования к которым в таких сферах
применения наиболее жёстки [116,126]. Одним из самых динамичных и масштабных по
внедрению светодиодной светотехники в эксплуатацию с такими требованиями является
ОАО «РЖД», поэтому именно анализ его опыта процесса создания, внедрения и
применения указанных приборов оказался наиболее содержательным, а работы по
совершенствованию – самыми перспективными. В эпоху появления квазимонохромных
светодиодных источников излучения с достаточной силой света, как говорилось ранее,
группой авторов был получен патент [83] на конструкцию уникального светодиода с
углом излучения 3° (рисунок 1.7.), на основе которых были разработаны монохромные
источники излучения кластерного типа для применения в светофорах, удовлетворяющие
техническим требованиям РЖД [18]. Системы Светооптические Светодиодные (ССС)
производства отечественной копании «Корвет-Лайтс» [3] (рисунок 1.8.), состояли из
светодиодной матрицы без вторичной оптики, что выгодно отличало их от изделия
ближайшего конкурента — ССС компании «ИРСЭТ-Центр».
Вместе с тем, фундаментальные физические свойства большинства полупроводниковых
светодиодных
источников
излучения
[15,47,75,76,77]
не
позволяют
применять
монохромные светодиоды в устройствах с требуемым температурным диапазоном
эксплуатации [18]. Этот факт будет рассмотрен в последующих главах. Одновременно с
этим,
чтобы
удовлетворить
требованиям
нормативных
документов
[18,93],
полупроводниковым монохромным источникам света, в особенности на основе
материалов AlGaInP необходима стабилизация температуры P-N перехода в некоторой
области температур, вне зависимости от температуры окружающей среды. С этой целью в
2004-2006 гг. была предпринята попытка разработать лампу на основе светодиодных
27
источниках света - полный аналог лампы накаливания, применяемой в настоящее время в
ЖД светофорах - ЖС 12-15+15.
Рисунок 1.7. Светодиод с оптикой Френеля, нанесённой на усечённый конус крышки из
поликарбоната и двойным углом излучения по уровню 0,5Iv max - 3 град.
Рисунок 1.8. Системы светодиодные светооптические ССС производства «Корвет-Лайтс»
на основе светодиодов, показанных на рисунке 1.7.
В конструкции лампы был применен электрический способ переноса тепла от P-N
перехода к радиатору посредством использования эффекта Пельтье [34,94]. Однако
данная разработка не получила практической реализации. В результате, в настоящий
момент
на
российском
рынке можно
выделить
три
компании,
поставляющие
светооптические системы светодиодные для ОАО «РЖД».
ЗАО «НПО РоСАТ»
Светооптическая
система
светодиодная,
разработанная
ООО
«Корвет-Лайтс»,
впоследствии усовершенствованной ЗАО «Кавер Лайт» и доработанной ЗАО «НПО
28
РоСАТ» показана на рисунке 1.9. Единственная разработка, базирующаяся на основе
светодиодов собственного производства, в каждый из которых интегрирована своя
оптическая система на основе уникальной линзы Френеля. В отличие от конкурентов не
требует наличия в конструкции вторичных оптических систем (только светодиоды).
Конструктивно состоит из корпуса, печатной платы с установленными на ней
светодиодами (матрицы), электрической платы и выпуклого защитного прозрачного
колпака из поликарбоната, изготавливается по [95]
Светооптические системы светодиодные состоят из оптической системы (рисунок 1.9.) и
блока электроники, изготавливаются по НКМР.676636.030 ТУ.
Рисунок 1.9. Светооптическая система производства ЗАО «НПО РоСАТ»
ЗАО «Транс-Сигнал»
Данная система базируется на семи светодиодах фирмы ОSRAM серии OSLON,
установленных на печатной плате с алюминиевым основанием. Элементом вторичной
оптики является групповая линза, состоящая из семи линз Френеля (рисунок 1.10), каждая
из которых располагается на оси соответствующего светодиода. Внешняя поверхность
защитного колпака плоская и располагается под углом к вертикальной оси светофора для
уменьшения катафотного эффекта.
Рисунок 1.10. Светооптическая система светодиодная производства ЗАО «Транс-Сигнал».
29
ОАО «ПО УОМЗ»
ССС данного производителя включает в себя:
- блок питания светофоров БПС-АБ [96], выполнен в типовом корпусе реле НМШ, состоит
из понижающего трансформатора, выпрямителя и элементов защиты от помех и
повышенного напряжения;
-
модуль типа СЖДМ (рисунок 1.11.) по [96] состоит из светооптической системы и
платы фильтра в пластиковом корпусе, закрытым с лицевой стороны прозрачным
колпаком из поликарбоната (у красного - окрашенным в цвет сигнала). Внешняя
поверхность защитного колпака плоская и располагается под углом к вертикальной
оси светофора для уменьшения катафотного эффекта.
Рисунок 1.11. Светооптическая система светодиодная производства ОАО «ПО УОМЗ».
Оптическая система состоит из печатной платы на алюминиевом основании. На ней
установлены 19 светодиодов зарубежного производства. К печатной плате прикреплен
оптический сепаратор с установленными в нем линзами по количеству светодиодов.
В результате сформированного техническим заданием РЖД рынка производителей
светооптических систем и апробации их продукции в натурных условиях, можно сделать
некоторые выводы по её результатам. По большинству позиций (декларативно заявленных
преимуществ) ожидания разработчиков светодиодных кластерных систем не нашли
практического подтверждения. Более того, как показывает практика использования ССС в
реальном эксплуатационном режиме, минусов оказалось больше чем плюсов. Все
существенные аспекты перспектив применения и апробации более подробно выглядят так.
1.
Ожидаемые результаты разработки и внедрения.
- более насыщенный цвет сигнала. Здесь можно говорить о вопросе стабильности
заданной координаты цветности, не зависящей от качества изготовления светофильтра.
Но, для желтого и красного цветов, как запрещающих и имеющих самое большое
значение изменения длины волны в зависимости от температуры в вопросе безопасности,
30
это недостижимо без стабилизации температуры p-n перехода светодиодов, учитывая что
требования ОАО «РЖД» к температурным характеристикам по эксплуатационным
параметрам от минус 60°С до плюс 65°С. Существует очень большая зависимость
доминантной длины волны и силы света у этих светодиодов от температуры p-n перехода
[14,15];
- отсутствие необходимости использовать цветной фильтр – один из немногих ожидаемых
эффектов применения квазимонохромных светодиодных кластеров. Однако квантовый
выход красных светодиодов, заданной длины волны мал, поэтому ССС красного цвета
свечения с трудом «дотягивают» до регламентируемых норм по силе света, а по мере
деградации светодиодов сила света будет также уменьшаться;
- время эксплуатации в десятки раз превышает время эксплуатации ламп накаливания.
Срок службы светодиодов, действительно в десятки раз больше срока службы ламп
накаливания, они более устойчивы к влиянию механических воздействий. Но это вряд ли
можно напрямую отнести к светодиодным светооптическим системам. ССС содержат
электролитические конденсаторы и большое количество электронных компонентов,
работающих в весьма экстремальных условиях (температурные и механические
воздействия). На настоящий момент, 50 000 часов не наработала ни одна из
установленных на сети дорог ОАО «РЖД», рассмотренных в данном обзоре систем.
- существенное снижение эксплуатационных расходов – сомнительный аргумент в части
масштабности их снижения по заверению производителей. В отличие от ССС лампу ЖС
15+15 заменяют 4 раза в год, но в соответствии с новой инструкцией ЦШ-720 проверка
видимости сигнала с той же периодичностью все равно остается, так же как и очистка
прозрачного колпака от эксплуатационных загрязнений.
- возможность в разы снизить энергопотребление сигнальной аппаратурой, что особенно
актуально в настоящее время. Ни одна из ССС не потребляет электроэнергии меньше
лампы накаливания, соответственно ни о какой экономии в этом аспекте не может быть и
речи ввиду адаптации к существующей релейной системе управления с одной стороны, и
невозможности выполнить светооптические характеристики с другой;
- антивандальное исполнение за счет применения прозрачного колпака из поликарбоната в
отличие от стеклянного линзового комплекта. Не до конца достоверная декларация.
Поликарбонат, в отличие от стекла, подвержен естественному воздействию ветра и
содержащейся в воздухе пыли и осколков щебня дорожного полотна (абразивых частиц),
что
приводит
поликарбоната.
к
появлению
Как
следствие
множественных
-
снижение
мелких
царапин
светооптических
на
поверхности
характеристик
и
необходимость его замены. Сроки этой замены зависят от количества абразива в воздухе в
месте эксплуатируется ССС. На сегодняшний день – это очень актуальная проблема. И
31
разработчики ищут пути упрочнения поверхностного слоя поликарбонатных колпаков для
снижения результатов воздействия абразива воздуха.
2.
Отрицательные стороны результатов внедрения.
- ДОРОГОВИЗНА. В связи с тем, что ССС не являются системами прямой замены
используемых на сети дорог линзовых комплектов мачтовых (КЛМ) и карликовых (КЛК),
а также прожекторных светофоров, при их внедрении необходима доработка интерфейсов
подключения в соответствии с разработанными и утвержденными техническими
решениями. В связи с чем, к цене ССС необходимо добавить соответствующие
значительные расходы на их внедрение, зачастую не меньшие чем цена самих ССС. В
большинстве
случаев,
внедрение
ССС
целесообразно
проводить
только
на
модернизируемых и вновь строящихся участках дорог.
- НЕВЗАИМОЗАМЕНЯЕМОСТЬ. При выходе из строя ССС, как правило, их ремонт
необходимо производить на предприятии - изготовителе, что абсолютно неудобно
дистанциям пути. Необходимо иметь достаточное количество ССС разных цветов в
необходимом минимальном резерве (даже по одной ССС каждого цвета мачтового и
карликового, 10 светодиодных систем) - достаточно накладно для участка или дистанции
и для дороги в целом. Заменить отказавшую ССС линзовым комплектом не удастся, т.к.
интерфейсы СЦБ изменены под ССС. В то же время, замена ССС разных производителей
не допустима по той же причине разности в переделке интерфейсов. Более того,
указаниями требований «РЖД» запрещена установка на одном участке ССС и линзовых
комплектов из-за разности их восприятия.
- КАТАФОТНЫЙ ЭФФЕКТ. Ввиду конструктивных (оптических) особенностей,
светооптическим светодиодным системам, особенно из-за отсутствия светофильтра в
отличие от линзового комплекта, присуще проявление катафотного эффекта. Этот эффект
связан с отражением ССС света, источник которого находится под определённым углом к
системе (Солнце, прожектор локомотива). Отражённый свет может попадать в поле
зрение машиниста и из-за «разбавления» собой основного цвета сигнала, вызвать у
машиниста неправильный результат его восприятия, либо сделать то же самое при
негорящем сигнале, сформировав ложный сигнал (рисунок 1.12.). Физика этого процесса
заключается в том, что вся оптическая схема призвана вывести из ССС свет с поверхности
излучающего кристалла светодиода. Но работает и обратный процесс - весь внешний свет,
падающий на апертуру ССС, фокусируется линзой на поверхность чипа и отражается от
него подобно излучаемому им самим. Обратный, отраженный пучок воспринимается
наблюдателем как свечение. В линзовом комплекте, как входящее, так и исходящее
излучение ослабляется светофильтром в n2 раз, и от малой площади поверхности спирали
нити отражается количество света, недостаточное для проявления значимого катафотного
32
эффекта. Как правило, солнечный свет или свет лобового прожектора локомотива,
отражаются как желтый или белый. В связи с этим, главная опасность – проявление
катафотного эффекта при запрещающем (красном) сигнале светофора, который может
восприниматься машинистом как разрешающий.
Рисунок 1.12.. Визуализация катафотного эффекта.
- НЕПАРАЛЛЕЛЬНОСТЬ ОСЕЙ СИГНАЛОВ. При установке ССС на светофорную
головку, видимость сигналов может значительно отличаться из-за непараллельности
оптических осей сигналов, связанной с технологическими особенностями производства.
Даже заявленные производителями возможности юстировки сигналов ССС, не решают
проблемы, т.к. отсутствуют какие либо инструментальные средства проведения такой
юстировки в натурных условиях, что делает такую юстировку чисто субъективной.
- ОСЛЕПЛЕНИЕ МАШИНИСТОВ. Невозможность корректного перехода в ночной
режим и чрезмерная сила света сигнала в тёмное время суток.
НЕРАВНОМЕРНОСТЬ АПЕРТУРЫ. В [97] сформулировано следующее требование к
разрабатываемому светодиодному источнику света прямой замены лампы ЖС 12-15+15 –
«Видимая светящая поверхность КЛМ и КЛК со «светодиодным источником света»
должна соответствовать диаметру выходного отверстия (внешней линзы) и не должна
иметь темных пятен». Тем самым подчеркивается важность для безопасности движения,
равномерность свечения всей видимой светящейся поверхности сигнала светофора.
Однако даже у ССС с 68-ю светодиодами невозможно говорить о равномерности, не
говоря уже о ССС с 19-ю и тем боле 7-ю источниками света (рисунок 1.10.,1.11.),
33
особенно если некоторые из них начинают гаснуть. Визуально сказанное проявляется как
показано на рисунке 1.13. а,б.
а)
б)
в)
Рисунок 1.13. а, б) видимое различие в площади засветки апертуры линзовых комплектов
(справа в каждой паре) и ССС (слева в паре сравнения). в) часть неисправных
светодиодов.
Очень существенен тот факт, что разработчиком регламентирован критерий отказа «отсутствие свечения в ССС более 30 % светодиодов». Однако, очевидно, что нельзя
назвать исправным ССС у которой вышло из строя даже не 30%, а 20% источников света
(рисунок 1.13в).
- ПРОБЛЕМЫ СОВМЕСТИМОСТИ С СИСТЕМАМИ СЦБ.
Имеются также разработки принципиально отличающихся светодиодных систем
светофоров, например, весомого игрока на рынке светодиодных технологий - компании
«Сварко-Футурит». Разработанный модуль RAILED имеет центральный источник света,
выполненный на светодиодах. Более того, компанией Сварко-Футурит [98] разработан так
же модуль FUTURLED3 для уличного светофора с центральным источником света
«FUTURLED-3. Модули для вставки в светофоры - самый простой путь замены ламповых
сигналов на светодиодные сигналы последнего поколения. Продажа 2,5 миллионов
модулей FUTURLED3 наглядно подтверждает уникальную позицию SWARCO FUTURIT
на рынке светодиодных технологий. Более 10 лет опыта в разработке и производстве
светодиодных сигналов позволяют предлагать высоконадежный и инновационный
продукт. Центральный источник света в комбинации с двойной линзой позволяют
достигать равномерной цветопередачи [98].
34
Анализ результатов проведённых работ по деградации параметров полупроводниковых
излучающих структур, публикаций и описанных в них исследований, а также результатов
разработок светосигнальных устройств ответственного назначения и опыта их внедрения,
определил основные направления для решения обозначенных целей по разработке
высоконадёжных светодиодных источников света, лишённых выявленных недостатков и
поставленных перед проводимым в настоящей работе экспериментом по изучению
деградационных явлений в материалах InGaN и AlInGaP задач. Для его реализации
необходимы:
-
разработка
подробной
и обобщающей
системы
физических
параметров
светоизлучающих диодов с учётом их взаимной зависимости и указанием деградационных
характеристик.
-
разработка
комплексной
методики
измерений
параметров
и
расчётов
максимального числа характеристик для формирования необходимых зависимостей
-
создание специальных компьютерных программ для обработки данных и
расчётов различных величин, моделирования и анализа исследуемых процессов
-
разработка и создание специального метрологического комплекса для реализации
измерений параметров светодиодов, предусмотренных разработанной методикой
-
проведение сертификации средств измерений и их периодической поверки в
установленном порядке
-
разработка и создание технической базы для реализации наработки светодиодов
при необходимых условиях
-
разработка и реализация особой методики контроля образцовых светодиодов в
процессе производства и отбора готовых приборов для исследования
-
разработка методики сортировки промышленных светодиодов по степени
потенциальной деградации параметров для целевого использования соответствующих по
качеству в высоконадёжных излучателях
-
разработка
конструкции,
электрической
схемы
и
оптической
системы
светодиодной лампы для применения в устройствах световой сигнализации железных
дорог
-
доработка методов оценки надёжности, создание программ расчётов параметров
фотобиологической
безопасности,
методик
расчётов
катафотного
эффекта
и
потенциального времени наработки светодиодных устройств световой сигнализации
железных дорог.
35
Глава 2. Методы и средства измерений параметров светодиодов.
2.1. Система электрических, фотометрических и колориметрических характеристик
светодиодов
Основной смысл любой технической характеристики какой - либо продукции
состоит в наиболее удобном для чтения потребителем информации о её функциональных
возможностях, и в то же время, подлежащей сравнению с другими аналогами, чтобы
пользователь мог не только составить необходимый технический портрет изделия, но и
определить его положение среди подобных типов в свете предоставляемых технических
данных. Однако помимо удобства чтения и сравнения, система должна наиболее полно
отражать истинные физические данные изделия, сформированные на основе тех функций,
параметров и тех их взаимозависимостей, которые с одной стороны имеются у
большинства светодиодов, а с другой стороны, для каждого их типа являются только
частным случаем. В то же время, система параметров светодиодов должна включать в
себя преимущественно только такие сочетания характеристик и единиц, которые хорошо
согласуются с системами параметров других групп, классов и видов изделий, и позволят
использовать их для дальнейших расчётов режимов в составе устройств на их основе или
выходных характеристик сложных комплексных конструкций [97]. Так, например, на
основе фотометрических характеристик источников света (светодиодов в данном случае)
рассчитывается
и
формируется
комплекс
параметров
осветительного
прибора,
определяется его оптическая система, а колориметрические характеристики ложатся в
основу цветовых параметров будущего осветительного прибора. Поэтому очень важно
иметь однозначное понимание параметров всех аналогов, которые могут быть
использованы в этом светотехническом устройстве в качестве источника света.
Электрические характеристики используются для расчётов вторичного источника питания
и способа коммутации излучающих кристаллов или светодиодов в световом приборе.
Для
представления
характеристик
светодиодов
не
существует
единой
утверждённой международной системы, по которой строились бы все спецификации или
«даташиты», с помощью которых производители описывают технические параметры
своей продукции. Это касается не только светодиодов, но и кристаллов, на основе
которых производятся эти светодиоды. Как правило, в основу подавляющего большинства
спецификаций кладутся самые важные и показательные физические характеристики,
приводимые в единицах системы СИ, однако, большинство светотехнических и
колориметрических единиц, полученных эмпирически или статистически, приняты МКО
на основе субъективного анализа психофизических реакций респондентов, часто не несут
в себе истинного физического смысла, хотя и указываются наряду с первыми (индекс
цветопередачи, коррелированная цветовая температура, координаты цветности) [1]. К
36
слову сказать, формально силу света и световой поток также можно отнести к
виртуальным единицам, сформированным на основе статистической кривой видности
V(L), относительно энергетического потока, являющегося самой «физической» из
приведённых единиц. Этот факт является основной проблемой отсутствия единства в
системах формирования спецификаций на светодиодную продукцию и порождает
множество разногласий при их чтении и сравнении. В данной работе будет описана не
только существующая система характеристик, но и сформирована наиболее рациональная
и информативная с точки зрения автора, отражающая максимальное количество
характеристик, и что самое важное, их взаимозависимости, которые могут учитывать
также и факторы деградации параметров в зависимости от времени и различных режимов
работы.
Все параметры современных спецификаций делятся на группы, отражающие
физический смысл и природу их происхождения, а также необходимость и удобство их
использования потребителем при расчётах устройств, учитывающих или основанных на
этих параметрах. В составе каждой группы существующей системы параметров
светодиодов, ниже представленные характеристики расположены вне зависимости от
важности (необходимости использования) для потребителя, однако информативность и
физический
смысл
их
находится
в
некоторой
логической
последовательности,
позволяющей проследить связь большинства параметров. Для характеристик в виде
функций или зависимостей в качестве примера, часто только для одного типа кристаллов,
приводится диаграмма, наглядно показывающая вид этой зависимости. С целью удобства
чтения приведённой информации
применена сквозная нумерация описанных и
истолкованных параметров. Большинство терминов и обозначений параметров и
характеристик согласовано с [1,2,29]. Показаны основные величины и их возможные
взаимозависимости. Для наглядности удобно рассматривать систему параметров, как это
показано на рисунке 2.1., в виде блок-схемы, где можно проследить как их взаимосвязь,
так и положение той или иной группы относительно друг друга. Следует заметить, что
предложенная система содержит в основном самые важные и ключевые характеристики,
которые можно измерить, рассчитать или косвенно определить реальными измерениями,
как это более подробно рассмотрено в [113].
2.1.1. Группа электрических характеристик
Исходные величины
1. Прямое напряжение - Uf [В].
Определяется параметрами ширины запрещённой зоны Eg применённой гетероструктуры,
материалом
подложки,
структурой
омических
токоведущих нитей и их сварных соединений.
контактов
и
характеристиками
37
Спектральное распределение
Координаты цветности
Цветовая температура
Индекс цветопередачи
Световой поток Фv
Энергетические
Фотометрические
и спектральные
характеристики
излучения
Сила света Iv
Световая
эффективность
(светоотдача)
Мощность излучения Фе
Сила излучения I
Тепловое сопротивление
Температура перехода
Температурные
характеристики
Температурные
характеристики
Электрические
характеристики
Прямое напряжение Uf
Прямая
вольт-амперная характеристика
Прямой ток If
Динамическое сопротивление
Обратная
вольт-амперная характеристика
Потребляемая мощность Р
КПД
Обратный ток Ir
Обратное напряжение Ur
Рисунок 2.1. Блок-схема системы параметров светодиодов и излучающих кристаллов.
Указывает прямое напряжение смещения светодиода при номинальном прямом токе If .
Применяется, помимо определения потребляемой мощности светодиода, для расчёта
режимов оконечных каскадов или ключей вторичных источников питания, нагрузкой
которых являются светодиоды, а также параметров самих источников питания, буферных,
согласующих и стабилизирующих элементов.
2. Прямой ток - If .[А].
Рабочий
(номинальный)
ток
светодиода,
при
котором
обеспечивается
его
работоспособность в течение указанного времени и с указанными далее в спецификации
параметрами. If . достигается подачей на светодиод прямого напряжения Uf.. Все
характеристики светодиода измеряются при токе If. Он считается базовым параметром,
относительно которого ведутся расчёты и измерения других электрических параметров,
поэтому при любых подобных действиях он жёстко зафиксирован и стабилизирован, его
величина известна с высокой точностью во время каждого измерения остальных
характеристик. Используется для расчётов потребляемой энергии, КПД, эффективности
излучения, мощности источника питания светодиода (группы светодиодов).
3. Плотность тока через p – n – переход rIf [A/cm2]
38
Указывает отношение прямого тока If к площади p – n – перехода. Служит для оценки
режимов работы гетероструктуры и активной области перехода, деградационных
характеристик. Параметр удобен для нормирования прямого тока без указания его
непосредственного значения у конкретной группы приборов, с привязкой к площади
излучающего кристалла.
4. Обратное напряжение Ur [V].
Отрицательное напряжение, подаваемое на анод светодиода относительно его катода, при
котором через светодиод протекает обратный ток Ir , значение которого не должно
превышать указанную величину. Применяется для расчёта характеристик цепей питания
светодиода,
элементов
фильтров
и
режимов
коммутирующих
элементов
при
динамическом управлении [9].
5. Обратный ток Ir .[А, mА].
Обусловлен наличием неоднородностей в материале области пространственного заряда,
вызывающим повышенную плотность неосновных носителей заряда в прилегающих к p –
n – переходу областях. Вызван экстракцией неосновных носителей заряда из указанных
областей совпадающим по направлению внешним приложенным электрическим полем (в
неравновесном состоянии) [4]. Может служить косвенным показателем качества
эпитаксиальной гетероструктуры на предмет наличия примесей или дислокаций, а также
уровня выполнения производственных операций по утонению – разделению пластин,
нанесения омических контактов, посадке кристалла и приварке контактных проводников.
Указывает значение тока через светодиод при приложении Ur [V].
6. Электрическая ёмкость светодиода Cf [F, рF].
Определяется свойствами материала кристалла, геометрией омических контактов и
токоведущих частей конструкции светодиода. Применяется для расчётов импульсных
режимов работы, переходных характеристик участков цепей, содержащих светодиод и т.
д.
7. Индуктивность Lf .[Н, mH]. Обусловлена геометрией омических контактов, кристалла и
токоведущих частей конструкции светодиода. Вместе с ёмкостью Cf образует реактивную
часть
комплексного сопротивления светодиода, выраженную
характеристическим
сопротивлением и учитывается при расчётах временных характеристик импульсов и их
фронтов при динамическом управлении, а также соответствующих согласующих цепей
оконечных каскадов или ключей с нагрузкой, которой являются светодиоды.
8. Максимальный импульсный ток Imax (t)[А].
39
Максимальное значение тока If , независимо от времени действия (t) которого на приборе
выделяется максимальная мгновенная мощность Pdis
max(t),
способная быть рассеянной
конструкцией прибора без появления необратимых изменений.
9. Время нарастания и спада (фронт) импульса тока tf и tb (s, ns).
Интервал времени, в течение которого ток через светодиод изменяется от 0,1 до 0,9
значения. Применяется при использовании светодиодов в устройствах отображения
информации с импульсным управлением, а также в приборах для систем приёма –
передачи информации (инфракрасные порты, считывающие и передающие оптические
устройства, оптроны). Благодаря большому значению ширины запрещённой зоны области
пространственного заряда излучающих кристаллов (в особенности у твёрдых растворов
нитрида галлия, синих и фиолетовых цветов свечения), светодиоды способны
формировать оптические импульсы с фронтами длительностью до единиц наносекунд,
соответственно работать при частоте питающего тока вплоть до 500 – 800 МГц [7].
Производные величины
10. Прямая вольт – амперная характеристика - If (Uf). Рисунок 2.2.а.
Показывает динамику изменения прямого тока при изменении приложенного напряжения
в прямом смещении светодиода.
Применяется для расчёта динамических характеристик устройств управления и питания
светодиодов, а в совокупности с параметрами 24 или 25 для расчётов светотехнических
характеристик при изменении указанных электрических параметров. Крутизна вольт амперной характеристики характеризует динамические характеристики светодиода.
11. Обратная вольт – амперная характеристика – Ir (Ur). Рисунок 2.2.б.
Показывает изменение обратного тока в зависимости от приложенного обратного
напряжения. Как и параметр 5, может косвенно определять качественные показатели
структуры и светодиода.
12. Динамическое сопротивление Rdyn [Ohm]. Рисунок 2.3.
Показывает отношение приращения прямого тока к приращению изменения прямого
напряжения. Используется при расчётах нагрузочных характеристик буферных каскадов,
ключевые элементы которых являются управляющими режимом работы светодиода [28].
13. Потребляемая электрическая мощность Pdis [W]. Рисунок 2.3.
Показывает потребляемую электрическую мощность при заданном прямом токе
(плотности тока) через светодиод (p-n - переход). Применяется для расчётов источников
питания для светодиодов или устройств на их основе, расчётов КПД, эффективности
излучения и др.
40
100
If,mA
90
100
If,mA
90
80
80
70
70
60
AlInGaP
InGaN
50
60
40
30
50
20
40
10
Uf,V
0
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
5
5,5
30
20
10
Uf,V
0
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
5
а)
5
Ur,V
0
-20
-18
-16
-14
-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
-5
0,1
Ur,V
0
-20
-18
-16
-14
-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
-10
-0,1
AlInGaP
-0,2
InGaN
-15
-0,3
-0,4
-0,5
-20
-0,6
-0,7
-25
Ir,m A
-0,8
-30
Ir,mA
-35
б)
Рисунок 2.2. Прямые – а) и обратные – б) вольт - амперные характеристики (ВАХ)
светодиодов. На сносках показаны примеры ВАХ для различных материалов излучающих
кристаллов.
41
14. Температурная зависимость прямого тока If (Ta) Рисунок 2.4.
Зависимость значения прямого тока от температуры окружающей среды при неизменном
прямом напряжении [8].
15. Температурная зависимость прямого напряжения Uf (Ta) Рисунок 2.4.
Зависимость значения прямого напряжения от температуры при неизменном прямом токе
[15].
16. Зависимость прямого напряжения от времени наработки Uf (t) Рисунок 2.5.
Применяется для коррекции электрических режимов светодиода или оконечных устройств
управления им со временем наработки.
17. Вольт – фарадная характеристика - Сf (Uf) Рисунок 2.6.
Зависимость емкости структуры излучающего кристалла, обусловленной наличием
объемного заряда в приповерхностной области полупроводника, от приложенного к ней
напряжения. Используется для определения качества гетероструктуры.
500
1300
Rdyn,Ohm; R,Ohm
Pdis,mW
1200
450
1100
400
1012,55
1000
350
900
800
300
700
250
600
R vs.If
Rdyn vs If
Pdis vs. If
200
500
400
150
130,50
300
273,80
100
66,45
200
106,32
50
27,38
0,6
52,20 1,7
0
0
20
40
1
60
80
100
120
140
160
180
200
8,27
0,5
220
240
260
280
300
320
3400,4360
100
0,2
If,mA
380
0
400
Рисунок 2.3. Потребляемая электрическая мощность Pdis и динамическое сопротивление
Rdyn На сноске сверху показана исходная прямая ВАХ.
42
100
If,mA
If,mA
9
8
90
7
6
80
5
4
70
3
2
60
1
Uf,V
0
2,25
2,5
2,75
3
3,25
3,5
3,75
50
-60 deg.
-50 deg
-40 deg.
-20 deg.
00 deg.
+20 deg.
+50 deg.
40
30
20
Uf,V
10
2,25
2,5
.Рисунок
2.4. Семейство ВАХ светодиодов при разных температурах. На сноске сверху –
2,75
3
3,25
3,5
3,75
4
4,25
4,5
4,75
5
экспоненциальный участок при малых токах.
4 ,3 6
U f,V
4 ,3 5
4 ,3 4
4 ,3 3
4 ,3 2
4 ,3 1
4 ,3
4 ,2 9
4 ,2 8
T im e ,h
4 ,2 7
0
500
10 0 0
1 50 0
2 00 0
25 0 0
3 00 0
3 50 0
Рисунок 2.5. Зависимость прямого напряжения от времени наработки.
4 0 00
4 5 00
50 0 0
43
0 ,0 0 7
1 /C 2 ,p F -2
0 ,0 0 6
0 ,0 0 5
0 ,0 0 4
0 ,0 0 3
0 ,0 0 2
0 ,0 0 1
U r ,V
0
-4
-3 ,5
-3
-2 ,5
-2
- 1 ,5
-1
-0 ,5
0
Рисунок 2.6. Пример вольт – фарадной характеристики.
2.1.2. Группа фотометрических и энергетических характеристик излучения
Исходные величины
18. Энергетическая сила света (сила излучения). I [W/sr]
Характеризует излучение источника в некотором направлении. Равна отношению потока
излучения, распространяющегося от источника внутри элементарного телесного угла,
содержащего рассматриваемое направление, к этому элементарному телесному углу.
Понятие энергетической силы излучения применимо при расстояниях от источника,
намного превышающих его размеры и выполнении закона «обратных квадратов».
Iv,c d
0 ,5
Iv (Q )
C e n tro id Q
C e n tro id Q , d e g .
L e ve l 0 ,5 Iv
- a n g le o f 0 ,5 Iv
+ a n g le o f 0 ,5 Iv
COS Q
0 ,4
0 ,3
-3 5
36
0 ,2
0 ,1
Q ,d e g .
1 0 ,5
0
-1 0 0
-9 0
-8 0
-7 0
-6 0
-5 0
-4 0
-3 0
-2 0
-1 0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
44
а)
Height
H = 1000 m
Distance,
Lx D, m
D = 2.99
m
б)
Рисунок 2.7. Деталировка диаграммы углового распределения силы света с указанием
угловых характеристик и значений различных Iv. – а), фотометрическое тело – б).
19. Сила света Iv [cd]
Одна из основных световых величин, характеризующая интенсивность источника
видимого излучения (света). Сила света в общем случае различна для различных
направлений
от
источника,
равна
отношению
светового
потока
dФv,
распространяющегося от источника внутри элементарного телесного угла dW, который
содержит данное направление, к этому телесному углу (2.1.). Условие расстояния также
справедливо, как и в предыдущем пункте.
IV =
dФV
dW
20. Осевая сила света Ivax [cd]
(2.1)
45
Показывает величину светового потока источника, заключённого в элементарном
телесном угле, и распространяющегося в направлении оптической или физической оси
источника излучения [7].
21. Максимальная сила света Ivmax [cd]
Показывает максимальную величину силы света источника, находящуюся в любой точке
поверхности фотометрического тела (рисунок 2.7.б) [7].
Производные величины
22. Световой поток F v [lm]
Является основной единицей, определяющей энергию излучения в видимом диапазоне [7].
Показывает
мощность излучения,
оцениваемую по
производимому зрительному
ощущению или действию на селективный приемник с характеристикой спектральной
чувствительности в виде кривой видности V(l) «стандартного наблюдателя» МКО и
пропорциональная потоку излучения с учетом относительной спектральной световой
эффективности (2.2.).
dФe dl
· V (l )dl
d
l
360
830
ФV = K m
ò
(2.2)
,
dФе (l )
- спектральное распределение энергетического потока;
dl
V(λ) –относительная спектральная световая эффективность.
где
23. Мощность излучения (энергетический поток оптического излучения Φe) P [W].
Полная энергия, переносимая оптическим излучением в единицу времени через данную
поверхность. Характеризует энергию излучения любого источника, излучающего в
оптическом диапазоне длин волн. Частным случаем мощности излучения является
световой поток Fv. Используется для расчётов параметров (КПД, эффективности,
энергетической яркости и освещённости) источников, спектральное распределение
излучения которых выходит за пределы видимого диапазона. Из-за существенной
близости большей части составляющих спектра к границе кривой видности, излучение
синих
(фиолетовых)
или
красных
(малиновых)
светодиодов
в
спецификации
характеризуется именно значением мощности излучения.
24. Температурная зависимость мощности излучения P (Ta).
Показывает зависимость мощности излучения светодиода или устройства на его основе от
температуры
окружающей
среды.
Может
преобразовываться
в
коэффициент мощности излучения.
25. Зависимость мощности излучения от прямого тока P (If). (Рисунок 2.8).
26. КПД светодиода h [%].
температурный
46
Выражает отношение потребляемой светодиодом электрической мощности к мощности
излучения. Характеризует коэффициент преобразования электрической энергии в
световую. Применяется в расчётах эффективности световых приборов и осветительных
установок на основе светодиодов, а также при определении общего КПД этих устройств с
учётом КПД вторичных источников питания.
27. Плотность мощности излучения PW [W/sr] (Приложение 2.1.)
Показывает распределение долей интегральной мощности излучения в объёме диаграммы
пространственно
распределения
энергетической
силы
света,
заключённых
в
соответствующих телесных углах, отнесённых к значениям этих углов.
1 ,8
P n /P (4 0 m A )
1 ,6
1 ,4
1 ,2
1
0 ,8
0 ,6
0 ,4
0 ,2
If,m A
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Рисунок 2.8. Относительная зависимость мощности излучения от прямого тока.
28. Угловое распределение силы излучения I (W )
Показывает зависимость значения энергетической силы света от угла излучения
относительно физической или оптической оси в одной из плоскостей (сечений)
фотометрического тела. Характеризует направление излучения и его интенсивность в
этом направлении в указанных плоскостях (сечениях).
29. Освещённость Еv [lx]
Отношение светового потока источника dФν, падающего на элемент поверхности, к
площади dA этого элемента.
dФn
dA
30. Яркость Lv [cd/m2]
En =
Отношение силы света источника излучения, к площади его излучающей поверхности
(2.3).
47
LV =
dФV
dA · cos q · dW
(2.3)
где dФV – световой поток, проходящий через элементарную площадь и
распространяющийся в телесном угле dΩ, содержащем данное направление,
dΩ – телесный угол;
dA – элементарная площадь поверхности;
θ – угол между нормалью к данному сечению и направлением излучения.
31. Угол излучения по уровню осевой силы света 0,1 Ivax 2 W 0,1Iv [deg].
Определяется как разница проекций силы света правого и левого спадов характеристики
углового распределения силы света с указанным уровнем амплитуды (0,1 Iv) на ось углов
[29].
Характеризует
относительную
величину
угла
пространственного
распределения
излучения в одной плоскости.
32. Угол излучения по уровню осевой силы света 0,5 Ivax 2 W 0,5Iv [deg].
Определяется как разница проекций силы света правого и левого спадов характеристики
углового распределения силы света с указанным уровнем амплитуды (0,5 Iv) на ось углов.
Характеризует
относительную
величину
угла
пространственного
распределения
излучения в одной плоскости.
33. Угловое распределение силы света Iv (W ) (приложение 2.1.).
Показывает зависимость значения силы света от угла излучения относительно физической
или оптической оси в одной из плоскостей (сечений) фотометрического тела.
Характеризует направление излучения и его интенсивность в этом направлении в
указанных плоскостях (сечениях).
34. Люмен – амперная характеристика F v (If)
Показывает зависимость значения светового потока от изменения прямого тока. Ввиду
возможного
перераспределения
относительной
плотности
потока
по
диаграмме
пространственного распределения силы света при изменении прямого тока через p-n
переход, характеристика может не является частным случаем, зависимости, описанной в
следующем пункте.
35. Зависимость силы света от прямого тока Iv (If)
Рисунок 2.9. показывает зависимость силы света от изменения прямого тока в одной,
любой точке диаграммы пространственного распределения. Частным и наиболее часто
встречающимся видом этой характеристики является зависимость осевой силы света от
прямого тока Ivmax (If).
36. Температурная зависимость светового потока F (Ta) Рисунок 2.10.
48
Показывает изменение светового потока светодиода в зависимости от температуры
окружающей среды при неизменных электрических характеристиках [8].
37. Температурная зависимость осевой силы света Iv (Ta) Рисунок 2.11.
Показывает изменение осевой силы света светодиода от температуры окружающей среды
при неизменных электрических характеристиках [8]. Применяется для коррекции расчётов
освещённости при использовании светодиодов в различных температурных условиях.
1
Iv /Iv m a x
0 ,9
0 ,8
0 ,7
0 ,6
A lI n G a N н а S iC
A lG a I n P н а G a P R e d
0 ,5
A lI n G a N н а с а п ф и р е
A lG a I n P н а G a P Y e llo w
0 ,4
0 ,3
0 ,2
0 ,1
If,m A
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
1 00
Рисунок 2.9. Относительная зависимость осевой силы света от прямого тока для
светодиодов на основе кристаллов различных типов.
Normalized Luminous Flux
1,9
1,7
1,5
1,3
1,1
-60 deg
-50 deg
-40 deg
-20 deg
0 deg
+20 deg
+50 deg
0,9
0,7
0,5
0,3
If,mA
0,1
0
5
Для AlGaInP.
10
15
20
25
30
35
40
49
1,7
Normalized Luminous Flux
1,5
1,3
1,1
-60
0,9
-50
-40
-20
0
0,7
+20
+50
0,5
0,3
If,mA
0,1
0
2,5
5
7,5
10
12,5
15
17,5
20
22,5
25
27,5
30
32,5
35
37,5
40
Для InGaN/AlGaN/GaN.
Рисунок 2.10. Температурная зависимость светового потока.
1,5
Iv/Iv(20deg.C.)
1,4
1mA
5mA
10mA
20mA
30mA
40mA
1,3
1,2
1,1
1
0,9
deg.C.
0,8
-60
-50
-40
Для AlGaInP.
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
50
1,35
Iv/Iv(20deg.C.)
1,3
1,25
1mA
5mA
10mA
20mA
30mA
40mA
1,2
1,15
1,1
1,05
1
0,95
0,9
deg.C.
0,85
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
Для InGaN/AlGaN/GaN.
Рисунок 2.11. Относительная температурная зависимость осевой силы света.
Уровень силы света (Iv\Ivmax)
Световой поток, лм
По отношению к общему потоку, %
Угол по уровню силы света, град.
Cила света, cd
0
0,912
100,00
171,65
0,00
0,1
0,867
95,13
146,25
0,05
0,2
0,775
85,04
121,78
0,10
0,3
0,655
71,80
100,67
0,15
0,4
0,543
59,57
84,41
0,20
0,5
0,441
48,37
71,89
0,25
0,6
0,366
40,10
62,81
0,30
0,7
0,278
30,52
53,45
0,35
0,8
0,201
22,09
43,51
0,41
0,9
0,111
12,19
31,43
0,46
1,0
0,51
а)
100
% о т о б щ его по то ка Ф
90
80
70
60
50
40
30
20
10
У го л,гр ад .
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
б)
Рисунок 2. 12. Распределение светового потока по углу излучения. 2 варианта
представления: а)-таблица и б)-график.
51
38. Распределение светового потока по углу излучения F (W ) Рисунок 2.12.
Показывает часть светового потока, его значение или долю, заключённую в заданном
телесном угле диаграммы пространственного распределения излучения относительно
общего потока светодиода.
39. Плотность светового потока ФvW [lm/sr]
Показывает распределение долей интегрального светового потока в объёме диаграммы
пространственно распределения силы света, заключённых в соответствующих телесных
углах, отнесённых к значениям этих углов.
40. Световая эффективность (световая отдача) [ГОСТ Р МЭК] h [lm/W]
Отношение светового потока источника к потреблённой электрической мощности (2.4).
h = F /Pdis
(2.4)
где Фv – световой поток,
Pdis – потребляемая мощность
41. Среднее время наработки до изменения светового потока на n%. t [h]
Время, при котором световые параметры составляют n% измеренных начальных
значений, в функции от t. В спецификации должно быть дано указание, если для
достижения этих значений необходимо принудительное охлаждение.
42. Деградационная характеристика светового потока F (t) (рисунок 2.13).
Зависимость, показывающая изменение значения светового потока со временем наработки
при паспортных (рекомендованных производителем) условиях эксплуатации.
43. Деградационная характеристика силы света Iv (t) (рисунок 2.13).
Зависимость,
показывающая
изменение
направлении,
например,
осевом)
(рекомендованных
в
производителем)
со
значения
временем
условиях
силы
света
наработки
эксплуатации.
(в
определённом
при
паспортных
Ввиду
возможного
перераспределения относительной плотности потока по диаграмме пространственного
распределения силы света в процессе наработки, характеристика может не является
частным случаем зависимости, описанной в предыдущем пункте, и иметь иную форму,
тренд или градиент.
44. Время нарастания и спада импульса излучения tfr и tbr (ns).
Интервал времени, в течение которого световой поток F светодиода изменяется от 0,1 до
0,9 значения [7].
2.1.3. Группа спектральных и колориметрических характеристик излучения
Исходные величины
52
45. Спектральное распределение мощности излучения (относительное спектральное
распределение мощности излучения) F e (l) Рисунок 2.14.
Зависимость мощности излучения от длины волны. Может представлять из себя
сплошную линию (лампы накаливания, тепловые источники, светодиоды белого цвета
свечения)
или
иметь
отдельные
узкополосные
пики
(люминесцентные,
металлогалогенные, натриевые, ксеноновые лампы), соответственно квалифицироваться
как сплошной, полосатый, линейчатый (рисунок 2.15). Спектральное распределение
является основной совокупностью данных для расчётов всех колориметрических величин
или параметров спектра излучения, поэтому считается одной из самых «физических»
характеристик излучения. На исследовании спектральных зависимостей основано
изучение качественных показателей полупроводниковых излучающих кристаллов,
деградационные характеристики, тепловые свойства эпитаксиальных структур и пр.
Следует добавить, что спектральный метод исследования является наиболее точным и
показательным относительно других.
1 ,2
Ф /Ф (0 h ),Iv/Iv (0 h )
1 ,1
Ф (T )
Iv (T )
1
0 ,9
0 ,8
0 ,7
T im e ,h
0 ,6
0
500
1000
1 5 00
2000
2 5 00
3000
3500
4000
4500
5000
5500
6000
Рисунок 2.13. Относительная деградационная характеристика светового потока и осевой
силы света. Несовпадение графиков объясняется не только изменением, но и
перераспределением светового потока по фотометрическому телу в процессе наработки.
Производные величины
46. Спектральная световая эффективность K(l)[lm/W]
Показывает, отношение «весовой» доли исследуемого диапазона спектра (светового
потока), присутствующего в излучении относительно всей «массы» потока излучения.
Отражает значение светового потока, соответствующего определённой мощности
излучения на фиксированной длине волны или в диапазоне длин волн, находящихся в
53
пределах видимого диапазона. Максимальное значение – 683 lm/W. Частный случай
может быть рассчитан по формуле (2.5)
Normalized Intensity vs. Wavelength.
Normalized Intensity
1
0,9
0,8
Spatial radiation pattern
Lmax
Lcentroid
L1(SLHW )
L2(SLHW )
Level 0,5
Ряд7
0,7
0,6
0,5
453,0
475,0
0,4
0,3
0,2
0,1
Wavelength (nm)
463,0
0
350
375
400
425
450
465,0
475
500
525
550
575
600
625
650
675
700
Рисунок 2.14. Деталировка спектра излучения монохромного светодиода.
0,9
0,8
Normalized Intensity
1
Spatial radiation pattern
Lmax
Lcentroid
L1(SLHW)
L2(SLHW)
Level 0,5
Ряд7
Ряд8
0,7
0,6
597,5
439
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
300
Wavelength (nm)
325
350
375
400
448,00
425 450
475
500
525
550
561,00
575 600
625
650
Непрерывный спектр излучения белого светодиода.
675
700
725
750
775
800
825
850
875
900
925
950
54
0,9
0,8
Normalized Intensity
1
Spatial radiation pattern
Lmax
Lcentroid
L1(SLHW)
L2(SLHW)
Level 0,5
Ряд7
Ряд8
0,7
0,6
436
0,5
612
0,4
0,3
609,50
0,2
0,1
0
300
Wavelength (nm)
325
350
375
400
425
450
475
500
525
550
611,50
575 600
625
650
675
700
725
750
775
800
825
850
875
900
925
950
Линейчатый (полосатый) спектр излучения люминесцентной лампы.
Рисунок 2.15. Примеры относительного спектрального распределения.
ó
ô
õ
К := 683
830
E(l) × V( l) dl
360
ó
ô
õ
830
(2.5)
E( l) dl
360
Где
E(l) – относительное спектральное распределение плотности энерегетической яркости
исследуемого источника,
V(l) – кривая видности глаза.
В спецификациях указывается наряду с индексом цветопередачи. Зависимость K(l) от
прямого тока показана на рисунке 2.16 [7].
47. Ширина спектрального распределения по уровню 0,5 Fe Dl0,5 [nm].
48. Ширина спектрального распределения по уровню 0,1 Fe Dl0,1 [nm].
Величины 47 и 48 получаются как разница длин волн правого и левого спадов
(спектральных
линий)
спектрального
распределения
мощности
соответствующим значением доли от максимального значения.
49. Максимальная (пиковая) длина волны lmax [nm].
излучения
с
55
Показывает максимальную амплитудную составляющую спектра, по которой можно
определить положение пика функции спектрального распределения на шкале длин волн.
Другими словами – длина волны в максимуме спектрального распределения (рисунок
2.14).
Dominant, Centroid Wavelengths and Luminous Efficiency vs. Forward Current
508,0
Wavelength (nm)
335,0
Luminous Efficiency (lm/W)
330,0
507,0
325,0
506,0
320,0
Ldom vs FC
Lcen vs FC
505,0
315,0
L.E. vs FC
310,0
504,0
305,0
503,0
300,0
502,0
295,0
Forward Current (mA)
501,0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
290,0
100
Рисунок 2.16. Зависимость доминирующей и центральной длин волн и коэффициента
спектральной световой эффективности от прямого тока.
50. Центральная (центроидная) длина волны lcen [nm].
Является «центром масс» интеграла функции F e (l), может дать понятие о симметрии
функции спектрального распределения в соответствии с тем, насколько она отличается от
lmax. В идеальном случае lmax и lcen совпадут.
51. Доминирующая длина волны ldom [nm]. Длина волны монохроматического излучения,
которое при сложении в определённых пропорциях с заданным ахроматическим
излучением
даёт
цветовое
равенство
с
рассматриваемым
излучением.
Чтобы
характеризовать светодиоды, базовым ахроматическим излучением должен быть
стандартный равноэнергетический источник Е с координатами цветности xE = 0,3333, yE
= 0,3333, либо D65 (127 рекомендации МКО) с координатами цветности xD = 0,31271, yD
= 0,32900.
Значение доминирующей длины волны ldom откладывается на линии чистых цветов
равноконтрастного цветового графика МКО и пересечении её прямой, проходящей через
точки, образованные координатами цветности искомого источника и ахроматического
источника. При значительном удалении источника от линии чистых цветов, понятие
56
доминирующая длина волны теряет смысл и совершенно его не имеет для источников
белого цвета.
28,0
471,0
Wavelength(nm)
Wavelegnth(nm)
470,8
27,0
470,6
470,4
26,0
470,2
470,0
25,0
469,8
24,0
469,6
Lmax vs. FC
ФdL(0,5) vs FC
469,4
23,0
469,2
Forw ard Current (mA)
22,0
100
469,0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Рисунок 2.17. Зависимость максимальной длины волны и полуширины спектрального
распределения от прямого тока.
52. Координаты цветности X, Y, Z..
Отношение каждой из трёх координат цвета к их сумме. Являются важной и основной
колориметрической
характеристикой
излучения.
Служат
для
расчётов
других
колориметрических величин и применяются для описания цветовых характеристик
светодиодов в спецификации, где фигурируют границы сортировки (биновки) или
необходимость
однозначного
указания
цветности
(например,
для
монохромных
светодиодов).
53. Температурная зависимость доминирующей длины волны ldom (Ta).
Изменение доминирующей длины волны при фиксированном прямом токе светодиода в
зависимости от окружающей температуры. Рисунок 2.19
54. Температурная зависимость координат цветности X, Y, Z(Ta).
Изменение координат цветности при фиксированном прямом токе светодиода в
зависимости от окружающей температуры. (рисунок 2.18).
55. Зависимость доминирующей волны от угла излучения l dom (W ).Отражает изменение
доминирующей длины волны от угла излучения светодиода. Справедлива для
монохромных светодиодов (рисунок 2.21.).
56. Зависимость координат цветности от угла излучения X, Y, Z (W ).(рисунок 2.20.б)
57
0,9
Y
525 нм
515 нм
535 нм
0,8
540 нм
550 нм
+55 град.
0,7
-60 град.
505 нм
+25 град.
0,6
ЖД стандарт
Общая зона цветности
Автодорожный стандарт
0,5
0,4
495 нм
0,3
Х
0,2
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
Рисунок 2.18 Температурная зависимость координат цветности. Указаны границы зон
цветности.
Отражает изменение координат цветности от угла излучения светодиода. Зависимость
справедлива для любых светодиодов. В основном характеризует равномерность цветности
белых светодиодов на основе синего кристалла и люминофора. Косвенно может отражать
качество нанесения люминофорного покрытия на кристалл или работу вторичной оптики
в такой системе.
57 Зависимость координат цветности от времени наработки. X, Y, Z(t). (рисунок 2.20.а)
Показывает изменение цветности светодиода, выраженное в изменении координат
цветности в процессе эксплуатации.
58. Зависимость полуширины спектрального распределения излучения от прямого тока Fe
Dl0,5 (If) (рисунок 2.17).
59. Зависимость максимальной длины волны от прямого тока lmax (If). (рисунок 2.17.)
60. Зависимость доминирующей длины волны от прямого тока ldom (If) (рисунок 2.16.).
61. Зависимость центральной длины волны от прямого тока l cen (If). (рисунок 2.16.)
62. Индекс цветопередачи Ra
Мера соответствия зрительных восприятий цветового объекта, освещенного исследуемым
и стандартным источниками света, при определенных условиях наблюдения. Отражает
степень идентичности цветовых параметров исследуемого и эталонного источников с
очень близкими цветовыми температурами на уровне зрительного ощущения. В
58
спецификации приводится для светодиодов белого цвета свечения и справедлив для
коррелированных цветовых температур до 3000 - 3200К (близких к источнику типа «А»).
Для более высоких температур смысл Ra теряется. Это связано с отсутствием эталонного
источника, имеющего спектральное распределение «чёрного тела» с высокими цветовыми
температурами, и поэтому невозможность измерения (или сравнения).
524
W ave leng th, n m
523
  dom g . C. n m /d eg .C.
522
521
Ldom
Lma x
Lcen
520
519
518
517
516
515
514
513
512
511
t,d eg .C.
510
-60
-50
-40
-30
-2 0
-10
0
10
20
30
40
50
60
Рисунок 2.19. Зависимость доминирующей, центральной и максимальной длин волн от
температуры.
0,45
Линии цветовых температур
Общая зона белого цвета МКО-31
Плоскость 00-00
Плоскость 00-45
Плоскость 00-75
0,43
0,41
5700h
2856К
2700 K
Source"A"
0,39
3400К
100h
0h
0,37
4000 K
0,35
CCy
5100K
4500K
4900K
5600K
Source"B"
Source"E"
0,33
Source"D65",Sun
5700h
Source"C"
7400K
0,31
9000К
0,29
100h
0,27
100h
0h
10000K
15000K
1000h
2100h
5700h
CCx
0,25
0,26
а)
0,27
0,28
0,29
0,3
0,31
0,32
0,33
0,34
0,35
0,36
0,37
0,38
0,39
0,4
0,41
0,42
0,43
0,44
0,45
0,46
0,47
59
0,45
Линии цветовых температур
0,43
+80deg
Общая зона белого цвета МКО-31
Холодный белый XMLAWT-0-T60-2S0-00-0001
Source"A"
Тёплый белый XMLAWT00-000-000-00LT30E7-7C
0,41
2700K
+45deg
2856К
+80deg
0,39
3400К
0-0
0,37
4000K
4900K
5100K
CCy
0,35
4500K
+45deg
Source"B"
5600K
Source"D65",Sun
0,33
7400K
Source"E"
Source"C"
0,31
9000К
0-0
10000K
0,29
0,27
15000K
CCx
0,25
0,26
0,27
0,28
0,29
0,3
0,31
0,32
0,33
0,34
0,35
0,36
0,37
0,38
0,39
0,4
0,41
0,42
0,43
0,44
0,45
0,46
0,47
б)
Рисунок 2.20. Примеры зависимости координат цветности а) – от времени, б)-от угла
излучения.
31,7
476,2
Ldom, nm
SLHW, nm
476,1
31,6
476
31,5
475,9
Ldom
SLHW
475,8
31,4
475,7
31,3
475,6
475,5
31,2
475,4
31,1
475,3
475,2
31
475,1
30,9
475
Deg.
474,9
-100
-80
Рисунок 2.21.
-60
-40
-20
0
Зависимость доминирующей
20
длины
40
60
волны ldom
80
и
30,8
100
полуширины
спектрального распределения Dl0,5 (SLHW) от угла излучения светодиода на основе
InGaN/AlGaN/GaN.
60
2.1.4.
Группа
общих
температурных
характеристик,
условий
хранения
и
эксплуатации
63. Температура активной области кристалла Tj [deg.oC].
Наибольшая допустимая температура в активной области p-n перехода светодиода в
течение объявленного срока службы. Либо температура, при которой нормируются
фотометрические, электрические или колориметрические характеристики. При отсутствии
разогревающего действия тока, в импульсном режиме питания, считается, что эта
температура равна температуре окружающей среды. В большинстве спецификаций все
параметры нормируются при температуре активной области +25 град.Ц.
64. Тепловое сопротивление p – n - переход – корпус Rtj-v [deg.oC/W].
Определяет способность отводить (препятствовать отводу) тепла от кристалла и
выражается разнице температур p – n – перехода светодиода и его корпуса. Характеризует
перегрев активной области кристалла относительно внешней части корпуса в отношении к
единице подводимой электрической мощности. В спецификациях приводится для расчёта
теплового режима работы светодиода и размеров радиатора охлаждения, а также для
определения остальных параметров светодиода при использовании с различными
плотностями тока, деградационных зависимостей или предельных режимов.
65. Тепловое сопротивление p – n - переход – окружающая среда Rtj-a [deg.oC/W].
Характеризует перегрев активной области кристалла относительно окружающей среды в
отношении к единице подводимой электрической мощности. Выражается разнице
температур p – n – перехода светодиода и окружающей среды.
66. Диапазон рабочих температур окружающей среды Ta [deg.oC].
Диапазон окружающей температуры, при которой светодиод или светодиодный модуль
может работать в соответствии с техническими условиями.
67. Диапазон температур хранения Tastr [deg.oC].
Диапазон окружающей температуры, при котором могут храниться не работающие
светодиоды или модули на их основе с сохранением параметров, предусмотренных в
соответствующем стандарте или изготовителем или ответственным поставщиком.
68. Температура точки пайки выводов Tsр [deg.oC].
Наибольшая допустимая температура в точке припайки светодиода в течение
объявленного
срока
службы.
Либо
температура,
при
которой
нормируются
фотометрические, электрические или колориметрические характеристики.
Для лучшего понимания взаимосвязей характеристик и наглядности их представления,
далее, в Приложении 2.1. приводится пример расчёта большинства описанных в работе
параметров, основанный на реальных измерениях, где можно будет не только проследить
«дерево» полученных величин, но и оценить их численное значение. Во всех частях
61
Приложения 2.1. фигурирует один и тот же образец (светодиод белого цвета свечения),
где все его измеренные и рассчитанные параметры в комплексе так или иначе связаны
между собой и представлены на этом рисунке. Можно заметить, что все исходные
измерения сделаны в радиометрическом варианте, однако в процессе расчётов выполнен
переход и к светотехническим единицам, тем самым, указывая на их происхождение от
исключительно физических величин – энергетической силы света и мощности излучения.
Общее количество представленных в Приложении 2.1 параметров и характеристик одного
светодиода составляет не менее 50. Все они находятся в такой же системной зависимости,
как и показано в начале работы на рисунке 2.1.
2.2. Концепция и принципы построения системы измерительного оборудования
Концепция
современного
фотометрической
метрологического
лаборатории
предполагает
обеспечения
изучение
научно-практической
максимально
возможного
количества параметров источников излучения, а измерение их характеристик является
одной из самых ответственных частей её деятельности. Поэтому подход к разработке и
созданию оборудования измерительного комплекса был направлен на интеграцию
измерений различных величин в одном месте 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 большинство электронных устройств, механических систем и средств
измерения было разработано и изготовлено специально. Наряду с этим, в рамках
соблюдения федерального закона «Об обеспечении единства измерений» [79] и для
корректности
выполняемых
исследований
с
точки
зрения
связи
полученных
метрологических характеристик с эталонными величинами, основные средства измерения
(СИ) были утверждены как тип СИ и внесены в Государственный реестр средств
измерений и подвергались поверке в соответствии с утверждённой методикой и
Государственной
"Государственная
поверочной
поверочная
схемой,
схема
для
регламентируемой
средств
измерений
ГОСТ
8.023-90
световых
величин
непрерывного и импульсного излучений". Поверка осуществлялась на эталонной базе
Всероссийского научно – исследовательского института оптико – физических измерений
(ВНИИОФИ), держателя Государственных первичных эталонов фотометрических единиц:
силы света – канделы, светового потока - люмена. Указанное метрологическое
оборудование стало основой для создания испытательного центра, решающего как
фотометрические задачи научных исследований и разработок, так и потребности
сертификационных и инженерных испытаний светотехнических изделий, в том числе на
основе полупроводниковых излучающих структур. С целью корректной с юридической и
практической точки зрения возможности участия СИ лаборатории в Государственной
62
поверочной схеме, а также в мегосударственных и международных межлабораторных
сличениях, а также в подтверждение независимости и компетентности, для лаборатории
было создано юридическое лицо – ООО «Архилайт».
Статус лаборатории
Лаборатория «Архилайт» [99] является аккредитованным испытательным центром в
области сертификационных испытаний светотехнических устройств, осветительных
приборов и источников света в системе ГОСТ Р - аккредитована Федеральным
Агентством по Техническому регулированию и Метрологии на компетентность и
независимость и право
проведения таких испытаний (рисунок 2.22.). Область
аккредитации (кратко): лампы накаливания, разрядные, оборудование светотехническое,
осветительные
и
сигнальные
устройства
и
устройства
оповещения,
лампы
светоизмерительные, диоды и излучатели полупроводниковые, стекло техническое,
оборудование
систем
освещения
автомобилей,
тракторов,
мотоциклов
и
сельскохозяйственных машин, арматура светосигнальная, светофоры и прочие средства
для регулирования движения. Аттестат аккредитации - РОСС RU.0001.21МЮ54.
2.2.1. Описание разработанных средств измерений и области его применения.
Сертификация средств измерений и аккредитация испытательной лаборатории
Фотометрическая лаборатория «Архилайт» представляет из себя измерительный комплекс
из 2-х независимых помещений (лабораторий) с отдельными фотометрическими
стендами.
Метрологические
возможности
оборудования
позволяют
выполнять
прецизионные измерения всех необходимых для проектирования светотехнических
устройств величин, а аналитическая часть оборудования – выполнять любые расчёты.
Измерительное оборудование лаборатории ориентировано на измерения параметров
полупроводниковых источников излучения, однако это не исключает возможности любых
измерений традиционных источников света [89,93,100,131].
Основными средствами измерений фотометрических и колориметрических единиц
являются:
Установка для измерения силы света и силы излучения и их пространственного
-
распределения «ФЛАКС-7».
Установка для измерения силы света и силы излучения и их пространственного
-
распределения «ФЛАКС-20».
По
Спектрометрический стенд «Спекорд».
функциональному
назначению,
измерительное
следующими средствами измерения и установками.
оборудование
представлено
63
Рисунок 2.22. Аттестат аккредитации лаборатории «Архилайт».
1. Фотометрические, радиометрические измерения.
Основные параметры: сила света, сила излучения, световой поток, мощность излучения,
угловые характеристики излучения, пространственное распределение силы света и силы
излучения, формирование файлов формата .ies и др.
- Фотометрический стенд «Флакс-20» (измерительная трасса 0,3-20м)
- Фотометрический стенд «Флакс-7» (измерительная трасса 0,1-3,0м)
- Фотометрические головки по ГОСТ 8.023-03.
- Радиометрические головки на основе фотодиодов Hamamtsu
В состав стендов входят трёхкоординатные гониометры с шагом угла поворота 0,02 град.
в двух плоскостях вращения и регулируемым положением оси вращения (третья
координата).
2. Колориметрические и спектральные измерения.
Основные
параметры:
относительное
спектральное
распределение
плотности
энергетической яркости, цветовая температура, координаты цветности, характеристики
спектра (длины волн), спектральная световая эффективность и др.
- Спектрометрический стенд «Спекорд» на основе спектрофотометра Specord-S600. Шаг
измерения ОСПЭЯ (ОСПЭО) – 0,5нм в диапазоне 180-1100нм
64
- Спектроколориметр ТКА ВД
В состав стендов входит эталонная по СПЭЯ лампа.
3. Измерение электрических характеристик.
Основные параметры: коэффициент мощности, активная и реактивная потребляемая
мощность, потребляемый ток, вольт-амперная характеристика и др.
-Измеритель электрической мощности
-Измеритель ВАХ (в т.ч. в импульсном режиме)
-Измерители электрических параметров цепей (универсальные вольтметры)
4. Измерение освещённости.
-Измерители освещённости (люксметры)
В состав средств измерения входят приборы Testo.
5. Другие средства измерения и вспомогательная аппаратура.
-Система прецизионного питания источников излучения.
-Система стабилизации сетевого напряжения
-Измерители геометрических величин (дальномеры, гониометры)
-Измерители параметров окружающей среды.
-Система питания образцов при тестах на наработку (деградационные испытания)
Основные нормативные документы, регламентирующие методы измерений и технические
требования к светотехнической продукции:
- ГОСТ Р 54350-2011 (взамен ГОСТ 17677-82) Приборы осветительные. Светотехнические
требования и методы испытаний.
- ГОСТ Р 55702-2013 Лампы электрические. Методы измерения электрических и световых
параметров.
- ГОСТ 23198-94 Лампы электрические Методы измерения спектральных и цветовых
характеристик.
ГОСТ 25695-91 СВЕТОФОРЫ ДОРОЖНЫЕ. ТИПЫ. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ.
ГОСТ Р 53784-2010 Элементы оптические для световых сигнальных приборов
железнодорожного транспорта.
- ГОСТ 16703 – 79 Приборы и комплексы световые. Термины и определения.
- ГОСТ Р МЭК 60598-1 – 2003 Светильники. Часть 1. Общие требования и методы
испытаний
ГОСТ Р МЭК 60598-2-22 – 99 Светильники. Часть 2-22. Частные требования. Светильники
для аварийного освещения
- ГОСТ Р МЭК 62471-2013 Светобиологическая безопасность ламп и ламповых систем
- Технический доклад МКО "Измерения СИД". Technical report "Measurements of LED's" CIE127-2007.
65
А также документы, регламентирующие требования к средствам измерений и их
аттестации.
- ГОСТ 8.023-03 "Государственная поверочная схема для средств измерений световых
величин непрерывного и импульсного излучений ".
- ГОСТ 8.127-2005. Государственная поверочная схема для средств измерений
спектральной плотности энергетической яркости в диапазоне 0,04 – 0,25 мкм.
- ГОСТ 8.195-89 Государственная поверочная схема для средств измерений спектральной
плотности
энергетической
яркости,
спектральной
плотности
силы
излучения,
спектральной плотности энергетической освещённости в диапазоне 0,25 - 25мкм., силы
излучения и энергетической освещённости в диапазоне 0,2 - 25мкм.
- ГОСТ 8.205-90 Государственная поверочная схема для средств измерений координат
цвета и координат цветности.
- ГОСТ 8.332-78 ГСОЕИ Световые измерения. Значения относительной спектральной
световой эффективности монохроматического излучения для дневного зрения.
- ГОСТ 8.552-86 ГСОЕИ Государственная поверочная схема для средств измерений
потока излучения и энергетической освещённости в диапазоне 0,03 – 0,4мкм
- ГОСТ 8.563 – 96 Государственная система обеспечения единства измерений. Методики
выполнения измерений.
Имеющиеся
нормативные
документы
дополнены
собственными
методиками,
разработанными непосредственно для измерений и расчётов некоторых необходимых
величин.
Компетентность лаборатории соответствует:
ГОСТ Р 51000.4-96. Система аккредитации в РФ. «Общие требования к аккредитации
испытательных лабораторий». Госстандарт РФ, официальная копия документа № 036.637
[80],
ГОСТ
Р
ИСО/МЭК
17025-2000.
«Общие
требования
к
компетентности
испытательных и калибровочных лабораторий» [81].
Назначение.
По функциональному использованию всё оборудование лаборатории делится на 4
части (рисунок 2.23.). 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 из себя фотометрический стенд.
Вторая часть оборудования представлена аналитическим центром. В состав лаборатории
входит стенд для измерения спектральных характеристик на основе спектрофотометра
«Specord» S-600. Последняя группа оборудования предназначена для реализации
необходимых режимов во время наработки образцов с целью исследования деградации
66
параметров излучения и представлена устройствами обеспечения стабилизированного
питания и температурного режима работы источников излучения.
Фотометрические установки
2. Гониометр
1.Фотометр, вход спектрофотометра
Светодиод
Датчик угла
поворота "V"
Датчик угла
поворота "Н"
8.Вольтметр
3.Спектрофотометр
4.Компьютер
5.Источник питания
6. Регистратор значений фотометра и угла поворота
7. Измеритель ВАХ
Рисунок 2.23. Блок – схема фотометрического стенда.
В арсенале лаборатории имеется 2 фотометрических стенда «ФЛАКС-7» и
«ФЛАКС-20», отличающихся своими возможностями по измерению значений силы света
и размеров исследуемых источников, однако для рассмотрения принципов их работы и
метрологических характеристик можно воспользоваться описанием одного из них,
поскольку в отношении методов измерений угловых распределений силы света и её
значений, они аналогичны [101,125].
Все установки располагается в отдельных помещениях, особой конфигурации и
специальной отделки (Приложение 2.2.). Поскольку измерения фотометрических величин
ведутся в непрерывном режиме (что наиболее корректно с точки зрения физики процесса
измерения) без использования модуляции излучения, при котором нельзя проводить
измерения непосредственно при внешнем освещении, очень важным требованием к
данному помещению является полное отсутствие посторонних засветок, отражений от
стен, других поверхностей и посторонних предметов. Поэтому в помещениях
67
лаборатории, на фотометрической трассе все
указанные поверхности отделаны
светопоглощающим материалом, обеспечивающим коэффициенты отражения не более 11,5%. Помимо этого, в конструкции фотометров (радиометров) применена специальная
насадка – бленда, исключающая боковую засветку (рисунок 2.25.в,г). Для наибольшей
эффективности нейтрализации внутренних отражений от стенок насадки во входное окно
фотометра, бленда выполнена с 2-мя внутренними диафрагмами различного диаметра, и
представляет из себя усечённый конус с небольшим углом образующей, у которой
больший диаметр расположен у фотометра. Длина насадки составляет прибл. 30см, вся
конструкция обеспечивает телесный угол зрения фотометрической (радиометрической)
головки, образованный плоским в 5-6 градусов. Другим, не менее важным требованием
является обеспечение необходимого расстояния фотометрирования для выполнения
закона «обратных квадратов» при измерении силы света (силы излучения) и её углового
распределения. Исходя их указанных условий, было спроектировано соответствующее
помещение. Размеры фотометрической трассы в нём обеспечивают измерительную базу
(расстояние от источника излучения до фотометра) до 20 м. Для удобства выполнения
измерений источников со средним значением силы света (500 – 5000кд) и малым
размером
светящей
поверхности
(до
0,3х0,3м)
имеется
отдельная
дистанция
фотометрирования – 14м, со «своим» фотометром. При этом не требуется перенастройка
всего тракта стенда – достаточно лишь скоммутировать соответствующие фотометры. Для
выполнения измерений небольших световых величин (до 300 – 400 кд), применяется
специальный стол, на котором располагается оптический рельс, позволяющий изменять
расстояние фотометрирования в пределах 0,1 – 2,5м. Большинство средств измерения
также располагаются на этом столе в непосредственной близости от двухкоординатного
гониометра, жёстко связанного с поверхностью стола и съюстированного с фотометром
(радиометром), расположенным на рейтере и перемещаемом по рельсу и вторым
фотометром, находящимся в конце трассы. Как говорилось ранее, в качестве фотодатчика
может использоваться как фотометрическая, так и радиометрическая головка [89,93].
Точность измерения расстояния фотометрирования на любой дистанции – не хуже + 1мм.
Гониометр имеет возможность подсоединения к цепям питания и закрепления на
своей поворотной части источников излучения любой конфигурации, размером до 1,6 х
1,8 м. и весом до 50 кг (для возможности измерения светотехнических характеристик
любых светильников и устройств на основе ламп или светодиодов: модулей,
светильников, прожекторов, светоблоков, светофоров и т. д., имеющих большую массу и
размеры). Для исключения влияния механических вибраций при угловым перемещением
гониометра во время измерения и передаваемых стенду от пола здания, стол имеет
значительную (не менее 500 кг.) массу, и особый, регулируемый по высоте для юстировки
68
постамент. Вся конструкция расположена на специальных виброопорах, гасящих
возможные колебания пола и стен. Гониометр установки «Флакс-20» имеет 2
перпендикулярные плоскости вращения измеряемого источника, образуя 2 координаты
сканирования его фотометрического тела. Третья переменная координата установки
пространственного положения источника образована особым устройством безлюфтового
перемещения всей базы гониометра относительно оси вращения поворотной платформы
(рисунок 2.24.).
Рисунок 2.24.. Регулировочное устройство положения горизонтальной оси
вращения гониометра стенда «Флакс-20».
Этим достигается идеальное положение центра вращения и оптического центра
закреплённого на нём источника относительно системы отсчёта координат углового
пространственного перемещения взаимно перпендикулярных платформ гониометра. Для
регистрации значений углов поворота в обеих перпендикулярных плоскостях применены
инкрементные оптические датчики с разрешением угла поворота 0,02град.
Особо
стоит
отметить
возможности
стенда
для
измерений
параметров
люминесцентных ламп и ламп накаливания: помимо определения светового потока
возможно получение диаграмм пространственного распределения силы света, что для
ламп с несимметричным и широким распределением представляет большую сложность.
Получение таких характеристик наиболее актуально, например, для ламп со встроенным
отражателем, светодиодных ламп, автомобильных ламп. Фотометрические установки
укомплектованы несколькими фотометрическими и
69
радиометрическими датчиками, имеющими одинаковый интерфейс для подключения к
контроллеру. Таким образом, можно в зависимости от метрологической задачи
исследования источника излучения оперативно пользоваться необходимым датчиком, не
меняя схемы измерений.
Фотометр (рисунок 2.25.б,в) выполнен на основе фотометрической головки типа ГФ,
разработанной с применением кремниевого фотодиода типа ФД 288 (прошедшего процесс
старения для стабилизации параметров), и скорригированной под функцию видности
глаза
V(l).
Расчет
коэффициента
преобразования
фотометра
для
конкретного
спектрального распределения излучения измеряемого образца позволяет исключить
систематическую составляющую погрешности измерений, связанную с переходом от
источника типа «А» (калибровка эталонной фотометрической головки) к спектру
излучения этого источника. Поправочный коэффициент рассчитывается для каждого
измерения источника, если был изменён его электрический или иной режим. Погрешность
нелинейности фотометрической головки – не более 3%.
Отдельно следует остановиться на радиометрических измерениях энергетических
характеристик
источников
излучения
[133].
Применение
калиброванных
радиометрических датчиков типа ГР (рисунок 2.25.а,г) собственных конструкций на
основе
высокостабильных
фотодиодов
фирмы
Hamamatsu
сводит
к
минимуму
погрешности измерения силы света и расчётов светового потока из-за отсутствия
корригированных под кривую видности V(l) фильтров, применяемых в фотометрах.
Данное обстоятельство наиболее актуально при измерении параметров излучения
полупроводниковых структур в фиолетовой или длинноволновой красной части спектра,
где погрешность фотометров может доходить до 25%, в отличие от 2-3% погрешности
радиометра. Это относится и к корректности измерений характеристик светодиодов,
построенных по системе синий кристалл – люминофор из-за большой доли совокупной
энергии излучения, лежащей в синем диапазоне.
Для устранения возникновения возможных помех в тракте передачи малых значений
фототока от фотометра (радиометра), непосредственно за ним, на расстоянии не более
нескольких сантиметров расположен блок с усилителем сигнала и АЦП. Выходной сигнал
с фотометра на регистратор значений передаётся в цифровом виде. Это обеспечивает
высокую помехозащищённость и верность передачи информации от фотометрической
головки на всём расстоянии фотометрирования, которое, как говорилось, может
составлять до 20 м. Это обстоятельство позволяет измерять очень малые значения
световых величин без опасения искажения при передаче, тем самым существенно
расширяет динамический диапазон установки.
70
а)
в)
б)
г)
Рисунок 2.25.. Радиометрическая - а) и фотометрическая - б) головки установок типа
«Флакс», в, г) - фотометр (радиометр) с блендой.
71
Площадь активного окна одного из фотометров составляет 100 мм2. Это соответствует
требованиям МКО (также МКО предписывается пользоваться двумя стандартными
значениями расстояния фотометрирования – А – 100 мм и В - 316 мм.), однако довольно
стабильная тенденция существенного увеличения силы света источников, и светодиодов в
частности, тяготеет к применению фотометров с меньшей площадью активного окна и
большим расстоянием фотометрирования. В таком случае, меньшая площадь апертуры
фотометра
позволяет
наиболее
точно
измерять
диаграмму
пространственного
распределения силы света по причине малого дискрета угла поворота гониометра (0,02
град или 1,2 угловые минуты) и поэтому вероятности пересечения световых потоков
соседних точек, интегрированных фотометром с большой площадью, будут минимальны.
Это
значительно
повышает
точность
измерения
диаграмм
пространственного
распределения излучения. В практике измерений характеристик источников света в
лаборатории применяются методики собственных разработок или комбинируются с
общепринятыми.
Гониометр имеет датчик угла поворота в горизонтальной плоскости, способный
регистрировать угловое перемещение платформы вместе с закреплённым на ней
источником в размере 1,2 угловой минуты. Также в виде цифрового кода информация с
датчика передаётся в блок регистрации значений, где каждому дискрету угла W
присваивается своё значение силы света Ivi , информация о котором, соответственно,
поступает с АЦП фотометра. Регистратор значений также автоматически определяет
шкалу значений фототока, в пределах которой будет проходить измерение. Далее вся
обработанная последовательность передаётся в компьютер через скоростной USB – порт в
виде таблиц со значениями углов поворота и соответствующим им значениям силы света.
Синхронизация работы системы осуществляется от тактовой частоты компьютера с
помощью специально разработанного программного обеспечения. Скорость регистрации
указанных параметров позволяет измерить диаграмму пространственно излучения силы
света во всей плоскости (поворот на угол 360 град.) с фиксацией порядка 16 000 точек
дискретов (значений силы света) за 2 – 3 секунды. При этом возможно многократное
повторение поворотов гониометра и автоматическое вычисление среднего значения силы
света в каждой точке, независимо от числа прохождения фотометра через неё. С помощью
комбинаций поворотов в 2-х плоскостях закреплённого на гониометре светодиода можно
получить диаграммы углового распределения излучения в любой плоскости, в пределе
получив объёмный вид этой диаграммы и, соответственно, распределение силы света
(силы излучения) в 4p ср.
Основные технические характеристики измерительного стенда «Флакс-20»:
72
Диапазон длин волн:
190 – 1100 nm
Диапазон измерения силы света:
0,01 – 80 000 000 cd
Диапазон измерения силы излучения:
0,1 – 2000 Вт/ср
Рисунок 5. Фотометрический стенд «Флакс-7». Гониометр и общий вид.
Минимальный шаг угла поворота в горизонтальной плоскости гониометра:
0,02 град. (1,2 угловые минуты или 16 400 точек силы света в 360 град.)
Минимальный шаг угла поворота в вертикальной плоскости гониометра:
0,02 град.
Погрешность измерения силы света:
не более 3%
Время измерения углового распределения силы света в 360 град.:
2 - 3 сек.
Стенд позволяет измерять силу света источников излучения в двух рекомендованных
МКО геометриях:
- стандартные условия МКО типа «А» с расстоянием фотометрирования 0,316м;
- стандартные условия МКО типа «В» с расстоянием фотометрирования 0,100м;
Для корректных расчётов световой эффективности светильников в комплекте с
фотометрической
установкой
имеется
измеритель
электрической
мощности,
одновременно контролирующий все электрические характеристики сетевого питания
светотехнических
устройств
во
время
измерений.
Таким
образом,
возможно
одновременное измерение светотехнических параметров и контроль коэффициента
мощности, напряжения и потребляемого тока. Стоит добавить, что в лаборатории
организована стабилизация всего использующегося для питания метрологической
аппаратуры и исследуемых образцов сетевого напряжения с точностью поддержания его
значения ~220В + 0,1%.
Фотометрический стенд второй лаборатории «Флакс – 7» (Приложение 2.3.) по основным
характеристикам
идентичен
первому.
Отличием
является
меньшее
расстояние
фотометрирования (0,1 – 3м) и наличие прецизионных источников тока для питания
полупроводниковых источников излучения.
В комплект стенда входит аппаратура для визуального исследования излучающих
кристаллов и светодиодов на их основе, определения производственных дефектов при
монтаже кристаллов. В совокупности с измерениями фотометрических и электрических
характеристик возможно определение качества большинства технологических операций
73
при производстве полупроводниковых излучающих приборов. Также в гониометре
применена специальная оснастка для подключения и измерения светодиодов любых
конструкций корпусов. Имеется возможность измерения комплекса фотометрических и
спектральных характеристик излучения светодиодов одновременно
с фиксацией
электрических параметров и режимов, вольт-амперных характеристик. Фотометрический
стенд второй лаборатории ориентирован для проведения исследований в области физики
полупроводниковых излучающих структур, реализации научных и производственных
программ по изучению деградации параметров светодиодов, кристаллов и гетероструктур.
Следует отметить, что описанное размещение и укомплектованность оборудования (в
независимых помещениях) позволяет выполнить условие, когда оба стенда могут
использоваться лабораторией одновременно, абсолютно не влияя друг на друга при
проведении любых измерений.
По результатам измерений с помощью описанных стендов, возможно определение
(расчёт)
следующих
светотехнических,
энергетических
и
фотометрических
величин(неполный перечень):
-Сила света в любой точке диаграммы пространственного распределения излучения
источника, Iv [cd]
-Энергетическая сила света в любой точке диаграммы пространственного распределения
излучения источника в диапазоне 185-1100 nm, Ip [W/sr]
-Диаграмма углового распределения силы света (индикатриса, кривая силы света) в любой
плоскости пространства, Iv(W) [cd(deg)] (рисунок 2.26.).
-Световой
поток,
Ф
[lm].
Измерение
светового
потока
выполняется
гониофотометрическим методом, как наиболее точным.
-Распределение светового потока по любым уровням силы света или углам излучения в
пределах диаграммы пространственного распределения, Ф(W) [lm(n*cd)], [lm(deg)].
-Распределение плотности светового потока по углу излучения, rФ(w) [lm/sr)]
- Диаграмма углового распределения силы излучения в любой плоскости пространства,
P(W) [W(deg)]
-Распределение мощности излучения (светового потока) в пределах фотометрического
тела (рисунок 2.27.б), P(W) [W(deg)]
-Угловые характеристики излучения по любым уровням силы света, силы излучения
W(n*Iv) [deg (n*cd)], W(n*P) [deg (n*W)]
-Яркость источника излучения, L [cd/m2]
-Энергетическая яркость источника излучения, L [W/(sr*m2)]
- Мощность излучения интегральная, P [W]
74
- Освещённость поверхности от исследуемого источника излучения на любом расстоянии
от него, E [lx],
- Энергетическая освещённость поверхности от исследуемого источника излучения на
любом расстоянии от него, E [W/m2],
-
Распределение
освещённости
(энергетической
освещённости)
поверхности
в
зависимости от пространственной диаграммы распределения излучения источника
(рисунок 2.27.а) или системы источников на любом расстоянии от него (них), E(W)
[lx(deg)],
-Фотометрическое тело источника,
- Световая эффективность, K [lm/Wel]
- КПД излучения, Kp [Wopt /Wel]
- КПД светильника
Важным дополнением к фотометрической установке является измеритель вольт амперных характеристик (ВАХ) светодиодов и излучающих кристаллов.
Измеритель ВАХ был разработан с учётом возможности измерений подавляющего
большинства электрических характеристик светодиодов. Он представляет из себя
программно управляемый источник тока с его калиброванными значениями. Весь
диапазон рабочих токов до 100 mA разбит на 2 поддиапазона: 0 – 10 mA с возможностью
установки минимального дискрета тока 0,01mA (1000 точек) для более точного измерения
экспоненциального участка ВАХ светодиодов и 0 – 500mA и более с возможностью
установки минимального дискрета тока 0,1 и 1mA.
Прямое падение напряжения на измеряемом приборе по отдельной линии подаётся на
компаратор сигнала и впоследствии поступает на АЦП. Быстродействие ограничено
необходимым временем на формирование импульса заданного значения тока, фиксации
аналогового напряжения на нагрузке, его «оцифрением» и передачей в компьютер в
режиме реального времени.
Также предусмотрена возможность изменения времени измерения между дискретами 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 (рисунок 2.2.) обеспечивается подачей на светодиод
обратного смещения до –20 В.
75
6000
Iv,cd
5500
H 0- 0
V 90- 0
45- 0
0- 45
60- 0
0-60
30- 0
0-30
75-0
0-75
15- 0
0-15
5000
4500
4000
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
Q,deg
0
-100
-80
-60
-40
-20
0
20
40
60
80
Рисунок 2.26. Угловое распределение силы света в основных плоскостях излучения
светильника.
Distribution of surface illumination. E, lx.
Distribution of luminous intensity. Iv, cd.
Height
H = 3m
D - - - - -D
Distance, Lx D , m
D = 0.36 m
Рисунок 2.27.. Распределение освещённости поверхности а) от источника и его
фотометрическое тело - б).
100
76
Однако здесь алгоритм работы устройства меняется на противоположный и заданным
значениям обратного напряжения Ur будут присваиваться соответствующие значения
обратного тока Ir в диапазоне до -500 mA. Обработка результатов измерения производится
по аналогичному принципу, описанному для прямой ветви ВАХ. Обратное напряжение Ur
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 разъём на плате гониометра,
на которую устанавливается светодиод, имеет совместимую с разъёмом источника
питания распайку, поэтому достаточно переключить эти разъёмы 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
люмен-амперную
характеристику
(ЛАХ):
время
установления
термодинамического равновесия работающего светодиода задаётся программой, а
фотометр фиксирует значение силы света через это время.
Имеется опыт по исследованиям зависимостей светотехнических параметров источников
излучения от формы протекающего тока. Возможно исследование временных параметров
импульсного излучения от характеристик модулирующего питающего тока и расчёты
динамического сопротивления и потребляемой мощности (рисунок 2.3.) .
С помощью указанной установки возможно также и косвенное измерение температуры pn перехода кристалла светодиода. Однако следует отметить также, что судить о
температуре р-п перехода можно, изучая спектральные свойства излучения этого
перехода, например по сдвигу максимума спектра излучения. Подобные более или менее
успешные попытки измерения предпринимаются [14,32], но совершенно не могут быть
рекомендованы как инструмент для разработчика, так как требуют детальных знаний о
спектрах применяемых приборов, которые легко могут меняться от случая к случаю в
зависимости от типа применяемых светодиодов или светодиодных кристаллов. На
сегодняшний момент наиболее точным и адекватным следует считать способ измерения
температуры р-п перехода по прямому падению напряжения на переходе при протекании
через него определённого измерительного тока. Известно, что повышение абсолютной
температуры перехода светоизлучающих кристаллов приводит к практически линейному
понижению прямого падения напряжения на переходе во всё интересном для практики
диапазоне температур от -40 град до +120 град. Соответствующий температурный
коэффициент напряжения (ТКН) может зависеть от типа применяемых кристаллов. Для
77
светодиодов, применяемых с целью освещения, т.е. синих светодиодов, покрытых
люминофором, этот коэффициент составляет около 3-4-х мВ на 1град С. У
последовательно соединённых в цепочку светодиодов температурный коэффициент
напряжения (ТКН) всей цепочки будет в соответствующее число раз больше, в
зависимости от количества светодиодов в цепочке. Зная этот коэффициент и измеряя
прямое падение напряжения на переходе при фиксированном измерительном токе можно
с весьма высокой точностью (на практике до долей градуса) судить о реальной
температуре р-п перехода.
Очевидный недостаток такой методики измерения состоит в том, что любой
измерительный ток, протекая через р-п переход, нагревает его и, следовательно,
несколько меняет его текущую температуру в сторону увеличения. Этот недостаток
преодолевается подачей на переход измерительный ток в виде кратковременных,
длительностью в несколько микросекунд, импульсов. Если импульсы подавать на
светодиод достаточно редко, с частотой в несколько Гц, то ни за время действия одного
импульса, ни за длительное время измерений температура перехода измениться не успеет,
точнее, изменится крайне незначительно из-за очень малой мощности, подводимой к
светодиоду в процессе измерений. В то же время, определяя прямое падение напряжения
на переходе в процессе воздействия импульса, можно получить достоверную информацию
о реальной температуре перехода в этот момент. В промежутках между импульсами
измерительного тока на светодиод можно подавать любой допустимый нагревающий
(рабочий) ток, прерывая его только на момент возникновения измерительного импульса.
В описываемой установке измерительный ток может быть выбран по усмотрению
оператора от единиц мА до 1000 мА. Это позволяет работать со светодиодами
практически любых размеров, вплоть до самых мощных. При этом в измерениях можно
независимо устанавливать нагревающий ток в пределах от нуля до 1000мА. Светодиод
подключается к измерительному прибору по четырёхпроводной схеме, позволяющей
исключить погрешность, связанную с падением напряжения на соединительных проводах,
которая оказывается довольно значительной при больших токах.
Другой существенной особенностью разработанной методики является необходимость
каким-либо образом получить сведения о температурном коэффициенте напряжения для
исследуемых светодиодов. Такие данные можно было бы получить при наличии
климатической камеры, которая позволила бы произвести измерения с диодом или
кластером при различных температурах. Однако для определения ТКН отдельных
светодиодов был изготовлен т.н. «термостол», т.е. компактное устройство, позволяющее
поддерживать стабильную температуру небольшой платы со светодиодом в диапазоне от
+10 град. С до +150 град С. Устройство представляет собой небольшую плату из
78
дюралюминия с платиновым температурным датчиком на ней, которая может
подогреваться или охлаждаться при помощи установленных один на другом двух
элементах
Пельтье.
Температура
внешней
поверхности
пластины,
на
которой
закрепляется плата с исследуемым светодиодом, контролируется платиновым датчиком
температуры фирмы Honeywell и специально сконструированным контроллером на базе
температурного контроллера Autonics. Всё устройство позволяет в процессе измерений
программировать контроллер на любое желаемое значение температуры из указанного
диапазона и далее, после достижения требуемого значения, поддерживать температуру
верхней поверхности пластины в пределах +0,2 град. С. Нижняя граница
рабочего
диапазона температур определялась точкой росы, поскольку прибор был открыт и при
достаточно низкой температуре платы, влажность в лаборатории, в виде оседающей на
пластину росы, определяла нижнюю достижимую границу температур. Верхний предел
температур определяется максимальной рабочей температурой перехода. Если удалить
плату со светодиодом с термостола и измерить прямое падение напряжения на ней при
каком-нибудь нагревающем токе, то пользуясь полученным графиком можно легко
установить, какую именно температуру имеет р-п
переход при выбранном уровне
нагрева.
Оба прибора, измеритель прямого падения и «термостол» позволяют определить тепловое
сопротивление отдельного светодиода. Измерение теплового сопротивления требует
выполнения следующей цепочки действий:
1. Измеряется прямое падение напряжения установленного на плате светодиода при
нулевом
нагревающем
токе
и
какой-либо
температуре,
например,
температуре
окружающей среды.
2. После этого на светодиод подаётся какой-нибудь нагревающий ток, например 350 мА, и
вновь измеряется прямое падение на светодиоде.
3. Определяется из известных характеристик (4-5мВ/градус) температура перехода при
пропускании через него выбранного нагревающего тока.
4. Вычислив по протекающему току и прямому падению напряжения на светодиоде
прикладываемую к нему мощность с одной стороны и повышение температуры,
определённое в п.3 с другой, можно легко определить тепловое сопротивление изучаемой
конструкции поделив одно число на другое.
Следует добавить, что конструкция «термостола» позволяет закрепить его на
гониофотометре, расположив исследуемый диод или кластер на пластине 60*60 мм и
произвести любые измерения в контролируемых по температуре условиях, что позволяет
например, проконтролировать данные, предоставляемые производителем в части
79
температурной зависимости силы света и зависимости силы света от уровня тока,
протекающего через диод.
Стенд для измерения колориметрических параметров и спектральных
характеристик
Установка для измерения колориметрических параметров и спектральных характеристик
«Спекорд» (Приложение 2.5.). Стенд построен на основе спектрофотометра Specord S600.
Опорным источником является калиброванная по СПЭЯ галогенная лампа. Стенд имеет
возможность перемещения по обеим лабораториям для измерений спектральных
характеристик на любом расстоянии фотометрирования, а применение дополнительной
прецизионной оптики фирмы Hellma позволяет «вырезать» для измерения очень узкий
сектор потока излучения из всей пространственной диаграммы, что используется при
измерении зависимости спектрального распределения плотности энергетической яркости
от угла излучения. Это достигается близким взаимным расположением оптического входа
спектрофотометра (площадка оптоволоконного удлинителя диаметром 4мм), и входного
окна фотометра (радиометра). Таким образом, одновременно с фиксацией значения силы
света (силы излучения) возможно измерение ОСПЭЯ и получение подробной
характеристики распределения параметров спектра по пространственной диаграмме
излучения (рисунок 2.28.). Последняя функция крайне важна для оценки параметров
люминофорных светодиодов на основе кристаллов InGaN.
Основные технические характеристики измерительного стенда:
Диапазон длин волн:
182 – 1100 nm
Спектральное разрешение во всём диапазоне:
0,5 nm
Воспроизводимость установки длины волны:
не хуже +/- 0.05 nm
Функциоанальные возможности установки:
-Измерение относительного спектрального распределения плотности энергетической
яркости.
Дальнейшая математическая обработка позволяет определить следующие характеристики:
-Относительное спектральное распределение мощности излучения P(l) [A.U.(nm)]
(рисунок 2.15.).
- Абсолютное спектральное распределение мощности излучения (светового потока) (при
соотв. измерении интегральных энергетических единиц излучения) P(l) [A.U.(nm)]
-Координаты цветности X,Y,Z .
80
-Относительную (коррелированную) цветовую температуру T [К].
-Полуширину спектра FWHM [nm]
-Ширину спектра по любому уровню отн. энергетической яркости.
-Индекс цветопередачи Ra (CRI)
-Доминирующую
(относительно
любого
стандартного
источника),
центроидную,
максимальную длины волн: lD, lcen, lmax [nm]
-Спектральную световую эффективность (Коэффициент lm/Wopt)
-Измерение интегральных и спектральных коэффициентов пропускания материалов в
проходящем излучении во всём диапазоне длин волн (185 – 1100 nm)
В
аналитическом
арсенале
лаборатории
имеется
программа
расчёта
индекса
цветопередачи (Ra, CRI), позволяющая определять этот параметр с высокой точностью. И,
хотя расчёт CRI опирается на вычисленное до этого значение коррелированной цветовой
температуры, которое по причине своей относительности не может быть определено
точно, тем не менее, указанная программа позволяет рассчитать индекс цветопередачи
относительно коррелированной цветовой температуры с разрешением в 1 градус К в
диапазоне 1800 - 25000К. Это означает, что если бы ГОСТ 23198-94 не требовал бы
округления полученного значения Ra до целого числа, то в указанном диапазоне можно
было бы получить более 23 000 значений индекса цветопередачи. Стоит добавить, что
помимо самого Ra, возможно получение всех 14-ти его составляющих с такой же
точностью.
0,37
Плоскость 0-0
ссX
Плоскость 0-90
0,365
0,36
0,355
0,35
0,345
Угол, град
0,34
-100
-75
-50
-25
0
25
50
75
100
81
ссY
0,38
Плоскость 0-0
Плоскость 0-90
0,375
0,37
0,365
0,36
0,355
0,35
Угол, град
0,345
-100
-80
-60
-40
-20
0
20
40
60
80
100
0,4
Линии цветовых температур
Общая зона белого цвета МКО-31
Плоскость 0-0
Плоскость 0-90
0,39
3400К
0,38
0-60
60-0
60-0
0-75
0,37
4000K
85-0
75-0
0-45
45-0 0-45
0-75 4500K
45-0
0-85
85-0
5100K30-00-30 4900K
15-030-0
15-00-30
0-15
0-15
CCy
0,36
0-60
0-85 75-0
0,35
5400K
0,34
0-0
0,33
0,32
0,31
Рисунок
2.28.
CCx
0,32
0,33
Зависимость
0,34
координат
0,35
0,36
цветности
температуры от угла излучения. Примеры представления.
и
0,37
0,38
коррелированной
0,39
цветовой
82
В совокупности с гониофотометрическим стендом и комплексом по измерению
электрических характеристик, возможно получение множества зависимостей между всеми
параметрами источников излучения. Таких как зависимости координат цветности и длин
волн
от
угла
излучения
(lmax(W)),
зависимости
цветовых
характеристик
от
потребляемого тока, и другого множества необходимых зависимостей, позволяющих
максимально достоверно оценить работу любого источника излучения (рисунок 2.28.).
Эталонный (образцовый) источник излучения на основе светодиодов
Эталонный источник излучения разработан [100,101] на основе светодиодов и
предназначен для калибровки как собственных измерительных систем, так и для
проведения сравнений (сличений) различных метрологических комплексов, а также
применяется при измерениях с обязательным применением калиброванных источников (в
фотометрическом шаре, в сферическом интеграторе).
Источник передаёт фотометрические, радиометрические и колориметрические единицы
одновременно. Благодаря использованию квазимонохромных светодиодов в качестве
излучателей, эталоном может быть сформировано соответствующее излучение в
диапазоне 300 – 1200 нм с полушириной спектрального распределения 10 – 30 нм. Эталон
также может иметь в своём составе светоголовки с одноцветными или белыми
светодиодами любого оттенка, индекса цветопередачи и коррелированной цветовой
температуры со значением светового потока до 200 лм и косинусной диаграммой
пространственного распределения силы света (светоголовки потока – СП) или со
значением силы света до 10 000кд (светоголовки силы света - СС) с узконаправленной
диаграммой пространственного распределения силы света. Возможно комплектование
эталона светоголовками с УФ, ИК излучением или светодиодами в видимом диапазоне
мощностью излучения до 1Вт. Внешний вид Эталонного источника излучения показан в
Приложении 2.4.
Источник состоит из термостабилизированных светотоголовок и контроллера, задающего
температуру в точке пайки светодиода. В состав каждой светоголовки входит один
светодиод. Контроллер может обеспечивать питанием и контролем температуры
одновременно только одну светоголовку, однако комплектоваться может любым их
количеством для смены задач работы прибора. Замена светоголовки в процессе работы
производится очень быстро: путём подсоединения к разъёму на задней панели
(Приложение 2.4.). Через несколько минут происходит термостабилизация и прибором
можно пользоваться для калибровки.
Каждая светоголовка имеет уникальный номер и паспорт с параметрами, которыми можно
воспользоваться при калибровке измерительных систем одновременно по нескольким
параметрам.
83
Основные декларируемые характеристики / точность передачи единицы:
-
световой поток / менее 3%
-
сила света (осевая, максимальная) / менее 3%
-
пространственное распределение силы света (силы излучения)/менее 3%
-
мощность излучения/ 2-4%
-
сила излучения / 2-4%
-
координаты цветности / до 0,0001
-
все виды длин волн (доминирующая, максимальная, центроидная) / 0,5нм
-
коррелированная цветовая температура (для белых) / 100К
-
индекс цветопередачи (для белых) / 1
Светодиоды, применяемые в светоголовках прошли процесс старения и стабилизации
характеристик в течение не менее 6000ч при номинальных электрических и
температурных режимах.
Оборудование для обеспечения необходимых режимов светодиодов во время
наработки
В процессе наработки одним из самых важных условий является поддержание
стабильности режимов работы светодиодов. Прежде всего, это жёсткая стабилизация тока
питания светодиодов, постоянство значения которого не должно вызывать сомнения на
протяжении всего срока наработки. Любое отклонение от этого условия сведёт на «нет»
все измерения из – за возможности существенного влияния плотности протекающего тока
на деградационные характеристики. Даже незначительное, но долговременное изменение
питающего тока или различие его среди образцов может повлиять на дальнейшее
принятие решения о той или иной причине изменения любого параметра, что приведёт к
неправильным выводам. Также, существенно 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
была применена двухступенчатая схема стабилизации: по напряжению и току. Для
решения обозначенной задачи никакой групповой или иной системы стабилизации
неприемлемо – появление группы приборов, непосредственно связанных по цепи питания,
неизбежно приведёт к их взаимному влиянию друг на друга при изменении параметров в
процессе наработки, как следствие реакции источника питания на эти изменения и в
подтверждение работы закона Кирхгофа. Ввиду большой крутизны вольт – амперной
характеристики, изменение напряжения питания например, всего на 0,05 В приведёт к
84
изменению потребляемой мощности приблизительно на 2% и в такой же пропорции
изменит тепловой режим светодиода, что не может не сказаться при его длительной
работе.
Блок – схема системы питания представлена в приложении 2.8. Она представляет
из себя мощный импульсный источник стабилизированного напряжения, питающий
несколько плат со светодиодами (приложения 2.7.,2.8..). 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 разъёмов. 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 гнёзда. Схема составлена таким образом, что
применённый стабилизатор напряжения известного номинала, работает на резистор,
который задаёт ток в цепи стабилизатор – источник напряжения. Поэтому стабилизатор
напряжения работает в своём 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. Напряжение
питания плат выбрано из расчёта (2.6)
U = Uf + Ust + DU + Ud
(2.6)
Где Uf = 5,5V при If = 80mA, Ust = 5V– напряжение стабилизации стабилизатора,
DU = 2,5V – минимальное падение напряжения на стабилизаторе, Ud = 0,3V – падение
напряжения на входном диоде. При отсутствии светодиода в гнезде соответствующего
стабилизатора, он оказывается обесточенным, при этом остальные могут работать. Стоит
отметить, что такое включение светодиода оправдано ещё и тем, что при любом
катастрофическом отказе стабилизатора, светодиод не окажется включённым в цепь с
повышенным неконтролируемым напряжением и не выйдет из строя. Также каждая плата
имеет свои фильтры, выполненные на электролитическом конденсаторе большой ёмкости
(10000 mF) и нескольких керамических, равномерно распределённых 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, обеспечивая ещё одну
ступень стабилизации. Также, в цепь питания источника напряжения введён источник
бесперебойного питания на случай отключений сетевого напряжения.
85
2.3. Методики измерения и расчёта параметров
2.3.1. Исходные измерения
2.3.1.1. Юстировка стенда
Для обеспечения соосности поворотных систем гониометра, фотометра и
установленного на гониометре светодиода необходимо выполнить юстировку этих систем
относительно друг друга. С помощью лазера, устанавливаемого вместо фотометрической
головки и направленного на гониометр, у которого вместо светодиода закреплено зеркало
таким образом, чтобы его плоскость была параллельна плоскости платы, на которую
устанавливаются светодиоды, находят такое положение поворотной части гониометра,
при котором отражённый от зеркальной поверхности луч независимо от угла поворота,
оставался на одинаковой высоте относительно плоскости стола, и в то же время, точка его
падения на зеркало не перемещалась. То же самое выполняется и при повороте
гониометра в другой плоскости. Оценка качества юстировки и погрешности значения угла
поворота выполняется по следующей методике.
Проверка угловых характеристик гониометра заключается в определении погрешности
результата измерения углов вращения, в соответствующих плоскостях, и выполняется в
следующем порядке:
-
на горизонтальной и вертикальной линиях контрольного экрана, находящегося
на максимально возможном расстоянии от гониометра (в данном случае - 20м.), на
определенных расстояниях от центра (точка пересечения оптической оси с экраном)
выбирается не менее трёх проверяемых точек в каждом направлении;
-
на базовой плоскости гониометра устанавливается лазер, луч которого должен
попасть в центр экрана;
-
вращением гониометра луч лазера совмещается с выбранными в данной
плоскости вращения поверочными точками (не менее 3-х), либо эти точки наносятся в
месте пересечения луча и плоскости экрана после поворота гониометра на известный
угол, снимается отсчет по шкале углов поворота соответствующей плоскости,
результат сравнивается с расчетным, полученным из соотношения (2.7.):
tg α0 = l/L ,
(2.7.)
Где:
α0 – расчетный угол в данной плоскости (град),
l – расстояние проверочной точки от центра экрана,
L – расстояние от центра вращения до центра экрана;
относительное отклонение результата измерения угла поворота рассчитывается по
формуле (2.8.):
qα = (α – α0) / α0
(2.8.)
86
2.3.1.3. Измерение спектрального распределения излучения
Измерение спектрального распределения излучения производится с помощью
спектрофотометра «Specord S-600» составляющего основу установки «Спекорд»
(Приложение
2.5.),
использующего
принцип
разложения
светового
потока
на
составляющие с помощью дифракционной решётки [27]. Исследуемый входящий
световой поток посредством световода (вход световода, расположенный непосредственно
на фотометре показан на рисунке 2.23 и в приложении 2.6.) с помощью зеркала
направляется на дифракционную решётку,
конструкция которой функционально
аналогична призме. Далее, составляющие светового потока направляются на матрицу из
фотодиодов,
которая
представляет
из
себя
набор
элементарных
фотометров,
регистрирующих попадающую на них часть светового потока соответствующей длины
волны. Информация об абсолютной интенсивности спектральных составляющих
светового потока от отдельных элементов и представляет собой функцию распределения
светового потока по длине волны излучения F e (l). Все данные в цифровом виде
передаются в компьютер для последующей обработки и расчётов необходимых величин.
В
данном
эксперименте
для
отельных
измерений
использовались
оба
типа
спектрофотометров с различными матрицами фотометров. Используемый для получения
спектрального распределения вариант, на основе которого велись расчёты коэффициентов
преобразования основного фотометра перед каждым измерением углового распределения
силы света имеет диапазон 190 – 1100 нм и шаг измерения 0,5 нм. Таким образом,
результат измерения - спектральное распределение плотности энергетической яркости
излучения, имеет вид таблицы значений с шагом 0,5нм и числом дискретов во всём
диапазоне не менее 2000. Спектрофотометр имеет собственное программное обеспечение,
с помощью которого осуществляется управление его режимами работы.
2.3.1.3. Расчёт коэффициента преобразования фотометра
Как уже говорилось ранее, необходимость расчёта коэффициента преобразования
фотометра для каждого измерения углового распределения силы света возникает с целью
исключения ошибки в расчёте значения силы света из-за существенного расхождения
образцов одного цвета свечения в параметрах спектрального распределения их излучения.
Данный факт является особенностью измерения светотехнических характеристик
именно светодиодов, как квазимонохроматических источников излучения, чей спектр
имеет малую ширину и поэтому даже при небольшом отклонении от функции
спектрального распределения конкретного образца, оказывает значительное влияние на
значение коэффициента преобразования фотометрической головки, скорригированной под
функцию видности глаза V(l ). Этот момент в измерении фотометрических характеристик
является очень важным [27,29] и поэтому на первый взгляд, значительные затраты
времени на расчёты коэффициента преобразования впоследствии исключат появление
87
ошибки при расчёте светового потока, на котором основаны ключевые выводы по
результатам данной работы. Данные, предоставленные поверителем фотометрической
головки и отражённые в свидетельстве о поверке включают в себя функцию её
спектральной чувствительности S(l) и коэффициент преобразования при условии её
засветки излучением источника типа «А» (рисунок 2.14.) с цветовой температурой 2856 К
и координатами цветности X=0,4476 Y=0,4074.
1
0.8
0.6
Ea ( l )
0.4
0.2
0
400
450
500
550
600
650
l , nm
430
700
700
Рисунок 2.29. Спектральное распределение излучения Ea(l) источника типа «А».
1
0.8
0.6
E(l)
0.4
0.2
0
300
360
400
500
600
l , nm
700
800
900
830
Рисунок 2.30. Спектральное распределение излучения E(l) исследуемого светодиода.
Используемая в эксперименте фотометрическая головка ГФ-6 имеет коэффициент
преобразования по источнику типа «А» Кa =16,75*10-3 mA/lx. Относительно этого
88
коэффициента ведётся расчёт для спектрального распределения конкретного светодиода
[29]. В расчёте используется измеренная ранее (п. 2.3.1.3.) функция спектрального
распределения излучения светодиода (рисунок 2.30.).
Исходя из имеющихся данных, рассчитывается поправочный коэффициент
Кс (2.9.) :
q
ó dN
ô
E(l)× S(l)d l
ô
õq
Kc =
d1
Где
×
qd
ó
ô
ô
õq
q
ó dN
ô
Ea(l)× V(l)d l
ô
õq
d1
qd
ó
ô
E(l)× V(l)d l
ô
õq
N
d1
2.9.
N
Ea(l)× S(l)d l
d1
V(l ) – кривая видности глаза,
E(l ) – спектральное распределение излучения исследуемого светодиода.
Ea(l ) – спектральное распределение излучения источника типа «А».
S(l ) – функция чувствительности фотометрической головки.
Коэффициент преобразования фотометрической головки К рассчитывается по формуле
(2.10.).
K = K c× K a
(2.10.)
где:
Кa =16,75*10-3 mA/lx, коэффициент преобразования по источнику типа «А».
Рассчитанный коэффициент К вводится в программу, которая управляет измерением
углового распределения силы света и рассчитывает его значения для каждой точки
поворота гониометра, формируя функцию этого распределения.
2.3.2. Расчёт колориметрических характеристик излучения
Параллельно ведётся расчёт колориметрических характеристик излучения [101].
Для расчёта координат цветности используются кривые сложения МКО для координат X,
Y, Z (рисунок 2.32.).
Спектр точки Y соответствует кривой видности V(l ).
Координаты цветности рассчитываются по формулам (2.11.) – (2.13.)
a d
ó
ô
ô
õa
X=
a d
ó
ô
ô
õa
d
N
1
d
N
1
a d
ó
E(l)× X(l)d l + ô
ô
õa
E(l)× X(l) d l
d
N
1
a d
ó
E(l)×Y(l) d l + ô
ô
õa
d
(2.11.)
N
1
E(l)×Z(l)d l
89
a d
ó
ô
ôa
õ
Y=
a d
ó
ô
ôa
õ
d
N
d
ó
ôa
õ
E(l)× X(l)d l + ô
1
d
a d
a d
ó
ô
ôa
õ
d
N
1
d
N
a d
ó
ôa
õ
E(l)×Y(l)d l + ô
1
N
d
(2.12.)
N
E(l)×Z(l)d l
1
E(l)× Z(l)d l
(2.13.)
1
a d
ó
E(l)× X(l)d l + ô
ôa
õ
E(l)× Y(l)d l
1
a d
ó
ô
ôa
õ
Z=
N
d
N
1
a d
ó
E(l)×Y(l)d l + ô
ôa
õ
d
N
E(l)× Z(l) d l
1
где:
E(l ) – спектральное распределение излучения исследуемого светодиода.
Y(l) – кривая видности глаза,
X(l ) – спектральное характеристика точки X
Z(l) – спектральное характеристика точки Z.
Далее рассчитывается доминирующая длина волны l dom, как точка пересечения прямой,
проходящей через точку, образованную координатами цветности X, Y и точку с
координатами X=0,3333; Y=0,3333 , известную как равноэнергетический источник
излучения типа «Е» (Рекомендации 127 МКО – [29]) (формула (2.14.)) c локусом МКО, в
котором координаты точек, образующих линию чистых цветов (монохроматических
излучений) соответствуют длинам волн этих цветов (рисунок 2.32.) [29].
Cпектр точки "Х"
1.1
1.783
Спектр точки "Z"
2
1
1.5
0.8
Z( l)
X( l) 0.6
1
0.4
0.5
0.2
0
0
0
350
360
400
450
500
550
l , nm
600
650
700
700
0
300
360
400
500
600
l , nm
Рисунок 2.31. Спектральное распределение кривых сложения МКО 1931.
700
800
900
830
90
Y- y1
× (x - x 1 ) + y 1
X - x1
f( x) =
Где:
(2.14.)
X, Y – координаты цветности
x – аргумент функции, описывающий линию чистых цветов локуса МКО.
f(x) – значение функции, описывающий линию чистых цветов локуса МКО, точка
пересечения с полученной прямой.
у1, х1 – координаты источника типа «Е».
Chromaticity coordinates
Chromaticity coordinates
0.9
x2
x2
x1
0.8
0.084
0.7
0.072
0.6
Y
y2
0.06
0.5
0.048
0.4
0.037
Ldom
y1
Source "E"
0.3
0.025
0.2
0.013
0.1
y2
.10 4
8.8888889
LED
Y
0
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
0.45
0.5
0.55
0.6
0.65
0.7
X
0.75 0.011
0.066
0.076
0.086
0.096
0.11
0.12
0.13
0.14
0.15
0.16
0.17
0.18
0.19
0.2
0.21
X
Рисунок 2.32. Положение координат цветности исследуемого светодиода и методика
определения доминирующей длины волны. Приведены координаты цветности светодиода,
спектральное распределение излучения которого показано на рисунке 2.30.
Для примера представлены колориметрические характеристики светодиода (рисунок
2.17), спектр излучения которого показан на рисунке 2.30.
ldom = 467,835 nm
X=0,1363 ; Y=0,0584
Относительная спектральная световая эффективность K(l) рассчитывается по формуле
c d
(2.15.)
ó
ô
ô
õc
К(l) = 683
где:
H
E (l
) ×V ( l ) d l
d1
S d
ó
ô
ô
õS
X
(2.15.)
E (l
) dl
d1
E(l ) – спектральное распределение излучения исследуемого светодиода.
V(l ) – кривая видности глаза,
В следующем шаге расчёта с помощью программ в пакете Mathcad и Exel определяются
вспомогательные характеристики спектрального распределения:
0.22
91
длины волн lmax и lcen , ширина спектрального распределения по уровню 0,5 Fe Dl0,5 ,
ширина спектрального распределения по уровню 0,1 Fe Dl0,1. Расчёт последних двух
характеристик выполняется методом поиска точек пересечения функции спектрального
распределения и прямых, восстановленных из соответствующих точек на оси уровней
интенсивностей излучения (рисунок 2.33.). Длина волны lcen определяется по алгоритму
(2.16.) – (2.18.)
300
ó
b = ô
E (l ) dl
õ800
(2.16.)
1. Рассчитывается интеграл функции спектрального распределения.
2. Определяется значение аргумента при условии:
300
l g lcen if
ó
ô
F ( l ) d=lb/2.
õ800
(2.17.)
Длина волны lmax определяется как максимальное значение функции F (l).
F(l)glmax, if F (l) = Fmax.
(2.18)
N o rm a lize d In te n sity vs. W a ve le n g th .
Normalized Intensity
1
0 ,9
0 ,8
S p a tia l ra d ia tio n p a tte rn
Lmax
L ce n tro id
L 1 (S L H W )
L 2 (S L H W )
L e ve l 0 ,5
0 ,7
0 ,6
4 7 5 ,9 2
4 4 9 ,9 9
0 ,5
0 ,4
0 ,3
0 ,2
0 ,1
W a ve le n g th (n m )
4 5 9 ,9 5
4 6 3 ,8 8
0
300
325
350
375
400
425
450
475
50 0
525
550
575
600
625
650
6 75
700
72 5
750
775
800
Рисунок 2.33. Положение рассчитанных характеристик спектрального распределения
исследуемого для примера светодиода (рис. 2.30.) на графике.
В общем виде все рассчитанные параметры могут быть сведены в таблицу 2.1.
Таблица 2.1.
Колориметрические характеристики.
Lmax Lсеn L1
L2 FWHM
459, 463, 449, 475, 0,5
25,9
L1
L2 FWHM
X
Y
436, 497, 0,1
60,4 0,13 0,05
Z
Ldom
0,80 467,8
92
2.3.3. Фотометрические характеристики. Измерение углового распределения силы
света и расчёт светового потока
Частным случаем измерения углового распределения силы света является измерение её
значения в одной точке. Совокупность этих точек (значений), соответствующих углу
отклонения W от произвольно выбранной оси и есть функция пространственного
распределения силы света Iv (W ).
Процесс измерения углового распределения силы света состоит в следующем.
Ф о то м е тр 3
Sdф
dф
dфx
Фотометр 2
Ф о то м е тр 2
d ф°
dф
°
dф
°
x
dф
x
dф
x
x
Направление
поворота
Н ап ра вле ни е
п о во ро та
L3
L2
фотометр 3
Sdф
L2
dф
°фотометр 2
L1
L1
Фотометр 1
Ф о то м е тр 1
Источник
излучения
И сто чни к
из л уче ни я
а)
ось
изм ер ен ия
б)
ось
измерения
Рисунок 2.34. Схематическое изображение процесса измерения углового распределения
силы света: а) с минимальным дискретом угла поворота, оптимизации расстояния
фотометрирования и площади фотометра; б) с некорректным выбором минимального
дискрета угла поворота и расстояния фотометрирования.
93
Относительно неподвижных фотометров на некотором расстоянии расположен источник
света (осветительный прибор), закрепленный на гониометре и имеющий возможность
поворота в горизонтальной и вертикальной плоскостях вокруг своей оси на некоторый
известный угол с помощью поворотных устройств [102,103]. Каждому повороту на этот
известный угол приписывается соответствующее значение силы света, которую измеряет
фотометр. Для корректного измерения по этой схеме необходимо одновременное
выполнение трех условий [93,104,131]:
1. Уровень освещенности площадки фотометра должен быть таким, чтобы его
преобразователь находился на линейном участке характеристики.
2. Площадь фотометра должна быть «точечной» по отношению к площади излучения
(геометрическим размерам) источника.
3. Расстояние от источника до фотометра должно обеспечивать соблюдение двух
предыдущих условий.
Все эти условия связаны соотношением (2.19) и являются компонентами закона
«обратных квадратов», когда значение элементарной энергии (освещенности), которую
фиксирует фотометр с площадью Sфà0 изменяется обратно пропорционально квадрату
расстояния с L à∞ от источника. В этом случае освещенность площадки фотометра E [лк]
вырождается в единицу, не зависящую от расстояния — силу света Iv [кд]. (2.19.)
Iv= L2 × i/K
(2.19)
где i — фототок фотометра; L — расстояние до фотометра; К — коэффициент
преобразования фотометра, зависящий от спектра источника излучения и степени
соответствия
функции
видности
глаза
V(l)
характеристики
спектральной
чувствительности фотометра.
Исходя из этих условий и простых физических выводов, нахождение необходимого
расстояния от источника излучения до фотометра для корректного выполнения измерений
не представляет определенных сложностей. Однако на этот счет существует и
рекомендация
в
[102]:
«11.2.2.3.
Расстояние
фотометрирования,
определяемое
расстоянием от фотометрического центра гониофотометра до центра приемной
поверхности фотометрической головки (с учетом отражения от зеркал при их наличии),
должно быть таким, при котором его отношение к максимальному размеру светящей
поверхности светильника составляет, не менее:
десяти — для осветительных приборов с концентрированной кривой силы света; семи —
для осветительных приборов с глубокой кривой силы света; пяти — для осветительных
приборов со всеми остальными типами кривой силы света». Имеются также и
рекомендации МКО для расстояния фотометрирования при измерении силы света
светодиодов. Документ № 127-2007 CIE [29] предписывает пользоваться двумя
94
стандартными значениями: А — 100 и В — 316 мм при площади фотометра 100 мм2.
Стоит отметить, что на этих рекомендациях и построено большинство стандартных
измерительных приборов и установок, используемых производителями светодиодов, на
основе измерений которых они формируют свои спецификации и «даташиты», а также
осуществляют
сортировку
по
параметрам.
Более
подробно
о
проблемах
фотометрирования светодиодов описано в [103].
Однако вернемся к рисунку 2.34., где, помимо источника света, показаны несколько
фотометров и фотометрическая трасса с различными расстояниями. Для удобства
рассмотрения
выбраны
элементарные
световые
потоки
df,
формирующие
пропорциональную освещенность на площадке фотометра. Они заключены в телесный
угол, образованный плоским основанием, равным диаметру площадки фотометра, и при
повороте (угловом перемещении) источника света перемещаются в соответствии с
минимальным шагом угла поворота. На рис. 2.34.а можно заметить, что при одном и том
же угле отклонения источника от оси измерения (повороте), Фотометр 1 и Фотометр 2
оказываются в разных условиях фотометрирования (условиях освещенности потоками
df0, df1, df2). Фотометр 2, находящийся на гораздо большем расстоянии L2 с каждым
шагом поворота освещается разным световым потоком df, не пересекающимся с
предыдущим и не имеющим с ним разрыва и являющимся его продолжением. В то же
время отсутствуют участки диаграммы, не охваченные фотометром, а следовательно, с
незафиксированной силой света, как на рисунке 2.34.б, где шаг угла поворота a слишком
велик, и Фотометр 2 фиксирует только один из шести условных df. Это особенно
нежелательно при условии, что значения df0, df1, df2, df3 и т.д. не равны (а это бывает в
100% случаев — как теоретически, так и на практике), т.е. значения силы света в этих
точках различны. Однако Фотометр 1 при том же угле поворота практически несколько
раз фиксирует одно и то же значение силы света, находясь одновременно в режиме,
близком к пределу своего динамического диапазона из-за довольно большой разницы
сигналов в максимуме и минимуме диаграммы. В этом случае он каждый раз интегрирует
части соседних потоков, и поэтому возникает большая ошибка в измерении как самого
значения силы света в большинстве точек углов поворота, так и, как следствие, различных
угловых характеристик по разным уровням Iv и особенно светового потока. Таким
образом, получается, что расстояние фотометрирования L2, при котором элементарные
потоки df0, df1, df2 (рисунок 2.34.а) не пересекаются, является оптимальным для
измерения пространственного распределения силы света данного источника излучения с
минимальной ошибкой, в пределе определяемой только точностью фиксации угла
поворота и погрешностью фотометра. Однако здесь имеется еще и Фотометр 3, площадь
95
которого существенно (в девять раз) больше площади Фотометра 2. Находясь на большем,
чем Фотометр 2 расстоянии, тем не менее, он также одновременно засвечен всеми
потоками df0, df1, df2, образующими на рис. 6а суммарный поток Sdf. Таким образом,
измеренная им сила света окажется результатом интегрирования элементарных потоков и
ее значение будет одно, вместо девяти различных. На сноске к рисунку 2.34. наглядно
показана разница в пятне засветки различающихся по площади Фотометров 2 и 3,
указывающая на существенное различие в разрешении измерения силы света. Отсюда
совершенно понятно, что каким бы ни был малым минимальный угол поворота
гониометра, он не сможет обеспечить физическое разрешение диаграммы по этому углу с
фотометром такой площади. Таким образом, все перечисленные обстоятельства — это и
есть подтверждение трех условий корректности измерений, описанных выше. Другими
словами, для обеспечения высокой точности фотометрических измерений необходимо
выбрать такое расстояние фотометрирования и такую площадь фотометра, чтобы, с одной
стороны, каждый последующий шаг угла поворота обеспечивал новый элементарный
поток, освещающий фотометр, а с другой — не позволял формировать разрывы между
соседними df0, df1, df2, df3 (рис. 2.34.), т.е. угол поворота должен быть в приближении
равен телесному углу, образованному плоским с основанием, равным диаметру площадки
фотометра. Только тогда мы получим корректно измеренное фотометрическое тело
источника с заданным физическим разрешением и рассчитаем производные единицы
(световой поток) с предельно высокой точностью. Стоит отметить, что именно описанные
условия фотометрирования лежат в основе построения описанных ранее установок
«Флакс» [99], где простой расчет геометрических размеров фотометрических трасс и
соответствующих характеристик фотометров показывает, что заявленное физическое
разрешение измерения силы света с шагом угла поворота 0,02о обеспечено: при длине
трассы порядка 20 м площадь фотометра составляет менее 40 мм2. Практика измерений
силы света и ее пространственного распределения гониофотометрическим методом, а
также расчетов светового потока при отклонении от обсужденных условий даже в
небольшой степени, свидетельствует о возможности получения ошибки до 20% (как
правило, в большую сторону), что сравнимо с точностью измерений в сферическом
интеграторе, а некорректные измерения узконаправленных источников света искажают
расчеты потока в разы.
Другими словами, рассчитанная по формуле (2.19.) единица является ни чем иным, как
освещённостью поверхности и может именно так характеризовать её взаимодействие с
источником излучения, но из-за малости телесного угла df , в котором сосредоточен,
соответственно очень малый световой поток dF и площади фотометра Sф, может
96
считаться отдельной единицей, характеризующей световой поток dF в любой точке
пространства, содержащего излучение. В реальном фотометре, где учитывается
спектральное
распределение
излучения
светодиода,
относительная
спектральная
чувствительность фотометра, его площадь, и расстояние до источника излучения,
соотношение (2.19.) выглядит так, как показано в (2.20.).
2
L ×i
dF
Iv=
=
K
Sф
(2.20.)
где i – ток фотометра, Sф - площадь фотометра, L2 – расстояние до фотометра, К –
коэффициент преобразования фотометра, зависящий от спектра источника излучения и
соответствия
функции
видности
глаза
V(l)
характеристики
спектральной
чувствительности фотометра (рисунок 2.31.).
Или подробно и наиболее обобщённо (2.21.):
q
q
q d dN
q dó dN
ó
óô N
ó N
ô
ôl ô ( ) Ea
(
)
(
)
l
×
l
d
V
E
(
)
(
)
)d)l× S(l) dl
l
×
l
l
d
S
E
Ea l × V(l(l
ôô
ô ô
õõ
õq õq
qq
d1 d1
L2× i × d1d1
×
×
Iv == К
qqd
qd q
а
ó NdN
ó N dN
ôó
ô ó ( ) ( )
E(l)× V(l)d l
ô Ea l × S l d l
ôô
ô
E(l)× S(l) dõl
Ea(l)× V(l) dl
õô
qd
qdô
1
1
õq
õq
d
d
где:
1
(2.21.)
1
V(l ) – кривая видности глаза,
E(l ) – спектральное распределение излучения исследуемого светодиода.
Ea(l ) – спектральное распределение излучения источника типа «А».
S(l ) – функция чувствительности фотометрической головки.
Кa =14,35*10-3 mA/lx, коэффициент преобразования фотометра по источнику типа «А»
(данные результатов очередной поверки).
i – ток фотометра.
L– расстояние до фотометра.
Qd – видимый диапазон длин волн.
Формула (2.21.) используется программой компьютера для расчёта значения силы света в
каждой точке измеренной диаграммы углового распределения
при поступлении информации о токе фотометра i.
Таким образом, выполнив описанные действия и расчёты, функция углового
распределения силы света Iv (W ) принимает вид, например, показанный на рисунке 2.26.
97
Как указывалось выше, измерение диаграмм углового распределения силы света
производится в шести плоскостях. Это необходимо для наиболее точного расчёта общего
светового потока и его пространственного распределения по различным уровням
интенсивности излучения (силы света) для последующей оценки перераспределения его
плотности по объёму диаграммы в процессе деградации.
На основе полученных функций Iv (W ) рассчитывается световой поток F для каждой
плоскости по следующему алгоритму (2.22.) - (2.24.) :
-W
ó
F1 = 2p ×ô
õ0
I (W ) ×sin(W ) dW
(2.22.)
W
ó
F2 = 2p ×ô I(W ) ×sin(W ) dW
õ0
(2.23.)
F 1+F 2
F =
(2.24.)
2
Соответственно, общий световой поток светодиода будет (2.25.):
SF = (F1 + F2 +…+F6 ) / 6
(2.25.)
Далее, вычисляются угловые характеристики полученных диаграмм по различным
уровням силы света. Для этого, либо в пакете программ Ms. – Exel, либо непосредственно
в общей программе расчёта величин, составленной в пакете программ Mathcad по
алгоритму (2.26.):
I max :=
x ¬ I (-W )
for W Î -W , 0.001 deg - W .. W
x ¬ I (W ) if I (W ) > x
(2.26.)
x
находится максимальное значение функции Iv (W ) - Ivmax , относительно которого ведётся
расчёт угловых характеристик 2 W 0,5Iv и 2 W 0,1Iv . В общей программе расчёта величин, в
пакете Mathcad, алгоритм вычисления выполняется с помощью функции «root», например
(2.27.) :
æ
è
I max
æ
è
I max
q l := root ç I( x) q r := rootç I( x) -
10
10
ö
ø
, x, -W , 0÷
ö
ø
, x, 0 , W ÷
(2.27.)
98
Угловыми характеристиками светодиода в случае описываемого эксперимента будут
считаться усреднённые по шести измеренным плоскостям излучения. Данные измерения и
расчёты, как говорилось выше, проводятся для каждой точки временного отрезка
наработки (п. 2.2.1.) и имеют вид семейства характеристик углового распределения как
показано на рисунке 2.26., представляя из себя усреднённые кривые шести плоскостей в
каждой точке указанного временного отрезка. По результатам этих данных могут быть
получены деградационные характеристики различных параметров. В частности, наиболее
значимыми в пределах концепции данного эксперимента будут зависимости осевой силы
света, светового потока и его пространственного распределения, а также угловых
характеристик от времени наработки. Некоторые деградационные зависимости удобнее
рассматривать как семейство характеристик. Функция распределения светового потока по
углу излучения рассчитывается с помощью формул (2.22.) - (2.24.), где интеграл имеет
ограничение по углу, соответствующего рассчитанному по формуле (2.27.): (2.28.) –
(2.30.). Таким образом, возможен расчёт распределения светового потока по углу
излучения F (W ) с любой точностью, стремящейся к минимальному элементарному,
ограниченному только лишь возможностью фиксации угла поворота датчиком гониометра
– 0,1о. Однако в нашем случае расчёт производился по 10-ти уровням силы света (10-ти
углам по этим уровням – рисунок 2.9.): этого вполне достаточно для оценки изменения
угловых характеристик в процессе наработки.
- Wn
ó
F1n = 2p ×ô
õ0
I (W ) ×sin(W ) dW
(2.28.)
Wn
ó
F2n = 2p ×ô I (W ) ×sin(W ) dW
õ0
SFn =
F 1n+ F 2n
2
(2.29.)
(2.30.)
Совокупность значений SFn составят функцию F (W ), которая может иметь вид
зависимости распределения светового потока по уровням силы света или непосредственно
по углу излучения светодиода.
Плотность светового потока в пределах рассчитанных угловых характеристик можно
рассчитать по формуле (2.31.).
rF = SFn / df
(2.31.)
99
где:
df - телесный угол, образованный рассчитанными углами распределения силы света по
некоторому уровню.
SFn – световой поток в пределах телесного угла df .
В случае необходимости, возможен переход от светового потока к мощности излучения.
Для этого можно воспользоваться формулой (2.32.).
P = F / K(l)
(2.32.)
где:
F - световой поток, рассчитанный по формулам (2.28.) - (2.30.).
K(l ) - спектральная световая эффективность, рассчитанная по формуле (2.9.).
Соответствующим образом возможен переход к функции пространственного
распределения мощности излучения. Однако при точных расчётах мощности в отдельных
частях диаграммы необходимо учитывать зависимость спектральных характеристик от
угла излучения (рисунок 2.21.), которые формируют функцию распределения K(l )(W ). В
приближённом варианте, вид зависимостей мощности от различных параметров будет
совпадать с соответствующими характеристиками светового потока. Однако этот факт не
является абсолютным при рассмотрении деградационных характеристик светового потока,
из-за непропорционального потоку изменения спектрального состава излучения в
различных точках диаграммы пространственного распределения со временем наработки.
Другой вид деградационной зависимости светового потока показан на рисунке 2.13.
Однако наиболее показательными являются диаграммы распределения светового потока,
показанные в приложении 2.9. и рассчитанные по формуле 2.25 на основе данных,
которые являются плоской проекцией объёмной диаграммы излучения кристалла
(рисунок 2.27). Здесь хорошо видно, как перераспределяется световой поток по углу
излучения в зависимости от времени наработки. Кривые получены отношением к
распределению при наработке 0 часов. В совокупности с диаграммами на рисунке 2.13,
можно получить полную картину изменения светового потока во времени.
Кривые в приложении 2.9. позволяют оценить количественную характеристику
изменения светового потока в различных частях диаграммы пространственного
распределения излучения непосредственно в абсолютных и относительных единицах. Эти
характеристики получены расчётом светового потока в пределах небольших телесных
углов, на которые разбит весь сектор сферы, в котором происходит распределение
плотности светового потока светодиода.
100
2.3.4. Электрические характеристики. Измерение и расчёт электрических и
электрофизических характеристик светодиодов
Непосредственно во время измерения светотехнических характеристик, после
установления термодинамического равновесия измеряется значение прямого напряжения
Uf
на рабочем токе (80 mA) вольтметром 8 на рисунке 2.23 в статическом режиме.
Результаты измерений в разных точках временного интервала наработки составляют
деградационную характеристику прямого напряжения, которая может выглядеть как на
рисунке 2.5.
Измерение прямой вольт - амперной характеристики (ВАХ) производится по
методике, описанной в пункте 3.2.2. также для каждого временного интервала.
Установлен режим измерения с минимальной длительностью импульса тока и
минимальным интервалом между импульсами, обеспечивающий его «неразогревающее»
действие. Шаг дискрета измерения – 1 mA, диапазон 0 – 80 mA. Поэтому значения
прямого напряжения Uf
в случае его фиксации непосредственно при измерении
светотехнических характеристик и в этом варианте при одном и том же токе будут
несколько отличаться. Непосредственно после этого, измеритель ВАХ переходит в режим
измерения обратной ВАХ. Выбран шаг дискрета измерения -1 V, диапазон 0 - -10 V.
Построение семейства прямых и обратных ВАХ отражает динамику изменения
электрических характеристик со временем наработки (рисунок 2.4.). Необходимые
производные величины могут быть рассчитаны по формулам (2.33.) - (2.36.).
Потребляемая электрическая мощность.
Pdis = Uf If
(2.33.)
Световая эффективность.
F (Pdis) = F / Pdis
(2.34.)
Динамическое (дифференциальное) сопротивление светодиода.
Rdyn = dUf / dIf
(2.35.)
КПД светодиода.
h = P / Pdis
(2.36.)
101
Для оценки и сравнения динамики изменения поведения ВАХ и люмен – амперной
характеристики (ЛАХ) F (If) со временем наработки выборочно проводится измерение
ЛАХ непосредственно на фотометрическом стенде путём переключения разъёма от
источника питания на измеритель ВАХ на плате светодиода гониометра. Светодиод
установлен в плату, а направление его излучения (область физической оси) совпадает с
осью фотометра. Далее, программно изменяя прямой ток If с помощью измерителя ВАХ
(рисунок 2.23.) в режиме с временной паузой между импульсами 3 - 4 мин. и со значением
тока в паузе, равного значению предыдущего дискрета (постепенное пошаговое
увеличение тока), по истечении установленного времени паузы, фотометром фиксируется
значение силы света (характеристика Iv (If)) и измеряется угловое распределение силы
света в шести плоскостях (по методике 2.3.1.4.) для возможности получения зависимости
F (If) . Данные этого измерения также используются для анализа изменения
пространственного распределения светового потока при различных плотностях тока через
кристалл в различное время наработки и связи этого перераспределения с возможным
изменением конфигурации ВАХ. Аналогичные измерения, расчёты и анализ производятся
и для кристаллов без оптики (методика 3.2.1.) с целью сопоставления пространственного
перераспределения светового потока самого кристалла и светодиода в сборе.
Далее производится расчёт световых потоков по методике 2.3.1.4. для различных
токов и построение семейства характеристик пространственного распределения светового
потока при различном времени наработки светодиода) и различных токах через кристалл.
Таким же образом производится измерение характеристик и их анализ у светодиодов,
исследуемых по программе изучения механизма деградации при различных плотностях
тока через кристалл. К описанным выше зависимостям в этом случае добавляется
характеристика F (W )(rIf ), построенная для разных дискретов времени наработки.
102
Глава 3. Исследование деградации параметров светодиодов
Методика подготовки и проведения эксперимента по изучению деградации
Описание эксперимента
В данном разделе будут описаны методики проведения экспериментов по
изучению комплексов (систем) характеристик светодиодов в процессе деградации
(наработки),
измерения
и
расчётов
параметров,
основанные
на
реализованном
эксперименте, начатом в [84]. Наиболее важной частью предложенного эксперимента
является расчёт большого числа производных величин, которые в совокупности с
исходными, измеренными, позволят максимально полно описать картину изменения
характеристик светодиода в процессе наработки и, соответственно, достоверно ответить
на вопрос о причине возникновения этих изменений. Как уже говорилось выше, основным
в системе указанных параметров будет световой поток F. Детальное наблюдение за его
изменением в процессе длительной наработки именно с целью сопоставления с физикой
работы структур и в столь масштабном варианте не производилось из – за относительной
«непоказательности» этой зависимости для пользователя светодиодами чтобы объяснить
картину происходящих изменений в светотехнических параметрах, к которым привязаны
большинство спецификаций на светодиоды. «Интегральность» этого параметра не
позволяет проследить за изменениями угловых характеристик и значений силы света на
разных участках диаграммы. Однако именно световой поток является наиболее
корректной величиной с точки зрения физики работы излучающей структуры, и тем
самым
сделать
изучение
причин
деградации
более
частным
и
способным
дифференцировать эти причины, относящиеся только к энергетическим. В то же время,
при необходимости можно легко перейти к характеристикам мощности излучения,
используя данные измерения спектрального состава. Следует также отметить, что
предположение о том, что в процессе наработки изменяется значение силы света в
определённых точках диаграммы направленности излучения структуры, но не изменяется
значение светового потока при этом, а только лишь перераспределяется его плотность в
пространстве диаграммы распределения, обязано именно изучению поведения светового
потока [84]. При этом важно иметь в виду, что перераспределения мощности излученияв
описанном случае может быть совсем другим, не таким как перераспределение потока
(так как возможно пропорциональное этому изменение спектра излучения по
фотометрическому телу, рисунок 2.21.), подчёркивая уже совсем иной эффект. Поэтому,
существующие в настоящее время результаты исследования деградации по методу
фиксации значения силы света в определённой точке индикатрисы излучения,
спектрального распределения или измерения мощности излучения, не отражают всей
картины происходящих в излучающей структуре изменений в процессе наработки, а то и
103
являются, в некоторой степени, ошибочными, и формирующими неправильные выводы. В
дополнение к сказанному, следует отметить, что столь масштабное исследование
поведения светового потока во времени достигается применением современных
высокоточных средств измерения, совершенных методик проведения экспериментов и
передовых программ обработки результатов.
3.1. Наиболее общая методика подготовки и проведения эксперимента по изучению
деградации
1. Отбор
образцов
для
исследования,
обладающих
наиболее
типичными
характеристиками для данного типа светодиодов.
2. Разработка схемы измерения необходимых параметров.
3. Создание измерительной установки.
4. Разработка и создание аппаратуры для формирования необходимых условий и
режимов для последующей наработки светодиодов.
5. Разработка необходимых программ для расчётов производных величин и
обработки результатов измерений.
6. Проведение измерений по установленной в п. 2 схеме.
7. Наработка светодиодов в выбранном режиме. Ускоренная; при различных
факторах окружающей среды; сравнительная на разных электрических режимах;
стандартная (рекомендованная производителем), в режиме реального времени.
8. Обработка результатов измерений. Выводы по эксперименту.
3.2. Последовательность и порядок измерений в ходе эксперимента
Структура
описываемого
эксперимента
подразумевает
измерение
максимально
возможного количества параметров светодиодов, как условие для получения наиболее
достоверного ответа на вопрос о причинах и природе механизмов деградации излучающих
структур на основе твёрдых растворов AIIIBV. Однако самым важным является
нахождение
связи
в
изменениях
электрических
характеристик
с
изменениями
светотехнических в процессе деградации. Поэтому основной упор был сделан на
измерение
этих
параметров
при
одинаковых
условиях
и
в
одинаковых
последовательностях в каждой временной точке. Некоторые величины и зависимости
были измерены в двух режимах: импульсном, исключающем разогрев структуры и
статическом, учитывающем этот фактор. Благодаря достаточно симметричной диаграмме
пространственного распределения излучения светодиодов, сформированной применённой
оптической системой, предварительные (тестовые) расчёты светового потока показали,
что
для
его
достоверного
расчёта
достаточно
результата
измерения
углового
распределения силы света в шести плоскостях. Было установлено, что этот расчёт
104
отличается от результата, основанного на измерении 18-ти плоскостей всего на 3 – 5%.
Некоторые параметры имели вспомогательное значение, но их измерение было
необходимо, например, для проведения расчётов коэффициентов преобразования
фотометра [27,89]. Как и основные данные, эти также возможны для применения в
сравнении и построении деградационных зависимостей. Исходя из этого, в процессе
разработки эксперимента были выделены следующие параметры, входящие в общую
систему параметров (Глава 2) и порядок их расчёта и измерения.
Группа электрических характеристик
1. Прямое напряжение в статическом режиме (If = 80 мА) - Uf
2. Прямая вольт – амперная характеристика в импульсном режиме - If (Uf).
3. Обратная вольт – амперная характеристика в импульсном режиме - Ir (Ur).
4. Зависимость прямого напряжения от времени наработки Uf (t)
Группа энергетических характеристик излучения
1. Угловое распределение силы света - Iv (W )
2. Световой поток F
3. Угол излучения по уровню осевой силы света 0,5 Iv 2 W 0,5Iv
4. Зависимость силы света от прямого тока Iv (If)
5. Распределение светового потока по углу излучения F (W )
6. Плотность светового потока IvW или F (W ) /df
7. Деградационная характеристика светового потока F (t)
8. Деградационная характеристика силы света Iv (t)
Группа спектральных характеристик излучения.
1. Спектральное распределение энергии излучения Fe (l)
2. Спектральная световая эффективность K(l)
3.2.1. Время, в течение которого велось наблюдение за параметрами, было разбито на
этапы, по завершении которых производился описываемый комплекс измерений, затем
светодиоды снова устанавливались на наработку до завершения следующего этапа.
Порядок разбиения этапов наработки и точек измерения параметров был принят
следующим:
1-я точка -
0 часов
2-я точка –
100 часов
3-я точка –
300 часов
105
4-я точка –
500 часов
5-я точка – 1000 часов
6-я точка – 2000 часов
7-я точка – 3000 часов
8-я точка – 5000 часов
9-я точка – 7500 часов
8-я точка – 10000 часов
3.2.2. В каждой временной точке была реализована идентичная программа измерения
всех светодиодов. Последовательность измерения параметров каждого светодиода
была также строго сохранена независимо от групп светодиодов или времени
наработки.
С учётом данных условий порядок действий над светодиодами и измерений был
выбран следующим (для каждого светодиода):
3.2.2.1. Установка в плату гониометра (приложение 3.15) и выдержка в рабочем состоянии
(80 mA) в течение не менее 5 мин.
3.2.2.2. Измерение спектрального распределения излучения F e (l) в области физической
оси светодиода.
3.2.2.3 Расчёт коэффициента преобразования фотометра для данного спектрального
распределения.
3.2.2.4. Измерение углового распределения силы света Iv (W ) в шести плоскостях:
1. 00 – 00 град. (горизонтальная плоскость)
2. 00 – 30 град.
3. 00 – 60 град.
4. 00 – 90 град. (вертикальная плоскость)
5. 30 – 00 град.
6. 60 – 00 град.
3.2.2.5. Одновременно с этим измерение прямого напряжения Uf при рабочем токе.
3.2.2.6. Измерение прямой ветви вольт – амперной характеристики в импульсном режиме
If (Uf).
3.2.2.7. Измерение обратной ветви вольт – амперной характеристики в импульсном
режиме Ir (Ur).
2.2.2.8. Проведение расчётов величин.
3.3. Описание эксперимента.
Эксперимент включает в себя основную часть, которая предполагает измерения
параметров и изучение их деградационных характеристик по установленной программе и
106
вспомогательную часть, в которой проводятся более детальные исследования некоторых
параметров, требующих углублённого исследования с применением других режимов
измерений,
условий
протекания
наработки
и
образцов
других
конструкций.
Необходимость большинства таких вспомогательных измерений возникла в ходе
проведения эксперимента – по мере обработки промежуточных результатов, и была
выполнена с соблюдением
всех описанных методик и
стандартов.
Также,
к
вспомогательной части эксперимента относится проверка сделанных на базе основного,
выводов о причинах деградации параметров на значительной партии светодиодов, как
факт практического применения результатов исследования.
3.3.1. Изготовление образцов со специальными параметрами для исследования,
технология их производства и отбора
Для получения достоверных результатов исследований и корректности сравнения
параметров разных образцов, а также исключения влияния качества сборки на
деградационные характеристики, производство светодиодов для эксперимента было
выполнено по особой схеме, которая предполагала максимальное соблюдение технологии
сборки приборов с контролем каждой операции и отбором из числа готовых образцов
необходимого
количества
с
предельно
близкими
характеристиками
углового
распределения силы света.
Для нескольких образцов из каждой группы, на которые были разбиты все светодиоды по
различным
признакам,
обязательно
проводились
промежуточные
измерения
светотехнических и электрических величин на разных стадиях сборки образцов. Так,
например,
для
выбора
оптимального
типа
оптической
системы,
применяемой
непосредственно для конкретной конструкции излучающего кристалла, выполнялся
комплекс измерений углового распределения силы света, расчёт светового потока и
угловых характеристик диаграммы направленности излучения на стадии, когда
конструкция состояла только из кристаллодержателя и смонтированного в его лунке
кристалла с приваренной контактной нитью (контактными нитями), затем, когда была
выполнена защита кристалла кремнийорганическим гелем, и наконец, в полностью
собранном виде (таблица 3.1.).
Таблица 3.1.
Светотехнические характеристики светодиода на разных стадиях производства. Один из
шагов в разработке оптической системы светодиода и оценка эффективности
энергетического выхода конкретного типа кристалла при его монтаже.
На плоскости
(Iv\Ivmax)
В лунке без геля
107
0,1
0,045
181,147
1,838
99,728
0,057
112,118
0,674
97,486
0,5
0,226
167,787
1,743
94,578
0,283
58,836
0,350
50,676
0,9
0,408
---
0,193
10,466
0,509
28,605
0,119
17,199
Сила
Угол по
Сила
Угол по
света,
уровню
cd
силы
Световой Относит.
Световой Относит.
поток, lm общего света, cd уровню силы поток, lm общего
потока,
света, deg
света, deg,
потока, %
В лунке с гелем
%
Полностью в сборе с линзой.
(Iv\Ivmax)
0,1
0,051
146,252
0,867
95,129
0,797
29,889
0,735
87,656
0,5
0,253
71,892
0,441
48,369
3,983
18,977
0,461
54,948
0,9
0,456
31,428
0,111
12,193
6,372
11,180
0,206
24,581
Сила
Угол по
Сила
Угол по
света,
уровню
света,
уровню
cd
силы
cd
силы
Световой Относит.
поток, lm общего
потока,
света, deg,
Параллельно
выполнялось
поток, lm общего
потока,
света, deg,
%
измерение
Световой Относит.
светотехнических
%
характеристик
идентичного кристалла, который был смонтирован на специальной технологической
подложке с ровной плоской поверхностью, исключающей влияние первичной оптики в
виде лунки. Данные измерений позволили оценить эффективность оптической системы
светодиода в целом и влияние каждой структурной единицы этой системы (лунки, линзы,
кремнийорганического геля, выбранных значений геометрических размеров частей
системы) на изменение направления распределения и численного значения светового
потока, излучаемого кристаллом. Измерялись также и вольт – амперные характеристики
таких полуфабрикатов с целью отладки технологии сборки приборов в части посадки
кристалла в лунку кристаллодержателя с нанесением токопроводящего клея и
последующей его сушкой и операции приварки контактных проводников. Впоследствии
именно эти измерения показали очень высокую эффективность выявления неточностей
выполнения многих операций сборки светодиодов путём сравнения вольт – амперных
характеристик, последовательно измеренных в процессе выполнения технологической
цепочки производства, а самое главное, максимальную их наглядность для понимания
причин неточностей и поэтому лёгкости их устранения.
108
С целью выяснения кинетики деградационных процессов в самом начале процесса
наработки заведомо не производилась термотоковая тренировка или иные способы
искусственного старения образцов, входящие в технологическую цепочку производства
для выявления дефектов по принципу т. н. «детской смертности».
Как уже упоминалось, образцовые светодиоды предполагалось изучать при
плотности тока через кристалл rIf =100 A/cm2 (прямой ток If = 80mA), поэтому в качестве
кристаллодержателя
была
использована
стальная
штампованная
подложка
с
поверхностным золочением особой конструкции. В центре этого кристаллодержателя
располагается массивный медный выступ, который впрессовывается в основание
подложки под высоким давлением. Этот выступ со стороны монтажа линзовой крышки
имеет лунку специфической конфигурации для посадки кристалла, а другой стороной
значительно выдаётся наружу. Поэтому кристалл, смонтированный в этой лунке, обладает
наилучшими условиями охлаждения, передавая тепло непосредственно массивному
медному выступу, конвекционно охлаждаемому окружающим воздухом и через него
также всей подложке, имеющей большую площадь [16] (размер основания 10 х 10 мм).
Общий вид светодиода на основе этой подложки представлен на рисунке 3.1.
катод
Ключ
катода
Рисунок 3.1. Конструкция - образцовых светодиодов для исследования.
Для исследования были выбраны несколько самых распространённых типов конструкций
кристаллов от известных производителей [12,13], качественные показатели которых не
109
вызывают сомнения и проверены большим опытом использования и исследования их
продукции. Это кристаллы на основе InGaN/AlGaN/GaN на подложке SiC фирмы CREE
типа MBrightTM C470-MB290-E1000 – синего цвета и C527-MB290-S0500 зелёного цвета
(рисунок 3.2), на основе InGaN/AlGaN/GaN на подложке Al2O3 фирмы Epistar типа ESCEGH713 (рисунок 3.3.), на основе AlGaInP на подложке GaP фирмы Epistar типа ESCARL512 (рисунок 3.4), на основе AlGaInP на подложке GaP фирмы Lumileds типа
HWFR-B317 (рисунок 3.5), на основе AlGaInP на подложке Si фирмы Epistar типа ESSAYL814 (рисунок 3.6).
Чтобы получить наиболее общую зависимость параметров тех или иных типов кристаллов
от времени наработки помимо разбиения их на группы по различному составу материала
и подложки, было выполнено также формирование нескольких подгрупп внутри каждой
такой группы, по признаку максимально возможного равенства прямого напряжения Uf
при номинальном прямом токе If = 80 mA, на котором велось дальнейшее исследование и
других характеристик или их сочетанию (Fe(l), Iv), свойственному только данной
подгруппе.
Top
Bottom
c
d
a
b
Данные о размерах (a) Верхняя часть …………………….. 300 x 300 мкм
(b) Высота кристалла…………
……
(c) Верхний контакт ………………….
255 мкм
115 мкм
(d) Нижняя часть ………………………… 215 x 215 мкм
Область P-N перехода ………………… 240 x 240 мкм
Рисунок 3.2. Конфигурация кристаллов CREE MBrightTM C470-MB290-E1000 – синего
цвета и C527-MB290-S0500 зелёного цвета свечения.
110
e
c
a
d
b
Данные о размерах (a) Верхняя часть ……………………. 335 x 370 мкм
(b) Высота кристалла …………………
85 мкм
(c) Излучающая область ……………….. 307 x 330 мкм
(d) Контакт ………………….………….
107 мкм
(e) Контакт……………………….… … 105 x 105 мкм
Рисунок 3.3. Конфигурация кристаллов Epistar типа ES-CEGH713 зелёного цвета
свечения.
a
c
b
Данные о размерах (a) Верхняя часть ………… …………. 280 x 280 мкм
(b) Высота кристалла …………………
160 мкм
(c) Контакт………………….………….
116 мкм
Рисунок 3.4. Конфигурация кристаллов Epistar типа ES-CARL512 красного цвета
свечения.
111
d
a
b
c
e
Данные о размерах (a) Нижняя часть ………………… …. 300 x 300 мкм
(b) Высота кристалла …………………
230 мкм
Контакт
(c) …………..………………….………….
115 мкм
(d) …………..………………….………….
30 мкм
(e) …………..………………….………….
243 мкм
Рисунок 3.5. Конфигурация кристаллов Lumileds типа HWFR-B317 жёлтого цвета
свечения.
Размеры на этом чертеже даны в mil.
Данные о размерах (a) Нижняя часть ………………………. 355 x 355 мкм
Высота кристалла ………………………
170 мкм
Контакт
P…………..………………….…………….
117 мкм
N…………..………………….…………….
117 мкм
112
Рисунок 3.6. Конфигурация кристаллов Epistar типа ES-SAYL814 жёлтого цвета свечения.
Причём, все подгруппы были сформированы из кристаллов, отобранных строго с
одной пластины, но с разных её участков. Количество кристаллов на пластине как
правило, колеблется от 10 до 40 тыс. штук. Из этого количества и выбирались образцы.
При таком выборе было соблюдено условие, что все кристаллы были выращены в
одинаковых условиях и на единой подложке, которая впоследствии была разрезана.
Также, при этом есть уверенность, что у кристаллов с этой пластины будет одинаковое
качество механически обработанных частей и нанесённых контактов [45], т. к. все эти
операции выполнены не только на одном оборудовании и одной сменой персонала, но и с
малой разницей во времени. Все эти моменты немаловажны для чистоты проведения
эксперимента,
в
котором
предельная
идентичность
абсолютно
всех
факторов
производства крайне необходима и является основой, на которой впоследствии будут
сделаны выводы.
Как правило, каждая пластина обладает разбросом характеристик произведённых
из нё кристаллов в зависимости от геометрического расположения кристалла на её
площади [12].
Это обусловлено прежде всего неоднородностью структуры материала пластины,
возникающей в процессе эпитаксии, которая является следствием очень большого числа
причин, например, из – за значительной зависимости скорости роста от температуры в
разных зонах реактора и скоростей потока газов при газофазной эпитаксии из
металлоорганических соединений (ГФЭ МОС), или временной зависимости подачи газов
и равномерности их диффузии в объёме реактора в процессе стадии легирования [6,68].
Поэтому, наиболее близкими характеристиками будут обладать только кристаллы, взятые
из локальной области с минимальной площадью. Однако для эксперимента требовалось
выбрать кристаллы с явно отличающимися параметрами в пределах одной пластины,
чтобы результаты сравнения изменения их характеристик были наиболее очевидными.
Учитывая эти условия, была разработана и реализована методика тестирования пластины
и отбора образцов. Вся пластина с кристаллами геометрически и условно разделялась на 5
частей (рисунок 3.7.). Синим цветом обозначены зоны, из которых производился отбор
кристаллов для образцов. В случае значительного отличия формы пластины от круга, как
на рисунке, разбиение также проводилось на 5 участков с учётом соотношения площадей
зон. Для некоторых пластин потребовалось неоднократное повторение выборки образцов
после результатов тестирования пластин или повторение тестирования с применением
другой пластины, имеющей наиболее подходящий для исследования набор кристаллов.
113
1
2
5
4
3
Рисунок 3.7. Схема разбиения пластины на зоны с идентичными параметрами кристаллов
Далее тестирование пластины проходило по следующему плану.
I.
Проверка внешнего вида
Цель: проверка соответствия габаритных размеров и структуры кристалла параметрам,
заявленным в технической документации на изделие.
Объект и объем тестирования: кристаллы, снятые с пленки; 3 кристалла с
образцовой пластины, взятые в точках, указанных на рисунке 3.7.
Оборудование: микроскоп с увеличением 4х, 10х, 25х.
Процедура тестирования: визуальная проверка и контроль габаритных размеров
кристаллов, размещения и размеров контактных площадок, качества резки, наличия
дефектов травления.
II.
Проверка на качество сварки и пригодность к автоматической сборке
Цель: определение качества омических контактных площадок на кристаллах, проверка
соотношения контрастности облученного светом кристалла для автоматического
распознавания образа и качества сварного соединения кристалл - проводник и проводник
– вывод светодиода.
Объект и объем тестирования: кристаллы, смонтированные на кристаллодержатели
и прошедшие операцию приварки контактных проводников; 5 кристаллов с образцовой
пластины, взятые в точках, указанных на рис. 3.7.
Оборудование: автомат посадки кристаллов, динамометр.
Процедура тестирования:
114
1) проверяется контрастность кристаллов для машинного зрения на автомате посадки.
2) проверяется значение усилия отрыва контактной нити от омического контакта с
помощью специального динамометра (усилие на отрыв должно быть не менее 6 г.
[45]).
III.
Проверка электрических параметров и характеристик излучения
кристаллов, смонтированных на основания.
Цель: проверка характеристик кристаллов на соответствие параметрам, указанным в
технической документации на кристалл, а также проверка совместимости данных
кристаллов с геометрическими размерами различных кристаллодержателей и линз
светодиодов, получение светотехнических параметров кристаллов, смонтированных на
различные основания и определение совместимости диаграмм направленности излучения
с оптическими системами различных линзовых крышек.
Объект и объем тестирования:
А) Кристаллы, смонтированные на основания с использованием токопроводящего клея.
Б) Кристаллы с подложкой на основе Al2O3, посаженные на основания с использованием
нейтральной эпоксидной смолы с коэффициентом преломления, близким к его значению у
кремнийорганического геля.
Выбор кристаллов равномерно производится из средней и боковых частей образцовой
пластины по схеме на рисунке 3.7.
Оборудование: фотометрический стенд.
Процедура тестирования:
Для пункта А):
1) Измерение углового распределения силы света в плоскости, перпендикулярной
верхней грани излучения кристалла, для получения светового потока излучения
с верхней грани.
2) Измерение углового распределения силы света в плоскости, перпендикулярной
4-м боковым граням кристалла, для получения потока с каждой из них и
записью диаграммы излучения кристалла с каждой грани.
3) Вычисление полного потока излучения со всего кристалла на основании
измерений п.п.1 и 2.
Для пункта Б):
4) Измерение углового распределения силы света в плоскости, перпендикулярной
верхней грани кристалла, для получения светового потока с кристалла и вклада
в общее излучение многократного отражения от поверхности лунок оснований
излучения тыльной стороны кристалла.
Для всех пунктов:
115
5) Измерения диаграммы направленности излучения кристаллов, смонтированных
на основания для определения оптимального использования излучения
кристалла с оптической системой светодиодов с различной конфигурацией
оптики.
IV.
Проверка электрооптических параметров светодиодов
Цель: получение диаграммы направленности излучения светодиодов с различными
лунками и линзовыми крышками, определение потока излучения.
Объект и объем тестирования: По результатам изучения результатов тестирования
кристаллов в п. III для каждого типа оптики (сферическая оптика 20, 30 и 60 град)
рассчитывается оптимальная комбинация «основание – линзовая крышка».
Для всех типов кристаллов собираются приборы с линзовыми крышками всех
типов – по 5 шт. для каждого типа линзовой крышки.
Оборудование: фотометрический стенд.
Процедура тестирования: для всех приборов измеряется диаграмма направленности
излучения, вычисляется световой поток.
V.
Испытания светодиодов при различных температурах окружающей среды
Цель: проверка работоспособности светодиодов, собранных на кристаллах с
образцовых пластин, в соответствии с требованиям технической документации по работе
в условиях крайних температур.
Объект и объем тестирования: 20 светодиодов с любыми линзовыми крышками,
собранных с кристаллами образцовой пластины. Выбор кристаллов равномерно
производится из средней и боковых частей образцовой пластины по схеме на рисунке 3.7.
Процедура тестирования:
·
испытания в течение 2 часов при температуре +85°С во включенном состоянии (If.
= 15 mA), измерение приращения прямого падения напряжения, других
необходимых параметров для принятия решения о качестве.
·
испытания в течение 2 часов при температуре -60°С во включенном состоянии (If.
= 20 mA), измерение приращения прямого падения напряжения, других
необходимых параметров для принятия решения о качестве.
Температурные зависимости ширины запрещённой зоны будут вносить подавляющий по
значимости вклад в изменения колориметрических (спектральный состав), энергетических
и других параметров производимого структурой излучения и электрических (прямое
напряжение Uf) характеристик светодиода. Формула (3.1) показывает пропорциональность
функции I(hn) - спектрального состава воспроизводимого структурой излучения – ширине
запрещённой зоны Eg и плотности состояния заполнения в зоне проводимости и
116
свободных состояний в валентной зоне в соответствии с законом распределения Ферми –
Дирака для электронов и дырок, hn - энергия фотона.
I(hn)~n2 (hn -Eg)1/2 exp[-(hn -Eg)k/T]
(3.1)
Изменение ширины запрещённой зоны с температурой связано с двумя эффектами:
термическим расширением кристаллической решётки кристалла и рекомбинацией с
участием кванта теплового излучения – фонона. Влияние термического расширения
решётки обеспечивает примерно 25% наблюдаемой температурной зависимости.
Теоретический расчёт вклада, даваемого этим эффектом, показывает, что ширина
запрещённой зоны при высоких температурах меняется линейно с температурой. У
большинства полупроводников значение Eg уменьшается с ростом температуры (рисунок
3.8.).
Большой вклад в квантовую (энергетическую) эффективность излучения будет вносить и
носящая конкурирующий характер, безизлучательная рекомбинация, зависящая от
температуры приблизительно так, как показано на рисунке 3.9. Квантовая эффективность
определяется как отношение числа возбуждённых носителей, дающих вклад в излучение к
полному числу носителей, участвующих в рекомбинации, и может быть выражена
формулой (3.2):
hq=Rr/R
(3.2)
где Rr и R - скорости излучательной и полной рекомбинации.
Другими словами, внутренний квантовый выход излучения hq - число излучаемых
фотонов на одну электронно-дырочную пару.
В гетероструктурах величина hq теоретически может быть близка к 100%. Для практики,
однако, важнее внешний квантовый выход излучения he - отношение числа излучаемых во
внешнюю среду квантов света к числу электронно-дырочных пар, пересекающих p - n
переход. Он характеризует преобразование электрической энергии в световую и, помимо
внутреннего квантового выхода (hq), учитывает коэффициент инжекции пар в активную
область (g) и коэффициент вывода света во внешнюю среду ho (формула 3.3)
he = ghq ho
(3.3)
Данные зависимости выведены для идеализированных структур, безусловно, на практике
влияние внешних факторов оказывается гораздо большим и носит более выразительный
характер из-за наличия дефектов, неизбежно возникающих при эпитаксии (выращивании
кристаллов) в виде неравномерности распределения легирующих примесей и при монтаже
кристаллов (контактные явления). Как правило, подобные эффекты накладываются друг
на друга и лишь усугубляют результат изменения температуры.
117
1,07
Eg/Eg(320K)
1,06
1,05
1,04
1,03
1,02
1,01
1
0,99
0,98
t,deg K.
0,97
0
50
Рисунок
100
3.8.
150
Тенденция
200
изменения
250
ширины
300
запрещённой
350
зоны
400
450
большинства
полупроводников группы AIIIBV в зависимости от температуры.
Внеш. квантовая
эффектив.%
45
40
35
30
25
20
15
10
5
t, K
0
0
50
100
150
200
250
300
Рисунок 3.9. Приблизительная общая зависимость квантовой эффективности излучения
гетероструктур материалов группы AIIIBV.
350
118
3.3.2. Результаты температурных исследований параметров светодиодов
Электрические характеристики
Столь обширное влияние температуры на подавляющее число характеристик светодиодов,
которые взаимосвязаны, стоит разделить на группы, по природе возникновения и
результату воздействия [15]. Приблизительно так, как формируются спецификации на
светодиоды.
Первой группой параметров являются электрические - зависимости прямого напряжения
Uf светодиода от температуры Ta при неизменном токе If . Здесь же рассмотрим и
изменение потребляемой энергии Pdis , которая также является функцией от температуры.
Эти параметры будут зависеть в основном от характера изменения ширины запрещённой
зоны p-n – перехода. Как и далее, целесообразно рассматривать диапазон температур
окружающей среды, обозначенный
в большинстве спецификаций как такой, внутри
которого сохраняется работоспособность светодиода и верны приведённые значения
величин. Как правило, этот диапазон не бывает менее –60 и более +60 град Ц. Подобные
температуры характерны и для рабочего диапазона, установленного для различных узлов
электронной аппаратуры, выполняющих функцию управления режимом светодиодов.
Представляя прямое напряжение Uf светодиода как функцию от температуры - Uf(Ta)
(рис. 3.11. – 3.15.), необходимо иметь один фиксированный параметр, относительно
которого изменяется напряжение, поэтому здесь речь пойдёт о некотором семействе
зависимостей Uf(Ta), при различных прямых токах If . Отличия в поведении кривых этого
семейства будет состоять в основном в различных степенях теплового действия этого тока
и различной степенью охлаждающей способности кристаллодержателя (конструкции
светодиода), которая не линейна по отношению к изменениям температуры и If . Однако,
на низких температурах это сказывается мало: более влиятельным фактором оказывается
внешняя низкая температура, а перегрев кристалла относительно неё (Ta) становится
менее заметным и не приводит к существенной разнице в поведении кривой Uf(Ta),
несмотря на увеличивающуюся потребляемую электрическую мощность (график на рис
10). Это можно объяснить значительным увеличением внешнего квантового выхода (рис.
3.2) при этих температурах, что приведёт к уменьшению выделения тепла при
рекомбинации. В то время, на высоких температурах увеличение температуры Ta
приводит к цепной реакции: снижается hq (рис. 3.2), уменьшение Uf не приводит к
пропорциональному уменьшению Pdis , охлаждающая способность кристаллодержателя
(конструкции светодиода), значительно снижается из-за малой разницы внешней и
внутренней температур, исчерпывая в пределе лимит теплоёмкости, в результате с
дальнейшим ростом температуры, градиент напряжения уменьшается, стремясь к
119
минимуму, и являясь следствием уравновешенности динамики внутреннего и внешнего
нагрева.
Ввиду существенной разницы во многих показателях у кристаллов с различными
размерами запрещённых зон, материалами состава структуры и подложки, для каждой
группы светодиодов будут как свои зависимости Uf(Ta), так и функции других величин,
поэтому удобно условно разделить это многообразие на четыре группы по цвету
излучения и составу структуры: InGaN/AlGaN/GaN – синие и зелёные, AlInGaP/GaP –
красные и жёлтые отдельную группу составят светодиоды на основе GaAs с
доминирующей длиной волны 642 nm. Для обсуждения зависимостей последующих
величин будет принято такое же деление.
Приведённые ниже графики на рисунках 3.11. – 3.15. показывают, как изменяется прямое
напряжение Uf
при различных прямых токах If
у упомянутых структур. Градиент
напряжения также зависит от температуры и его зависимость показана на нижней части
рисунков, а абсолютные значения отсчитываются по вспомогательной (правой) оси Y. Все
зависимости выведены для реальных светодиодов на основе экспериментальных данных и
с учётом расчётов возможности теплопередачи применённых кристаллодержателей. При
измерениях обозначенных характеристик на больших плотностях тока применялся
светодиод на основе кристаллодержателя, разработанного для применения в приборах с
рабочим током до 80 mA (плотность тока r=100 A/cm2) через кристалл стандартного
размера 250 х 300 х 250 mm, при токах до 30 mA (плотность тока до r=40 A/cm2)
измерения проводились как для такой конструкции кристаллодержателя, так и для
стандартной, применяемой в подавляющем большинстве светодиодов с эпоксидной
оптикой диаметром 5 mm. В обоих типах светодиодов были применены соответствующие
излучающие кристаллы одинаковых конструкций для обеспечения чистоты эксперимента
в части различных тепловых свойств разных конструкций: AlInGaP/GaP для красных и
жёлтых фирмы Lumileds на подложке GaP, InGaN/AlGaN/GaN для синих и зелёных фирмы
CREE MBrightTM на подложке SiC. Результаты экспериментов показали хорошее
совпадение температурных зависимостей прямого напряжения Uf светодиодов различных
конструкций при указанных плотностях прямого тока r, поэтому на приведённых
графиках типы светодиодов не дифференцированы.
Вольт – амперные характеристики измерялись при нахождении образцов в термокамере
(рисунок 3.10.), внутри которой была достигнута заданная температура окружающей
среды (Ta) двумя методами – импульсным действием тока, исключающим разогрев
активной области кристалла и при статическом постоянном токе If , вносящим свой вклад
120
в нагрев. Наибольший интерес представляют результаты второго способа измерения, как
наиболее интересного для пользователей светодиодами с практической точки зрения.
Камера тепла и холода
Прозрачное окно
Светодиод
фотометр, вход спектрофотометра
гониометр
Направление излучения
датчик угла
поворота
Измеритель ВАХ
Компьютер
Источник питания
Спектрофотометр
Рисунок 3.10. Блок – схема экспериментальной установки для изучения температурных
зависимостей светодиодов.
Расположенный внутри термокамеры светодиод, подключён к источнику питания с
возможностью программно изменять ток в диапазоне 0 – 100 mA с минимальным шагом
0,1 mA, и необходимым временем задержки между включением дискретов (возможность
импульсного режима), а также позволяющий формировать обратное напряжение на
излучателе до 30 В для измерения обратного тока Ir. Фиксированным параметром,
относительно которого строятся все зависимости, является ток через кристалл If, поэтому
он жёстко стабилизирован и его величина известна с высокой точностью во время
каждого измерения остальных характеристик. Вольт – амперная характеристика измерена
с шагом изменения тока при каждой температуре – 0,1 mA (1000 значений для 100 mA).
Порядок измерений был выбран следующим.
Температура внутри камеры повышалась до верхнего исследуемого предела (+55 град.Ц.)
и выдерживалась таковой в течение получаса для устранения переходных процессов.
После этого, вступала в действие установленная программа, обеспечивающая следующую
последовательность. Измерялась вольт – амперная характеристика в импульсном режиме.
Далее на светодиод подавалось напряжение питания с током первого дискрета измерения
121
статических характеристик – 1 мА. По истечении 30 секунд (время стабилизации
параметров) происходило измерение спектра излучения с максимальным временем
накопления – несколько секунд (для обеспечения наибольшей точности показаний),
одновременно спектрофотометр получал информацию об относительной интенсивности
излучения, а внутренний вольтметр источника питания присваивал значение прямого
напряжения
установленному
пространственное
току.
распределение
Абсолютные
фиксировал
значения
силы
двухкоординатный
света
и
её
гониофотометр,
поворачивающийся на известный угол относительно оси светодиода в камере с шагом 0,1
градуса. При необходимости снималось несколько плоскостей диаграмм излучения
светодиода для наиболее точного расчёта светового потока и угловых характеристик.
Далее измерялась вольт – амперная характеристика в режиме постоянного прямого тока с
учётом разогрева.
Результаты измерения записывалось в виде файла, содержащего информацию о
температуре, при которой было сделано измерение. Основные типы светодиодов по этой
программе для всех перечисленных параметров также были измерены с применением
импульсного режима питания с неразогревающим действием прямого тока независимо от
его значения. Некоторые результаты подробно описаны в [3,15].
Далее процесс повторялся, но со следующим значением тока. В диапазоне 0-10 мА
дискреты были выбраны через 1 мА, в диапазоне 10-100 мА, измерения проводились через
каждые 10 мА. После измерения последних значений (на токе 100 мА), в камере начинала
устанавливаться следующая температура и вся программа повторялась. Таким образом,
каждый светодиод каждого цвета свечения имел не менее 20 значений всех параметров на
каждой температуре, от –60 до +60град.С. с шагом в 20 град.С. (7 дискретов). Как видно
из графиков, градиент напряжения достаточно сильно зависит от температуры у всех
светодиодов и имеет устойчивую тенденцию к росту при понижении температуры.
Некоторое замедление роста градиента при температурах до –50 град.Ц. скорее всего
связано с тепловым действием тока и уменьшением этого эффекта с понижением
температуры, что особенно проявляется при небольших плотностях тока через кристалл,
где саморазогрев минимален у светодиодов на основе InGaN/AlGaN/GaN. Однако у
светодиодов на основе AlGaInP наблюдается доминирование процесса разогрева (кривые
при больших плотностях тока имеют гораздо меньшую крутизну) с одной стороны и
изменение характера
увеличения
ширины запрещённой
зоны
Eg и
квантовой
эффективности при понижении температуры с другой. Эти обстоятельства следует
учитывать тогда, когда речь идёт о расчётах электрических режимов работы светодиодов
в каком-либо устройстве, которое будет работать при различных температурах
окружающей среды.
122
U,a.u.
1,75
Abs.Grad. Y(V/deg C)
0,017
Normalized U(Ta)
1,6
100mA
0,015
1,45
80 mA
1,3
0,013
60mA
40mA
1,15
0,011
20mA
1
0,009
10mA
0,85
0,007
0,7
Grad. Y (V/deg.C)
0,55
10mA
20mA
40mA
60mA
80mA
100mA
0,005
0,4
0,003
0,25
Ta,deg.C.
0,001
0,1
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
Рисунок 3.11. Относительная зависимость Uf(Ta) светодиодов на основе Al0,35Ga0,65As с
Eg=1,98 эВ и ldom=642nm (отн. Ta=20 deg.C.) и распределение градиента напряжения Y
по температуре при разных значениях If .
0,03
1,75
U,a.u.
Abs.Grad. Y(V/deg C)
Normalized U(Ta)
1,6
Абс.градиент
100mA
относительная
0,025
1,45
80 mA
1,3
60mA
0,02
40mA
1,15
20mA
1
0,015
10mA
0,85
0,7
10mA
20mA
40mA
60mA
80mA
100mA
Grad. Y (V/deg.C)
0,55
0,01
0,4
0,005
0,25
Ta,deg.C.
0
0,1
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
Рисунок 3.12. Относительная зависимость Uf(Ta) светодиодов на основе Al0,30Ga0,21In0,49P с
Eg=2,02 эВ и ldom=625nm (отн. Ta=20 deg.C.) и распределение градиента напряжения Y
по температуре при разных значениях If .
50
123
0,0095
Отн.ед.
Абс.град. Y(V/deg C)
Относительн. U(Ta)
1,35
100mA
0,0085
80 mA
1,2
60mA
0,0075
40mA
1,05
20mA
0,0065
10mA
0,9
0,0055
10mA
20mA
40mA
60mA
80mA
100mA
0,75
Град.. Y (V/deg.C)
0,6
0,0045
0,0035
0,45
0,0025
0,3
0,0015
Ta,deg.C.
0,0005
0,15
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
Рисунок 3.13. Относительная зависимость Uf(Ta) светодиодов на основе Al0,35Ga0,16In0,49P с
Eg=2,21 эВ и ldom=592 nm (отн. Ta=20 deg.C.) и распределение градиента напряжения Y
по температуре при разных значениях If .
0,008
Отн.ед
1,4
Абс.град. Y(V/deg C)
Абс.градиент
Относит. U(Ta)
относительная
100mA
80 mA
0,007
60mA
1,2
40mA
0,006
20mA
1
10mA
0,005
0,8
10mA
20mA
40mA
60mA
80mA
100mA
Град. Y (V/deg.C)
0,6
0,004
0,003
0,4
Ta,deg.C.
0,2
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0,002
0
10
20
30
40
50
Рисунок 3.14. Относительная зависимость Uf(Ta) светодиодов на основе
InGaN/AlGaN/GaN с ldom=522 nm (отн. Ta=20 deg.C.) и распределение градиента
напряжения Y по температуре при разных значениях If .
124
1,6
Отн.ед
.
Абс.град.. Y(V/deg C)
Относит. U(Ta)
0,0225
100mA
1,45
80 mA
1,3
60mA
40mA
1,15
0,0175
20mA
1
10mA
0,85
0,0125
0,7
0,55
10mA
20mA
40mA
60mA
Град. Y (V/deg.C)
0,0075
80mA
100mA
0,4
0,25
-60
-50
Рисунок
-40
3.15.
-30
-20
Относительная
Ta,deg.C.
0,1
-10
0
зависимость
0,0025
10
Uf(Ta)
20
30
светодиодов
40
на
основе
InGaN/AlGaN/GaN с ldom=468 nm (отн. Ta=20 deg.C.) и распределение градиента
напряжения Y по температуре при разных значениях If .
Как правило, достаточно ему находиться на улице, все перечисленные зависимости будут
сказываться обязательно. Стоит также обратить внимание ещё и на режимы оконечных
каскадов или ключей, нагрузкой которых являются светодиоды при динамическом
управлении (табло, вывески, экраны, бегущие строки). Их динамический диапазон и
уровень напряжения питания не должны повлиять на излучательные параметры
светодиодов при изменении температуры из-за нарушения электрического режима. И без
этого характеристики оптического излучения светодиодов существенно изменятся с
температурой. Это отражено в следующих графиках.
Также, более детальное рассмотрение представленных здесь зависимостей позволит с
одной стороны правильно оценивать охлаждающую способность кристаллодержателя при
разных температурах, которая вырисовывается из поведения градиента Y при различных
токах (его уменьшение при увеличении тока If
при одной и той же температуре,
свидетельствует об исчерпании охлаждающих свойств из-за несоответствия площади,
материала кристаллодержателя и теплового сопротивления среда – кристалл тепловому
действию тока If), а с другой стороны, правильно определить токовый режим работы
(рабочий ток) светодиода, исключающий его перегрев. На рисунке 3.16. представлен
линейный вид электрической характеристики – вольт – амперной.
50
125
Так выглядит семейство кривых при разных температурах. Здесь также видно, что
изменяется не только само значение прямого напряжения, но и его градиент. Рисунок 3.17.
иллюстрирует изменение потребляемой мощности Pdis и динамического сопротивления
Rdyn светодиодов на основе InGaN/AlGaN/GaN. Графики удобны для использования при
расчётах режимов оконечных каскадов – ключей, управляющих работой светодиода,
характеристик теплоотводов и потребляемой электрической мощности.
Энергетические характеристики излучения
Энергетические характеристики светодиодов также существенно зависят от температуры.
Самый распространённый и наиболее известный среди пользователей параметр, хотя и
достаточно косвенно отображающий энергетику излучения – осевая сила света IV.
Поведение IV
при изменении температуры носит характер, идентичный изменению
других важных энергетических параметров – светового потока F и оптической мощности
P , поэтому зачастую использованием этой характеристики в самых простых случаях
ограничиваются. Однако, как при очень низких (- 20…- 60 град. Ц.), так и при высоких (до
+ 80 град. Ц.) температурах данную зависимость (IV(Ta)) нельзя считать корректной при
оценке энергетики оптического излучения светодиода. Не зависящая ни от одного какоголибо другого параметра излучения, осевая сила света даёт лишь относительную
характеристику в отличие от интегрального светового потока F , который зависит не
только от изменения интенсивности излучения с температурой, но и от перераспределения
его плотности по поверхности кристалла, и как следствие, изменению вида диаграммы
направленности излучения светодиода. Мощность излучения P имеет ещё более сложную
зависимость из-за одновременного учёта изменения светового потока и спектрального
состава излучения, который также очень значительно изменяется с температурой и будет
описан в следующем разделе. Поэтому ограничимся рассмотрением и сравнением
зависимостей осевой силы света и светового потока от температуры. Как и при
обсуждении электрических характеристик, в измерениях зависимостей F (If) также был
применён режим стабилизации прямого тока If через светодиод при изменяющимся от
температуры напряжении Uf.
Как видно из графиков на рисунках 3.18 – 3.21, люмен – амперные характеристики мало
зависят от температуры окружающей среды. Их отличие обусловлено лишь тепловым
действием прямого тока. И там, где его действие более эффективно, например, из-за
снижения эффективности охлаждения кристалла, различия более заметны. Для наглядного
примера стоит привести люмен – амперную характеристику светодиодов на основе
InGaN/AlGaN/GaN, измеренную в импульсном режиме, исключающим разогрев кристалла
прямым током, рисунок 3.22. Хорошо видно, что эти зависимости практически совпадают.
126
100
If,mA
If,mA
9
90
8
7
80
6
5
4
70
3
2
60
1
Uf,V
0
2,25
50
2,5
2,75
3
3,25
3,5
3,75
-60 deg.
-50 deg
40
-40 deg.
-20 deg.
00 deg.
30
+20 deg.
+50 deg.
20
Uf,V
10
2,25
2,5
2,75
3
3,25
3,5
3,75
4
4,25
4,5
4,75
5
Рисунок 3.16.Вольт – амперные характеристики светодиодов на основе InGaN/AlGaN/GaN
при различных температурах окружающей среды. На вставке – участки характеристики до
10 mA. Хорошо заметно существенное изменение экспоненциального участка ВАХ с
температурой, связанное с изменением плотности состояний и скорости рекомбинации.
Rdyn,Ohm
Pdis,mW
2500
360
Rdyn vs. If(+55)
Rdyn vs. If(-60)
Pdis vs.If(-60)
-50 deg
2000
300
-40 deg
-20 deg
0 deg
240
+20 deg
1500
+55 deg
180
1000
120
500
60
If,mA
0
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
Рисунок 3.17. Зависимости потребляемой электрической мощности Pdis и динамическое
сопротивление Rdyn светодиодов на основе InGaN/AlGaN/GaN при различных
температурах окружающей среды.
127
Относит.световой поток
2
1,75
1,5
1,25
1
-60 deg
-50 deg
-40 deg
-20 deg
0 deg
+20 deg
+50 deg
0,75
0,5
0,25
If,mA
0
0
2,5
5
7,5
10
12,5
15
17,5
20
22,5
25
27,5
30
32,5
35
37,5
40
Рисунок 3.18. Относительные люмен - амперные (F (If)) зависимости светодиодов на
основе Al0,30Ga0,21In0,49P с ldom=625nm (отн. If =20 mA.) при различных температурах
окружающей среды от –60 до +50 deg.C.
Относительный светов.поток
1,9
Normalized
Luminous Flux
1,7
2
1,5
1,3
1,75
1,1
-60 deg
-50 deg
-40 deg
-20 deg
0 deg
+20 deg
+50 deg
If,mA
1,5
30
0,9
32,5
35
37,5
40
0,7
0,5
0,3
If,mA
0,1
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Рисунок 3.19. Относительные люмен - амперные (F (If)) зависимости светодиодов на
основе Al0,35Ga0,16In0,49P с ldom=592nm (отн. If =20 mA.) при различных температурах
окружающей среды от –60 до +50 deg.C.
128
1,7
Относительный световой поток
1,5
1,3
1,1
-60
-50
-40
-20
0
+20
+50
0,9
0,7
0,5
0,3
If,mA
0,1
0
2,5
5
7,5
10
12,5
15
17,5
20
22,5
25
27,5
30
32,5
35
37,5
40
Рисунок 3.20. Относительные люмен - амперные (F (If)) зависимости светодиодов на
основе InGaN/AlGaN/GaN с ldom=522 nm (отн. If =20 mA.) при различных температурах
окружающей среды от –60 до +50 deg.C.
1,75
Относит. световой поток
1,5
-60 deg
-50 deg
-40 deg
-20 deg
0 deg
+20 deg
+50 deg
1,25
1
Normalized
Luminous Flux
1,75
0,75
0,5
1,625
0,25
If,mA
1,5
32
33,25
34,5
35,75
37
38,25
39,5
If,mA
0
0
2,5
5
7,5
10
12,5
15
17,5
20
22,5
25
27,5
30
32,5
35
37,5
Рисунок 3.21. Относительные люмен - Амперные (F (If)) зависимости светодиодов на
основе InGaN/AlGaN/GaN с ldom=469 nm (отн. If =20 mA.) при различных температурах
окружающей среды от –60 до +50 deg.C.
40
129
1
Световой поток F,отн.ед.
0,9
0,8
0,7
0,6
-60
+50
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
Прямой ток If,mA
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Рисунок 3.22. Относительные люмен - амперные (F (If)) зависимости светодиодов на
основе InGaN/AlGaN/GaN при крайних температурах окружающей среды от –60 до +50
deg.C., измеренные импульсным методом, без разогрева излучающего кристалла током If .
1,25
Iv/Iv(20deg.C.)
1,2
1mA
5mA
10mA
20mA
30mA
40mA
1,15
1,1
1,05
1
deg.C.
0,95
-60
а)
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
130
1,5
Iv/Iv(20deg.C.)
1,4
1mA
5mA
10mA
20mA
30mA
40mA
1,3
1,2
1,1
1
0,9
deg.C.
0,8
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
б)
1,5
Iv/Iv(20deg.C.)
1,4
1mA
5mA
10mA
20mA
30mA
40mA
1,3
1,2
1,1
1
0,9
deg.C.
0,8
-60
-50
в)
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
131
1,35
Iv/Iv(20deg.C.)
1,3
1,25
1mA
5mA
10mA
20mA
30mA
40mA
1,2
1,15
1,1
1,05
1
0,95
0,9
deg.C.
0,85
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
г)
Рисунок 3.23. Относительные зависимости осевой силы света светодиодов при различных
температурах окружающей среды от –60 до +55 deg.C. Диаграммы справедливы для
плотностей тока через кристалл 1,5 – 60 A/cm2 и даны относительно. ta=+20 deg.C.
а) - на основе GaAs, б) - на основе AlGaInP, в) - на основе InGaN/AlGaN/GaN с
ldom=525nm, г) - на основе InGaN/AlGaN/GaN с ldom=468nm.
Диаграммы на рисунке 3.23 показывают изменение осевой силы света светодиода с
температурой при условии стабилизации одного какого-либо параметра - If или Uf . При
значениях прямых токов с плотностью, выходящей за пределы указанного на диаграмме
диапазона, наклон кривых может меняться в зависимости от типа кристаллодержателя.
Однако следует также иметь в виду и тот факт, что будучи значительно связанной с
параметрами и материалом оптической системы светодиода, осевая сила света IV
непременно будет изменяться по другому закону, если диаграмма пространственного
излучения светодиода будет менее 15 и более 90 градусов по уровню 0,5, или в случае
применения диспергатора в составе линзы. Помимо изменения геометрических размеров
оптической системы и оптических свойств её материала с температурой, это вызвано
также перераспределением областей излучательной рекомбинации по объёму кристалла,
который является источником излучения, и на который настроена эта оптика. Изменение
конфигурации источника приводит к рассогласованию всей оптической системы
132
светодиода, могущей состоять из трёх или более элементов - в простом случае: кристалл
– лунка – линза, в более сложных: кристалл – лунка – кремнийорганический наполнитель
– люминофор – линза Френеля. В указанном диапазоне углов излучения (15 – 90)
оптическая система оказывает оптимальное влияние на ход лучей и обладает
максимальным коэффициентом концентрации светового потока внутри диаграммы
направленности с наименьшими потерями, поэтому изменения характеристик источника
сказываются минимально. Однако когда система формирует малый (меньше 10 градусов
по уровню 0,5) угол излучения, её КПД (коэффициент сбора потока) уменьшается, а
любая несогласованность составляющих её элементов становится очень заметной, в то
время, когда угол излучения светодиода стремится к значениям, близким к характерным
для кристалла без оптики (более 100 градусов) – линза не обладает достаточной
оптической силой - объёмное перераспределение излучения кристалла может изменить
диаграмму направленности светодиода, являясь доминирующим при её формировании
относительно оптики. Именно поэтому можно заметить, что динамика изменения
светового потока, показанная на рис. 3.18 – 3.21 отличается от динамики осевой силы
света. Всё сказанное объясняет применение зависимостей, показанных на рисунке 3.23.
лишь с указанной оговоркой.
Колориметрические характеристики
Зависимости колориметрических характеристик светодиодов от изменения температуры
получены методом измерения спектрального состава их излучения также с помощью
установки, приведённой на рисунке 3.10. Являясь наиболее информативной и
показательной частью многомерной системы параметров светодиодов, эти зависимости
наиболее важны как с практической точки зрения их использования в устройствах, так и с
точки зрения определения качественных показателей излучающих структур или
применённых в тех или иных светодиодах кристаллов. Наибольшее влияние на уход
указанных
параметров
при
изменении
температуры
будет
оказывать
процесс,
протекающий в области пространственного заряда и описанный формулой (3.1). Однако
существуют также достаточно справедливое утверждение о том, что излучающую
структуру стоит рассматривать не как единую область с флуктуацией ширины
запрещённой зоны Eg , а как схему, где выполнено параллельное включение множества
микроскопических p – n – переходов со своими, отличающимися друг от друга
значениями Eg1 , Eg2
… Egn . Набор таких p – n – переходов и формирует всё
спектральное распределение плотности энергетической яркости кристалла, внося свой
вклад в виде отдельной длины волны (моды) и соответствующей амплитуды излучения.
Подобная модель излучающей структуры хорошо объясняет изменение параметров
спектра с температурой, когда изменения ширины запрещённой зоны каждого элемента
133
приводят к пропорциональному изменению интенсивности излучения на своей длине
волны. Точно такое же объяснение применимо и для изменения приложенного внешнего
электрического поля (прямого напряжения), которое, кстати, будет меняться обязательно,
и в соответствии с зависимостями на рисунках 3.11. – 3.15. При повышении Uf будут
включаться мини p – n – переходы с наибольшими Eg , что увеличит вклад
коротковолновых составляющих в спектр и наоборот, при этом рост амплитуды
длинноволновых
компонентов
уже
включённых
в
работу
малыми
Uf
на
экспоненциальном участке вольт – амперной характеристики, будет значительно меньшим
из-за явления насыщения и ограниченного их количества, при определённом Uf первый
процесс будет доминировать над вторым. Этим объясняется характерная несимметрия
спектрального распределения излучения, определяющаяся положением центроидной
длины волны спектра при малых плотностях тока, выравнивающаяся при их увеличении
или при изменении температуры. В первом приближении, количественный состав
переходов с различными значениями Eg будет определяться гауссовским распределением
относительно средних значений Eg для данной структуры, что и можно заметить при
рассмотрении вида формы кривых спектрального распределения, как результата сложения
двух функций – упомянутой выше и функции распределения плотности заполнения
Ферми – Дирака. Таким же образом, состав спектра излучения позволяет судить о
равномерности распределения легирующей примеси в слоях полупроводникового
материала и наличии посторонних включений, что, по сути, и определяет качество
излучающего кристалла, и как следствие долговечность жизни светодиода.
Сохраняя обозначенное ранее в первом пункте условное деление структур по цвету и
составу (InGaN/AlGaN/GaN – синие и зелёные, AlInGaP/GaP – красные и жёлтые,
рассмотрим приведённые на рисунках 3.25. – 3.27. зависимости колориметрических
параметров от температуры. Диаграммы справедливы для плотностей тока через кристалл
20 – 50 A/cm2 (прямой ток через светодиод со стандартным кристаллом 300Х300 мкм. 15 –
40 mA). Поведение зависимостей при других плотностях тока будет отличаться от
приведённых из-за соответствующего изменения теплового действия тока.
На рисунке 3.24. хорошо видно, как изменяется и смещается спектр излучения при
изменении температуры. Можно заметить, что все изменения происходят в заданном
соответствии с описанными теоретическими предположениями. Однако приведённые
здесь функции распределения светового потока по абсолютной длине волны F(l), как
правило, не применяются для описания характеристик излучения светодиодов напрямую,
а служат в основном исходным материалом для расчётов большого числа производных
величин. Прежде всего это связано с переходом абсолютных энергетических единиц к
134
светотехническим, зависимым от кривой видности глаза V(l), и образующихся путём
нахождения интегрированной доли исследуемого спектра в общем интеграле функции
V(l). Приведённые ниже графики зависимостей рассматриваемых там величин от
температуры расположены в порядке возрастания информативности для визуальной
оценки излучения светодиодов. Для некоторого пояснения стоит рассмотреть рисунок 18 с
деталировкой спектра излучения синего светодиода, например. Максимальная длина
волны Lmax показывает максимальную амплитудную составляющую спектра, по которой
можно определить положение пика функции спектрального распределения на шкале длин
волн. Длина волны Lcen (центроидная или центральная) более информативна и, являясь
«центром масс» интеграла функции F(l), может дать понятие о симметрии кривой
спектрального распределения в соответствии с тем, насколько она отличается от Lmax.
Это отличие обозначит фактор неидеальности спектрального распределения, как
следствие нарушения гауссовского распределения переходов с различными значениями
Eg. В идеальном случае Lmax и Lcen совпадут.
Наиболее часто в спецификациях встречается полуширина спектра излучения по уровню
0,5 от максимума амплитуды. Эта величина получается как разница длин волн правого и
левого спадов характеристики излучённых с указанным уровнем амплитуды. Полуширина
функции F(l) позволяет относительно судить о составе спектра излучения и степени
монохроматичности (чистоты) цвета, как качественного показателя излучения светодиода.
На рассматриваемом рисунке 3.24. графике наглядно видно положение описанных
величин, рассчитанных заранее из приведённого там спектра, понимание смысла которых
позволит нам дальше подробно рассмотреть их зависимости от температуры и
представить как это выглядит в зрительном восприятии излучения светодиодов глазом
человека, описанном в следующем разделе статьи.
Особо стоит отметить спектральную эффективность излучения. Этот параметр также
интегральный и именно он осуществляет связь абсолютных энергетических характеристик
излучения с функцией V(l), когда речь идёт о световом потоке и мощности светового
излучения. Коэффициент К [Lm/W] (2.5) показывает какая интегральная, «весовая» доля
исследуемого спектра присутствует в излучении относительно всей «массы» - кривой
видности V(l).
Однако всё же стоит отметить, что этот параметр включает в себя интегральную сумму
всех отдельных описанных величин и поэтому служит хорошей характеристикой
качественных показателей спектра. А значит, его поведение при изменении температуры,
показанное на рисунке 3.25. синей линией на всех графиках вместе с изменением
полуширины спектра позволит чётко представлять картину уходов цветовых и
135
мощностных (имеется в виду квантовый выход или оптическая мощность) характеристик
светодиодов, особенно если связать эти зависимости с показанными люмен – амперными
на рисунках 3.11. – 3.15. (изменение параметров спектра от температуры, соотнесённое с
изменением светового потока даст функцию зависимости мощности излучения светодиода
от прямого тока If при разных температурах – формула (3.5)).
P(Ta)[W] = F(Ta)[lm] / K(Ta)[лм/Вт)
На
последующих
двух
(3.5)
рисунках
рассмотрены
зависимости
колориметрических
параметров от температуры, которые наиболее часто указываются в спецификациях. Это
имеющие малый физический смысл – доминирующая длина волны Ldom и координаты
цветности. Для более удобного чтения графиков приведена таблица 3.2., в которой
собраны все обсуждающиеся здесь колориметрические характеристики.
Происхождение этих величин также достаточно известно, и они, будучи полученными
расчётным способом из исходных в виде спектра и функции V(l), пропорционально ему,
также будут изменяться с температурой. Другими словами, практически все исследования
спектрального состава излучения, описанные выше, собственно и направлены на
получение этих «нефизических» характеристик, регламентированных МКО 1931 г. для
описания колориметрических свойств излучения. Но, для пользователей светодиодами
именно они являются наиболее важными для сравнения и применения в существующем
пространстве системы параметров.
1
0,9
Отн. ед.
0,8
0,7
+55 deg. C
+20 deg.C
-60 deg.C
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
575
587,5
600
612,5
625
637,5
650
662,5
675
687,5
700
712,5
725
136
а)
1
0,9
Отн. ед.
0,8
0,7
+55 deg. C
+20 deg.C
-60 deg.C
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
530
545
560
575
590
605
620
635
650
б)
1
0,9
Отн. ед.
0,8
0,7
+55 deg. C
+20 deg.C
-60 deg.C
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
400
в)
425
450
475
500
525
550
575
600
625
650
137
1
Отн. ед.
0,9
0,8
0,7
+55 deg. C
+20 deg.C
-60 deg.C
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
400
412,5
425
437,5
450
462,5
475
487,5
500
512,5
525
537,5
550
г)
Рисунок 3.24. Относительное спектральное распределение излучения светодиодов при
различных температурах окружающей среды от –60 до +55 deg.C.
а) красные б) жёлтые, в) зелёные, г) синие.
130
60
Длина волны,нм
Отн. ед.
Спектр.светов.
эффект. lm/W
55
120
50
110
45
100
FWHM 0,5
40
FWHM 0,1
90
Спектр.св.эффективн.
35
80
30
70
25
60
20
50
15
t, deg.C.
10
-60
а)
-50
-40
-30
-20
-10
40
0
10
20
30
40
50
60
138
540
50
Спектр.светов.
эффектив. lm/W
Длина волны, nm
45
520
40
500
35
FWHM 0,5
FWHM 0,1
480
Спектр.светов.эффектив.
30
460
25
440
20
420
15
t, deg.C.
10
-60
-50
-40
-30
-20
-10
400
0
10
20
30
40
50
60
б)
460
100
Спектр.светов.
Эффект lm/W
Длина волны, nm
90
450
80
440
70
430
FWHM 0,5
60
FWHM 0,1
Спектр.светов.эффект.
420
50
410
40
t, deg.C.
30
-60
в)
-50
-40
-30
-20
-10
400
0
10
20
30
40
50
60
139
69
Спектр.светов.
эффектив.,lm/W
60
Длина волны,nm
68
55
67
66
50
65
45
64
63
40
62
FWHM 0,5
35
FWHM 0,1
61
Спектр.светов.эффект.
60
30
59
25
58
57
20
56
t, deg.C.
15
-60
-50
-40
-30
-20
-10
55
0
10
20
30
40
50
60
г)
Рисунок 3.25. Спектральная эффективность излучения (оптический коэффициент Lm/W) и
ширина спектра излучения по уровням 0,1 и 0,5 светодиодов при различных температурах
окружающей среды от –60 до +55 deg.C. а) красные б) жёлтые, в) зелёные, г) синие.
Для наглядности описания координат цветности на графики рисунка 3.27. дополнительно
нанесены зоны ограничения применения световых сигналов по цвету в соответствии с
[17,18, 104]
Таблица 3.2.
Характеристики спектрального состава излучения и колориметрические параметры
светодиодов в зависимости от температуры. Цвет заливки соответствует цвету свечения
светодиодов.
t,deg.C.
X
Y
55
0,71056 0,2865
25
0,7093 0,288
-60
0,7
0,299
Grad.N/deg
55
0,604
0,393
25
0,59
0,407
-60
0,548
0,451
Grad.N/deg
55
0,162
0,688
25
0,154
0,686
-60
0,128
0,657
Grad.N/deg
55
0,132
0,061
25
0,133
0,056
-60
0,136
0,047
Grad.N/deg
Z
Ldom
0,0045 636,03
0,0027 633,508
0,001 625,251
0,0937
0,003 595,601
0,003 592,938
0,001 585,539
0,0875
0,15 522,264
0,16 520,555
0,215 514,223
0,0699
0,807 469,044
0,811 468,155
0,817 466,111
0,0255
Lmax Centroid
664
663
661
660
643
641
0,1826 0,1913
602
600
598
596
588
587
0,1217 0,1130
517
520
515
519
511
514
0,0522 0,0522
463
465
462
464
460
462
0,0261 0,0261
L1
653
650
634
L2
674
670
651
592
589
581
609
605
594
499
499
496
540
538
532
453
453
452
475
473
469
FWHM 0,5
21
20
17
0,0348
17
16
13
0,0348
41
39
36
0,0435
22
20
17
0,0435
L1
635
633
618
L2
686
682
659
575
574
571
618
613
601
482
482
481
567
565
558
442
442
444
494
491
486
FWHM 0,1
51
49
41
0,0870
43
39
30
0,1130
85
83
77
0,0696
52
49
42
0,0870
Luminous
Efficacy
49,086
56,676
129,634
0,7004
435,949
463,505
530,305
0,8205
452,686
443,603
401,824
0,4423
67,777
63,7
56,386
0,0991
140
665
Длина волны, nm
660
655
650
Ldom
Lmax
Lcen
645
640
635
à
d Ldom nm/deg.C
630
.
t,deg.C.
625
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
60
а)
602
Длина волны, nm
601
600
599
598
Ldom
Lmax
Lcen
597
596
595
594
593
592
d Ldom0,065
Ènm/deg.C.
591
590
589
588
587
586
t,deg.C.
585
-60
б)
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
60
141
524
Длина волны, nm
523
à
d Ldom. nm/deg.C
522
.
521
Ldom
Lmax
Lcen
520
519
518
517
516
515
514
513
512
511
t,deg.C.
510
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
60
в)
470
Wave
length,
nm
Длина
волны
469
Ldom
Lmax
Lcen
468
Dl dom=0,0255 nm/deg.C.
467
466
465
464
463
462
461
t,deg.C.
460
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
60
г)
Рисунок 3.26. Доминирующая Ldom, максимальная Lmax и центральная Lcen длины волн
излучения светодиодов при различных температурах окружающей среды от –60 до +55
deg.C. Цифрами на вставках указан усреднённый градиент изменения Ldom в указанном
диапазоне температур.
а) красные б) жёлтые, в) зелёные, г) синие.
142
Y
615 нм
0,32
620 нм
0,31
Автодорожный стандарт
625 нм
0,3
-60град.С.
630 нм
0,29
+25 град.С.
+55 град.С.
635 нм
640 нм
0,28
Общая зона цветности
ЖД стандарт
665 нм
0,27
Х
0,26
0,665
0,675
0,685
0,695
0,705
0,715
0,725
0,735
а)
Y
575 нм
0,52
0,5
580 нм
Общая зона цветности
жёлтого по МКО - 31
0,48
585 нм
0,46
-60 град.С
0,44
590нм
0,42
Автодорожный стандарт
+25 град.С
0,4
ЖД стандарт
595нм
+55 град.С
0,38
600 нм
Х
0,36
0,425
б)
0,44
0,455
0,47
0,485
0,5
0,515
0,53
0,545
0,56
0,575
0,59
0,605
0,62
0,635
0,65
143
0,9
Y
525 нм
515 нм
535 нм
0,8
540 нм
550 нм
+55 град.
0,7
-60 град.
+25 град.
505 нм
0,6
ЖД стандарт
Общая зона цветности
Автодорожный стандарт
0,5
0,4
495 нм
0,3
Х
0,2
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
в)
0,25
Y
490 нм
0,2
Общая зона цветности
0,15
485нм
ЖД стандарт
0,1
480 нм
+55 град.С.
+25 град.С.
475 нм
0,05
-60 град.С.
465 нм
455 нм
0
0,05
0,075
0,1
0,125
0,15
Х
0,175
0,2
0,225
0,25
0,275
0,3
г)
Рисунок 3.27. Координаты цветности излучения светодиодов на графике МКО – 1931 г.
при различных температурах окружающей среды от –60 до +55 deg.C. Показаны границы
зон цветностей, регламентированных стандартами.
а) красные б) жёлтые, в) зелёные, г) синие.
144
Очевидно, что такой подход к колориметрическим параметрам светодиодов для
большинства устройств на их основе совершенно не требуется, но в данной статье мы
рассматриваем практически все возможные, и в том числе определённые указанными
стандартами, применения светодиодов на практике. Далее будет описана причина
появления подобных стандартов и важность их соблюдения.
3.3.3.
Влияние
температурных
зависимостей
характеристик
светодиодов
на
восприятие глазным аппаратом человека результирующего излучения
Все параметры и характеристики светоизлучающих диодов, зависящие от температуры
или нет, предназначены исключительно для того, чтобы быть замеченными именно
глазом. Поэтому, формирование излучения, ориентированного на глазной аппарат должно
быть всецело подчинено законам его восприятия эти аппаратом. Однако детальное
рассмотрение физических и психологических процессов восприятия не является целью
настоящей работы (подробно рассмотрено в [111,105-108]), хотя и будет затронуто,
поэтому, возвращаясь к теме, стоит лишь обсудить, как описанные изменения
характеристик светодиодов с температурой будут влиять на изменения восприятия
изображения, сформированного с помощью этих квазимонохроматических источников
света глазом человека.
Сначала
следует
отметить,
что
глаз
человека
является
самым
совершенным
фотометрическим прибором в своём диапазоне длин волн. К его достоинствам надо
отнести недосягаемую долговечность с сохранением всех функций, и если потребуется, то
и их самовосстановлением, большой динамический диапазон освещённостей, при которых
сохраняются все параметры цветопередачи и разрешения изображения, автоматически
управляемая оптика с широким диапазоном изменения фокусного расстояния и
диафрагмы, высокое разрешение изображения (угол зрения 1 град.) наряду с углом
бокового обзора практически в 180 град., самый большой рабочий диапазон длин волн
относительно других жителей планеты, высокая скорость передачи данных в центр по их
обработке наряду с большим их объёмом, непревзойдённая интеграция всего прибора в
малом объёме и ничтожное потребление энергии, и, наконец, что выгодно отличает его в
свете тематики описываемого эксперимента от предмета нашего исследования –
светодиода, независимость параметров от температуры окружающей среды ввиду
постоянного высокоточного термостатирования в течение всей жизни владельца
устройства, которая вполне может составить более 100 лет.
Также следует всегда помнить о том, что глаз человека предназначен для использования в
условиях естественных освещённостей Земли и, адаптируя искусственный источник для
необходимого
восприятия
его
глазом
надо
учитывать
особенности
физики
и
характеристик этой освещённости. Фотобиологические процессы на Земле происходят в
145
основном в диапазоне длин волн от 300 до 900 нм. Естественен вопрос о том, почему для
зрения не доступны более короткие и длинные волны? Ответ содержится в величине их
энергии. Эта энергия определяется по известной со школьной программы формуле (3.6):
E = hc/l
(3.6)
Где Е – энергия кванта,
h – постоянная Планка (1,58 10-34 кал сек; 1кал – 4,2 Дж),
c – скорость света, 3 108 м/с,
l - длина волны светового излучения.
Для длин волн короче 300 nm удельная энергия превышает 95 ккал/моль. При такой
энергии возникают повреждения молекул белков и нуклеиновых кислот. У волн длиннее
1800
nm,
напротив,
светочувствительном
энергии
пигменте
оказывается
(родопсине)
недостаточно,
фотохимический
чтобы
вызвать
процесс.
в
Поэтому
допустимая энергия светового восприятия большинства живых существ лежит в пределах
от 15 до 65 ккал/моль, что соответствует диапазону длин волн от 440 до 1900 nm. Зрение
человека реализуемо в более коротком диапазоне от 380 до 750 nm. Лучи, длина волны
которых выходит за указанные пределы, для нас невидимы [2,105-108].
Подобные факты легли в основу формирования системы восприятия цвета и
определения пороговых освещённостей глаза, которые необходимы для достоверной
оценки цвета раздражителя в виде сигнала светофора, например, или изображения
видеоэкрана при различных условиях внешней освещённости. Международная комиссия
по освещению (МКО) в официальных рекомендациях 1975 года (публикация МКО (№
2.2(ТС-1.6)) [1] для каждого цвета сигнала предлагает по две области. Одна область
определяется достаточно широкими границами цветностей, а другая является более
строгой. Область с широкими границами цветностей выбрана в соответствии с числом
используемых в сигнальных системах различных цветов и возможным влиянием внешних
источников света. Более строгие границы областей сигналов определяют более узкие
области цветности, которые обеспечивают высокую вероятность распознавания цвета
сигнала в заданной сигнальной системе как для наблюдателя с нормальным зрением, так и
для наблюдателя с дефектами цветового восприятия. Данные рекомендации относятся к
световым сигналам, используемым на всех видах транспорта – автомобильном,
железнодорожном, морском, воздушном.
Значительное сужение областей цветности стандартами диктует особые требования к
источникам излучения, формирующим сигналы. Совершенно очевидно, что это относится
и не только к столь ответственным устройствам: физика восприятия одинакова, поэтому,
безусловно, всё сказанное будет верно для любого источника света. Как видно из
146
графиков на рисунке 3.27., отнюдь не все устройства на светодиодах могут реализовать
обозначенные требования именно из-за ухода цветовых параметров при изменении
температуры [15]. Это является значительной преградой к их использованию в таких
устройствах, однако опыты с изучением восприятия сигналов на светодиодах, параметры
которых выходят за пределы стандартов показали, что к квазимонохроматическому
излучению светоизлучающих диодов следует подходить особо, лишь в некотором
опираясь на стандарты, которые были разработаны на основе восприятия цветных
сигналов на лампах со светофильтрами. Прежде всего, это объясняется узкополосностью
излучения светодиодов по сравнению со светофильтром и лампой, отличающейся
приблизительно в 4 – 5 раз. Это обстоятельство может сильно изменить границы областей
цветности достоверного восприятия. Опыты по исследованию этих фактов подробно
описаны в [3,111]. Там же доказано, что при условии одинаковой освещённости глаза
сигналом на лампе с фильтром и светодиодах дальность видимости и вероятность
распознавания сигнала на светодиодах значительно повышаются ещё
и из-за
равномерного заполнения апертуры сигнала светофора светодиодами, сильно увеличивая
сигнал по площади, тогда как в прежнем варианте можно увидеть лишь проекцию нити
накала лампы. Оказалось, что, несмотря на большое расстояние наблюдения (1000м),
когда оба исследуемых сигнала являются точечными, этот факт сильно повлиял на
восприятие. То же самое было замечено и при исследованиях дальности обнаружения
световых сигналов морской навигации на расстоянии до 12 морских миль. Светодиодный
фонарь плавучего буя был отчётливо виден, и можно было достаточно точно определить
его цвет даже с такого расстояния, несмотря на то, что из-за очень малого уровня
освещённости сетчатки, глаз переходит в область малых сигналов, где доминирует
палочковое зрение, не позволяющее достоверно различать цвета. Важность открытия
этого факта достаточно велика: в конечном итоге правильность определения цвета
сигнала светофора определяет безопасность движения в целом и жизнь человека в
частности. Однако температурные уходы цветовых параметров светодиодов пока
остаются значительными и обязательно требуют внимания и коррекции. Изменение
спектрального состава излучения, показанное на рисунке 3.24. приводит к включению для
восприятия различных видов фоторецепторов (палочек и колбочек), которые существенно
отличаются чувствительностью и поэтому требуют различных интенсивностей для
одинаково верного восприятия различающихся по спектру, и соответственно по цвету
излучений. Именно с этим связано и большое количество несоответствий в цветовом
восприятии изображений, формируемых светодиодными источниками, которые могут
изменять свои характеристики с температурой. Здесь уместно говорить как о нарушении
баланса белого цвета, так и об изменении цветов отдельных полей.
147
Но цвет – это ещё не всё, что составляет проблему в работе светодиода с его
температурными уходами параметров на фотоприёмник человека. Возможности глаза
ограничены не только спектральным диапазоном электромагнитных волн, но и
определённым диапазоном интенсивностей света. Сетчатка глаза состоит из четырёх
видов рецепторов (три вида колбочек и один вид палочек) с разной чувствительностью
как к интенсивности света, так и к его спектральным характеристикам. «Матрица» глаза
содержит 6,5 миллионов колбочек и 110 – 120 миллионов палочек. Самые лучшие
современные неживые аналоги отличаются разрешением на порядок величины меньшим,
чем сетчатка. Световым потоком управляет диафрагма зрачка, не позволяя указанным
рецепторам выходить за пределы динамического диапазона [105,106].
Рисунки 3.18 – 3.23 иллюстрируют именно этот эффект, когда, попадая в одинаковые
температурные условия, светодиоды разных цветов по-разному изменяют свои
характеристики интенсивности излучения. Наряду с изменением цвета, будет наблюдаться
ещё и изменение яркости источника на светодиодах, снова искажая первоначальную
картину. Разные градиенты такого изменения, как видно из графиков, приведут к
появлению неравномерности на поле полноцветного изображения, сформированного
светодиодами в виде нарушения цветопередачи уже не только изменением спектрального
состава исходных цветов, но и изменением их интенсивности, которая также входит в
известную формулу для белого цвета (3.7).
F=rR+gG+bB
(3.7)
Соответственно, в устройствах, где функция яркости источника является основной,
например, в том же светофоре, также с изменением температуры может измениться как и
определённая стандартом разница в осевых силах света между сигналами других цветов,
так и интенсивность отдельных сигналов, которая может на некоторых температурах
снизиться или возрасти до неприемлемых значений (таблица 3.3.).
Оба этих обстоятельства недопустимы и приведут также к нарушению вероятности
правильного восприятия.
Таблица 3.3.
Нормированная при +20 град. Ц. осевая сила света автодорожных светофоров и её
изменение с температурой в случае исполнения на светодиодах. Нижняя графа поясняет
изменение соотношений осевых сил света красного и зелёного сигналов на разных
температурах.
COLOR
R
Y
G
Iv(G)/Iv(R)
50deg.C.
Iv,cd
20deg.C.
-50deg.C.
170
255
170
200
300
200
290
435
240
0,67
0,67
0,55
148
Также
по-иному
будут
выглядеть
и
устройства,
использующие
управление
интенсивностью свечения светодиодов, где применяется не статическая характеристика
(включено – выключено), а управляемая широтно – импульсным с модуляцией тока или
только аналоговым образом. Здесь применима люмен – амперная характеристика при
различных температурах, показанная на рисунках 3.18 – 3.23. Однако следует обратить
внимание на то, что динамическая характеристика чувствительности глаза имеет
несколько другой вид, и скорее, приближается к экспоненциальной, при этом не завися от
температуры, как мы выяснили ранее. В то время как светодиодная характеристика
излучения, не только представляет из себя практически прямую линию, но ещё и
увеличивает крутизну с уменьшением температуры. Что совсем нельзя сказать об
источнике света на лампе, например, параметры которой также мало зависят от
температуры, по крайней мере, характер их зависимостей (рисунок 3.28.). Поэтому
меняющееся по интенсивности излучение светодиодов, функцией изменения которого
является модуляционная характеристика питания, будет восприниматься с существенным
отличием от традиционных источников на лампах.
5000
Осевая сила света, кд
4500
4000
3500
3000
На СИД
2500
2000
1500
С лампой
1000
500
Сила тока, А
0
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
Рисунок 3.28. Люмен – амперные характеристики светоблоков, применяемых в качестве
сигналов
в
железнодорожных
светофорах,
использующие
различные
источники
излучения. Такую же зависимость будут иметь любые управляемые осветительные
приборы.
1,6
149
Этот момент обязательно отразится на визуальном восприятии таких устройств на
светодиодах при разных температурах или при простой замене ламп светодиодными
источниками света, искажая рассчитываемое восприятие при проектировании устройства.
VI.
Эксплуатационные испытания
Цель: проверка светодиодов, собранных на кристаллах с образцовых пластин на
устойчивость к воздействию повышенной влажности, резкому изменению температур.
Объект и объем тестирования: 20 светодиодов с любыми линзовыми крышками,
собранных на основе кристаллов с образцовой пластины. Выбор кристаллов равномерно
производится из средней и боковых частей образцовой пластины по схеме на рис. 3.7.
Процедура тестирования:
·
температурные циклы: температура -60 - + 80°С, время выдержки – 30 мин., время
переноса – 5 мин., количество циклов – 10; проверка электрооптических
параметров после завершения циклов (осевая сила света, прямое падение
напряжения, величина обратного тока)
·
термоудары: температура -60 - +110°С, время выдержки – 20 мин, время переноса –
20 сек., количество циклов – 20; проверка электрооптических параметров после
завершения циклов (осевая сила света, прямое падение напряжения, величина
обратного тока)
·
камера влаги: температура +55°С, относительная влажность – 98%, время
выдержки – 1000 ч; проверка электрооптических параметров (осевая сила света,
прямое падение напряжения, величина обратного тока).
После выполнения тестирования пластин на пригодность к применению в
производстве образцовых светодиодов и окончательного определения областей этих
пластин,
из
которых
будут
браться
кристаллы,
была
разработана
система
производственных и исследовательских мероприятий по анализу и недопущению
различного рода дефектов сборки светодиодов, могущих привести впоследствии к
деградации характеристик излучения, не связанных со старением, а вызванных этими
дефектами. В процессе и по результатам данных исследований была разработана методика
по определению подавляющего количества основных типов дефектов производства
светодиодов, вызывающих в дальнейшем их отказ в течение эксплуатации с помощью
вольт
–
амперной
характеристики.
Данная
методика
может
быть
вписана
в
технологическую цепочку любого производства, где есть операция сортировки
светодиодов по различным параметрам без затрат времени и средств на дополнительное
оборудование. Для определения типов скрытых производственных дефектов были
исследованы также светодиоды, выпущенные известными производителями. Статистика и
150
опыт этих исследований внесли существенный вклад в формирование особенностей
технологии и контроля качества производства образцов для исследования деградации
параметров. Помимо основной, используемой в образцах, посадки кристалла на
токопроводящий клей, была также исследована посадка с применением эвтектических
сплавов и на мягкий припой. Это коснулось кристаллов на подложке
SiC CREE
XBrightTM, CREE XThinTM , а также CREE МBrightTM методом flip – chip [13]. Дальнейшее
исследование деградационных характеристик светодиодов на основе этих кристаллов
выявило существенные и очень выгодные отличия от характеристик кристаллов,
смонтированных традиционно.
Как показывают результаты обработки данных по исследованиям вышедших из
строя в процессе эксплуатации светодиодов, подавляющее большинство отказов имеют
так
называемый
непостоянный
эффект,
когда
работоспособность
светодиода
восстанавливается на некоторое время, как правило, сохраняя в это время свои
светотехнические характеристики, поэтому эти светодиоды изначально на производстве и
попадают в группу годных. Данный дефект не имеет периодичности, а имеет лишь
некоторую зависимость от изменений окружающей температуры Ta, которую сводит на
минимум выход из строя новых светодиодов во время колебаний указанной температуры,
либо эта зависимость может прослеживаться только при достаточно плавных и длительно
текущих изменениях температуры, даже не в столь широких пределах.
Такая картина проявления описанного дефекта например, на полноцветном экране
или табло [21,25], на большой площади, заполненной светодиодами одного типа, сорта и
партии приводит к выводу о том, что среди данной партии светодиодов имеются такие,
которые по некоторым причинам, находясь в одинаковых для всех условиях
эксплуатации, выходят из строя и приводят к появлению описанного эффекта.
Как правило, одной из причин такого выхода из строя является нарушение
внутренних контактов светодиода:
-места приварки золотой нити к верхнему омическому контакту кристалла,
возможно, отслоение этого контакта от кристалла вместе с нитью и сварным
шариком,
-места приклеивания кристалла токопроводящим клеем к подложке (рамке),
возможен отрыв как кристалла вместе с клеем от днища лунки, дефект самой
приклейки или припайки кристалла (рис.3.29), так и самого контакта от кристалла,
-места приварки золотой нити к анодному (катодному) выводу светодиода.
При детальном рассмотрении указанных причин, наиболее вероятным и часто
встречающимся нарушением является первая из вышеуказанных ситуаций. Механизм
нарушения контактного соединения - температурные колебания, и как следствие, из-за
151
разности коэффициентов линейного расширения деталей светодиода (контактов,
кристаллодержателя,
наполнителя),
отрыв
кристалла,
материала
контактного
линзы
соединения,
как
или
кремнийорганического
правило,
с
последующим
восстановлением работоспособности при изменении температурного режима, что
подтверждается вышеупомянутым эффектом, прослеживающимся на площади экрана или
табло, где это особенно заметно. Число светодиодов с таким дефектом растёт практически
линейно со временем из-за того, что происходит постепенное механическое расшатывание
конструкции светодиода циклами нагрев – остывание и в итоге, наиболее уязвимые в этом
отношении экземпляры выходят из строя практически сразу, затем всё продолжается по
описанному выше закону. Возможно, что начало этому процессу кладёт пайка выводов
светодиодов волной припоя, вставленных в отверстия и механически закреплённых в
отверстиях загибанием выводов слишком близко к корпусу (линзе) светодиода, часто, без
применения стопорных штамповок на выводах, что вдобавок вызывает перегрев
внутренней конструкции при пайке. При этих условиях светодиод, находясь на плате,
изначально имеет механическое напряжение со стороны припаянных выводов и корпуса
относительно платы, испытав предельную механическую и температурную нагрузку при
пайке. Все эти факторы не могут не сказаться при дальнейшей эксплуатации светодиодов
в составе устройств на их основе при колебаниях температуры окружающей среды и
изменениях условий питания, динамических нагрузках.
С целью идентификации и обнаружения возможных дефектов были детально
рассмотрены несколько самых ответственных операций при производстве светодиода с
использованием различных кристаллов и методов монтажа.
Одной из самых начальных операций по сборке светодиода, как уже говорилось
ранее,
является
посадка
кристалла
на
кристаллодержатель
или
подложку
из
металлокерамики, металла или непосредственно специально подготовленной поверхности
печатной стеклотекстолитовой платы. Монтаж кристаллов осуществляется с помощью
токопроводящих клеев, диэлектрических эпоксидных составов (в зависимости от типа
применяемого кристалла). Альтернативный вариант монтажа – пайка эвтектическим
сплавом Ge:Ni:Au при температуре 280 - 320 °С. Операция эта, как правило, отработана и
выполняется с помощью автоматической системы посадки с использованием машинного
зрения для точного позиционирования кристалла, захваченного с адгезионного носителя с
помощью вакуума [45]. На этом этапе возможно образование основных дефектов,
связанных с некачественным нанесением клея, несоблюдением технологии его сушки,
невыполнение требований температурного профиля нагрева и остывания при посадке на
эвтектику, неровной посадкой кристалла и неправильным позиционированием со сдвигом
относительно центра оптической системы.
152
Наглядно об этих видах дефектов расскажут рисунок 3.9. и приложение 3.7. На
рисунке 3.9. показан вертикальный спил светодиода на кристалле CREE (3.9.а), у которого
практически отсутствует прослойка токопроводящего клея между нижним омическим
контактом (3.9.в), хотя боковая галтель клея нормальная и механически кристалл
держится прочно (3.9.б). Поэтому электрический контакт, обеспеченный лишь прижимом
к кристаллодержателю, совсем скоро нарушается и светодиод перестаёт работать.
На
рисунке
3.29.
изображён
горизонтальный
LO5SMQ___BOG с кристаллом CREE XBright
спил
светодиода
типа
TM
, посаженного на эвтектический сплав.
Сам кристалл на картинке отсутствует. Показан след от нижнего омического контакта
кристалла на дне лунки кристаллодержателя: лишь очень небольшая область контакта
(левая увеличенная часть рисунка) была действительно припаяна, остальная площадь
также держалась только на прижиме. Наряду с сильным сужением области прохождения
тока внутри кристалла, его плотность в этом локальном месте значительно возрастёт и при
некоторых значениях тока, и сам контакт, и эта часть кристалла начнёт разрушаться.
Процесс развивается достаточно быстро ещё и из-за сильного локального разогрева этого
места, и светодиод практически перестаёт нормально работать уже через несколько часов.
Наглядно развитие этого процесса легко обнаружить и проследить с помощью
измерения прямой ветви вольт – амперных характеристик, когда окажется очень заметным
развитие процесса разрушения контакта.
Также, среди дефектов производства характерно «непопадания» кристаллом в
центр первичной оптической системы светодиода. Возможно, на долговечности и
надёжности работы такая неисправность не скажется, однако диаграмма существенно
изменяет характер углового распределения силы света.
Следующая группа дефектов связана с операцией приварки контактных нитей к
контактным площадкам кристалла. Это осуществляется либо термокомпрессией золотой
проволоки, либо термоультразвуковой сваркой золотой или алюминиевой проволоки.
Установленный на клей или припаянный эвтектическим сплавом к кристаллодержателю
кристалл локально в области контакта или весь целиком нагревается до температуры 180
– 200 градусов Ц. и к нему опускается полая игла с заправленной в неё золотой
проволокой.
В момент касания высунутым из иглы кончиком проволоки контактной площадки
кристалла подаётся импульс ультразвуковой мощности, который буквально на мгновение
в этом месте разогревает проволоку до состояния плавления и тем самым она
приваривается к соответствующей площадке кристалла. Точно так же производится
приварка второго конца проволоки к контактному выступу на кристаллодержателе.
Указанные операции обеспечивают высокую прочность термокомпрессионных и
153
ультразвуковых соединений с алюминиевой и золотой проволокой диаметром 40 мкм
(усилие на отрыв 6,0-15,0г [45]).
а)
Боковая галтель
клея
Нижний контакт
кристалла
Кристаллодержатель
в)
Рисунок 3.29. Вертикальный срез светодиода на кристалле CREE MBrightTM .
Очевидно, что такая достаточно высокотехнологичная операция должна быть очень
хорошо
отлажена,
и
выполняться
с максимальной
точностью. Отступления
и
несоблюдения технологии на этом этапе приводят к нежелательным последствиям. Нить
остаётся лишь прижатой толщей материала линзы. Скорее всего, происходит это от
сильной разницы в коэффициентах линейного расширения материалов при изменении
температуры, составляющих всю конструкцию светодиода: металлического основания,
эпоксидной линзы, кристалла и самой нити, соединённых жёстко и не имеющих степеней
свободы. При полимеризации эпоксидной основы линзы тело конструкции приобретает
различные статические механические напряжения, особенно проявляющиеся при
изменении температуры. Тем более что значительный нагрев (до 120 град. Ц.) происходит
в области кристалла и он локален. Хотя, в случае с конструкцией, использующей
заполнение полости под линзовой крышкой кремнийорганическим гелем, подобный
дефект маловероятен из-за малой плотности геля, имеющего желеобразную консистенцию
154
и не меняющего свои свойства при температурах до +300 град. Ц. Однако полностью
исключать здесь возникновение такого дефекта не стоит по причине гораздо большей
плотности тока через кристалл и соответственно, гораздо больших амплитуд колебаний
линейных размеров из-за термического расширения.
Значительным шагом к повышению и механической прочности сварного
соединения, и качества его электрических характеристик стало применение в светодиодах
защиты
точек
сварки
контактных
нитей
с
электродом
кристаллодержателя
токопроводящим эпоксидным клеем. Добавление ещё одной операции нанесения клея в
технологическую цепочку производства полностью оправдано отсутствием проблем с
контактами в самых жёстких и длительных условиях эксплуатации
Однако есть ещё и зависимость появления этого дефекта и от формовки проволоки
в областях приварки и образования шарика, которая в некоторой степени демпфирует
разницу в изменении линейных размеров или изменение объёма твёрдого тела линзы при
её полимеризации (этот процесс может длиться несколько месяцев), создающее
дополнительное натяжение и напряжение всех жёстких соединений, не позволяя
проволоке отрываться.
Совершенно очевидно, что наиболее долговечным и механически надёжным
является вариант формовки нити, когда она имеет наибольшую степень свободы и
направление механического напряжения совпадает с её вертикальной осью, работая на
разрыв. А усилие на разрыв всегда в таком соединении гораздо больше, чем на сдвиг или
излом.. Дело в том, что в случае приварки контактной нити со стороны омического
контакта кристалла высокая механическая прочность и хорошая электропроводность
сварного соединения - отнюдь не все требования, предъявляемые к результату процесса
приварки. Здесь существует опасность нарушить не только механическую целостность
кристалла, но и тонкую структуру самого омического контакта. Омический контакт, как
известно, должен иметь линейную характеристику проводимости, малое сопротивление
(гораздо меньшее сопротивления толщи полупроводника) и не должен инжектировать в
низлежащие слои полупроводника неосновных носителей заряда. Иначе, он создаст ещё
один p – n – переход, его вольт – амперная характеристика перестанет быть линейной и он
приобретёт свойства выпрямляющего перехода. Соответственно, результирующая ВАХ
светодиода будет суммой наложения ВАХ основного излучающего гетероперехода на
ВАХ выпрямляющего омического контакта (рисунок 3.32.). И, как следствие, значительно
изменятся
все
энергетические
и
светотехнические
характеристики
светодиода.
Спровоцировать несанкционированную инжекцию может адгезия материала омического
контакта в прилегающую область полупроводника, фактически, сильно легировав её.
Особенно это проявится в кристаллах с близким расположением активной области p – n –
155
перехода от контакта (например, CREE – всего 1-2 мкм [13]). В свою очередь, это
легирование вполне может стать следствием несоблюдения вышеперечисленных условий
в процессе операции приварки контактной нити.
Представляемый метод исследования деградации был применён при изучении
влияния ультразвука (УЗ) на гетероструктуры при производственной операции приварки
контактных проводников к омическим контактам излучающих кристаллов. Выявлено, что
данная операция приводит к потере до 50 % светового потока уже после 10-15 тыс. часов
эксплуатации
гетероструктуры.
Исследование влияния внешнего
ультразвукового
воздействия на гетероструктуры GaP и AlGaInN, а также приборы на их основе было
проведено в работах [114,115].
Для эксперимента были выбраны наиболее известные кристаллы компании CREE MBrightTM и XBrightTM, выращенные на подложках SiC, и имеющие один омический
контакт для подсоединения контактного проводника. Использовались кристаллы, взятые с
адгезионного носителя пластины из одной локальной её области, что обеспечило
максимальную вероятность идентичности комплекса характеристик. Для устранения
действия повышенной температуры, возникающей в активной области кристалла, что
может существенно повлиять на деградационные характеристики (зависимости значений
различных величин от времени наработки) параметров был применён эффективный, с
точки зрения отвода тепла, кристаллодержатель без первичной оптики (параболической
лунки) (рисунок 3.30.), являющийся основой светодиода, описанного в работе [7]. По
отмеченной технологии было изготовлено 30 образцов. В начале кристаллы были
смонтированы на кристаллодержатели штатным образом, с применением машины
автоматической посадки. Затем с помощью специально изготовленной оснастки,
обеспечивающей контактное соединение без приварки (на основе механического прижима
упругого проводника к омическому контакту кристалла), были измерены:
- угловые распределения силы света образцов в нескольких плоскостях относительно
физической оси с шагом фиксации значения силы света Iv при каждом угле поворота
гониометра на D = 0,02 град. (1,2 угловые минуты) в диапазоне + 90 град. (приблизительно
7200 точек Iv) (методика измерения описана в предыдущих параграфах);
- прямые вольт - амперные характеристики в диапазоне 0 – 100 мА в 2-х режимах:
импульсном, со скважностью Q = 1/100 и с шагом 1 мА (100 точек Uf),
импульсном, со скважностью Q = 1/10 и с шагом 0,1 мА (1000 точек Uf), ток в паузе
между импульсами отсутствовал, время импульса при любом измерении составило t = 0,1
мс.
156
-обратная вольт – амперная характеристика измерялась в диапазоне Ur=0:-10 B c шагом
0,1В.
InGaN
SiC
Рисунок
3.30.
Схематическое
изображение
кристаллодержателя
без
лунки
с
установленным кристаллом типа CREE MBrightTM для эксперимента и фото образца на его
основе.
По результатам измерений диаграмм углового распределения силы света, был рассчитан
интегральный световой поток и его значения в различных областях пространственной
диаграммы. Эти значения, собранные вместе по принципу зависимости параметров от
времени, позволили получить картину перераспределения светового потока по объёму
диаграммы излучения в процессе наработки. Поскольку, оптика в образцах (кристалл на
плоском кристаллодержателе) полностью отсутствует, можно предположить, что такое
перераспределение существует и внутри излучающего кристалла, в его активной области,
где расположены квантовые ямы. Подробно данная методика исследования структур
описана в [115, 117]. Затем на части образцов (10 шт.) была приварена контактная нить
при
использовании
штатной
машины,
в
режимах,
соответствующих
обычной
производственной операции при массовом производстве светодиодов. После этого этапа,
был измерен комплекс параметров, описанный ранее. Затем все образцы были поставлены
на специально приготовленные платы для наработки. Электрический контакт у образцов с
неприваренным проводником обеспечивался, как и при измерениях, механическим
прижимом специальных упругих проволок к верхнему омическому контакту кристалла.
Каждый образец имел отдельный источник тока с тройной стабилизацией электрических
157
характеристик (прямого тока If) в течение всего времени наработки, которое, составило не
менее 6 месяцев (более 4500 ч.). Средняя плотность тока через кристалл при наработке
была выбрана 64 А/см2 (If =40 мА).
Описанный комплекс параметров измерялся у каждого образца через определённые
промежутки, а рассчитанные по результатам измерения величины составили в
совокупности деградационные характеристики исследуемых параметров излучающих
кристаллов, разница между которыми, в свою очередь, находилась в зависимости от того,
была ли применена операция ультразвуковой приварки контактного проводника или нет.
Для сравнения полученных характеристик удобнее обратиться к рисунку 3.31. В правом и
левом вертикальном ряду показаны зависимости для образцов, исследованных без
приварки контактной нити и с приваркой соответственно. Из первых двух графиков (3.31а
и 3.31б) следует, что в процессе эксплуатации вплоть до 4500 часов, световой поток у
двух типов образцов имеет существенно отличающееся изменение его плотности по
диаграмме углового распределения излучения. Имея в виду представленную конструкцию
исследуемого кристалла на подложке SiC, показанную на рисунке 3.30, у которого
имеется один центральный омический контакт, и сравнивая между собой оба графика,
можно отметить, что относительный рост доли светового потока на правом рисунке
наблюдается именно в области этого контакта (область от –45 до +30 град.). Смещение
семейства
кривых
относительного
распределения
на
этом
рисунке
в
сторону
отрицательных углов связано с особенностями измерения диаграмм пространственного
распределения силы света, и не содержит иных причин такого сдвига. Конечно, нельзя
назвать линейным изменение положения кривых распределения светового потока во
времени и на левом графике, но даже без каких-либо расчётов совершенно понятно, что
практически по всей диаграмме (во всём диапазоне углов), исключая самые дальние от
центра, боковые составляющие (углы более +70 град.), световой поток не претерпевает
перераспределения, изменяя лишь своё интегральное значение, о чём свидетельствует
рисунок 3.31в. Продолжая сравнение эффекта перераспределения светового потока, стоит
отметить также, что одна только операция приварки, без наработки, уже значительно
повлияла на поведение описываемых зависимостей, о чём свидетельствует кривая 2 рис.
3.31б. Данный факт может служить основанием для выводов о том, что ультразвуковое
воздействие, даже такое кратковременное и маломощное, будет оказывать существенное
влияние на работу излучающей структуры, и как следствие, на светотехнические и
электрические характеристики светодиодов на их основе в процессе дальнейшей
наработки.
Это
обусловлено
наличием
шунтирующих
центров
безызлучательной
рекомбинации в совокупности имеющих нелинейную ВАХ. При параллельном включении
158
с участками без дефектов, наблюдается существенное влияние на наклон (крутизну)
общей ВАХ. При приложении к излучающей структуре внешнего электрического поля
возникает инжекция носителей заряда, интенсивность которой будет зависеть от
величины этого поля и определять суммарный ток, но плотность этого тока в пределах
активной области кристалла не будет одинаковой по всей её площади (объёму). Плотность
тока упомянутых центров безызлучательной рекомбинации будет существенно выше из-за
значительно меньшего их потенциального барьера относительно широкозонных участков
структуры. Достаточно совсем небольшого времени протекания тока через эти элементы,
чтобы они были разрушены, например, из-за локального перегрева и превращены в
секторы с резистивным характером ВАХ.
Суперпозиция токов, протекающих через эти и рекомбинационные элементы
структуры, будет определять суммарную ВАХ. При самых больших плотностях тока,
обозначенных на графиках (соответствующие If = 80 – 100 мА), доминирующее действие
на изменение ВАХ оказывает уже последовательное сопротивление всей электрической
цепочки светодиода, изменяя характеристики в сторону больших значений прямого
напряжения. Следует отметить, что в данном случае сказывается и эффект разогрева
кристалла проходящим током, что также заметно на графиках ВАХ, измеренных при
меньшей скважности импульсов. Однако можно заметить, что у образцов с применением
УЗ сварки увеличение крутизны ВАХ наступает раньше по времени, и при значительно
меньших плотностях тока, с большим градиентом изменения. Увеличение крутизны ВАХ
в этом случае связано с пьезоэффектом в кристалле: при УЗ воздействии появляющиеся
локальные площадки с большой напряжённостью поля разных знаков, возникающей на
время действия механического импульса УЗ, образующие включения с каналами утечки,
как результат «выгорания» путей уравновешивания потенциалов (пробоя) образовавшихся
разностей напряжённости полей. Проводимость таких элементов существенно выше, чем
секторов барьерной структуры активной области, поэтому при больших плотностях тока
через кристалл доминировать в характере поведения суммарной ВАХ светодиода
(определять её крутизну) будут именно эти элементы [115].
Вольт – амперные характеристики, представленные на рис. 3.31д и 3.31е, также
имеют различия, с помощью которых можно сделать предположение о природе
возникновения
описанных
эффектов
перераспределения
светового
потока
и
деградационных явлений. На обеих графиках имеет место увеличение крутизны
характеристик со временем при средних плотностях тока.
Можно предположить, что новые каналы утечки в виде результатов пробоя, при
продолжающемся воздействии УЗ будут всегда возникать уже в других областях
кристалла.
159
1,25
1,5
dФ/dФ(0h)
dФ/dФ(0h)
1
1
2
1,2
1,4
2
3
3
1,15
4
4
1,3
5
1,1
1,2
1,05
1,1
1
1
0,95
W,deg.
W,deg.
0,9
-90
-75
-60
-45
-30
-15
0,9
0
15
30
45
60
90 -90
75
-75
-60
а
-45
-30
-15
0
15
30
45
60
75
90
б
1,24
1,04
Ф/Ф(0h),Ivmax/Ivmax(0h)
Ф/Ф(0h),Ivmax/Ivmax(0h)
1,02
1,2
Ф(T)
Ivmax(T)
1
1,16
0,98
1,12
0,96
0,94
1,08
Ф(T)
0,92
Ivmax(T)
1,04
0,9
1
0,88
Time,h
0,96
0
250
500
750
Time,h
0,86
1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000 4250 4500 0
в
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4500
4000
г
100
100
If,mA
If,mA
90
90
5
80
80
3
4
70
70
4
5
60
60
50
50
3
2
2
40
40
1
1
30
30
20
20
10
10
Uf,V
0
2,50
2,75
3,00
д
3,25
3,50
3,75
4,00
4,25
Uf,V
4,50
0
2,50
е
2,65
2,80
2,95
3,10
3,25
3,40
3,55
3,70
3,85
4,00
4,15
4,30
4,45
4,60
4,75
160
Рисунок 3.31. Характеристики исследуемых образцов в процессе наработки.
К рисунку 3.31. Без приварки контактной нити (воздействие ультразвуком отсутствует):
а – относительное перераспределение плотности светового потока Ф по углу излучения:
кривая 1(ось Х при Y=1)-0ч., 2-300ч., 3-1000ч.,4-4500ч.
в – деградационные характеристики светового потока Ф и максимальной силы света Ivmax
д – вольт – амперные характеристики: кривая 1-0ч. (шаг измерения 1мА), 2-0ч (шаг
0,1мА), 3-4500ч (шаг 1мА), 4-4500ч (шаг 0,1мА)
С приваркой контактной нити (воздействие ультразвуком):
б – относительное перераспределение плотности светового потока Ф по углу излучения:
кривая 1(ось Х при Y=1)-до приварки., 2-после приварки-0ч., 3-300ч.,4-1000ч., 5-4500ч.
г – деградационные характеристики светового потока Ф и максимальной силы света Ivmax
е – вольт – амперные характеристики: кривая 1-до приварки (шаг измерения 1мА), 2- до
приварки (шаг 0,1мА), 3-после приварки-0ч (шаг 1мА), 4-4500ч (шаг 1мА), 5-4500ч (шаг
0,1мА)
Это связано с тем, что увеличенная проводимость «пробитых» элементов не позволит
создаваться большим разностям потенциалов в местах их нахождения, и именно таким
образом будет прогрессировать дальнейшее изменение начальной ВАХ. В отличие от
локальных шунтирующих секторов, возникающих в области омических контактов при
воздействии внешнего электрического поля, данный эффект будет более влиятелен на
параметры структуры, и в частности, на ВАХ. Приведённые графики подтверждают это
предположение: чем больше плотность тока, тем больше разница в прямых напряжениях
при одном и том же значении тока. Если рассматривать структуру как параллельное
соединение площадок с различным содержанием индия в активном слое гетероструктур
твёрдых растворов InxGa1-xN, то различие в механических свойствах и степени проявления
пьезоэффекта у различных секторов с разным х, будет определять степень появления
шунтирующих элементов среди них и изменение доли их излучения в интегральном
составе структуры. Это проявляется как изменение спектрального состава излучения и
сдвига его в длинноволновую область после воздействия УЗ [117]. Очевидно, что
наибольшему разрушению подвержены элементы с низким содержанием индия,
генерирующие самое коротковолновое излучение, через которые проходят токи гораздо
большей плотности. Этим хорошо объясняется и существенное уменьшение прямого
напряжения при средних плотностях тока после воздействия УЗ (рис. 3.31е), потому как
низкосодержащие индий элементы, имеют самую большую Eg, и соответственно, самые
высокие значения Uf. Рост длинноволновых составляющих приводит к увеличению
эффективности излучения тех частей структуры, которые их излучают, что, однако не
пропорционально
существенному
изменению
параметров
излучения
секторов
с
161
центральными длинами волн, и поэтому суммарный интегральный световой поток
уменьшается [114, 117]. Вероятно, этот процесс перекликается с эффектом Штарка [4],
предполагающим спонтанную поляризацию в квантовых ямах гетероструктур с
образованием встроенных электрических полей, формирующих заряженные центры,
существенно влияющие на процессы излучательной рекомбинации. Проявлением этого
эффекта также является сдвиг основного излучения в длинноволновую область [22].
Описанные механизмы, приводящие к изменению хода ВАХ хорошо объясняют
диаграммы перераспределения светового потока по углу излучения (рис. 3.31а и 3.31б).
Действительно: относительное увеличение доли светового потока в центральной
(приконтактной) части кристалла со временем наработки, (рис. 3.31б), вызвано
значительным увеличением плотности тока в этой области. Если предположить, что
имеется пропорциональность этого процесса, то тогда плотность тока выросла
приблизительно в полтора раза (исходя из относительного роста светового потока). При
этом боковые составляющие потока наоборот существенно снизили свою долю в
суммарном значении, что незамедлительно сказалось на ходе деградации светового
потока (рис. 3.31г). При сравнении с той же характеристикой кристалла, не испытавшего
УЗ воздействие приваркой контактной нити, можно заметить, что изменение значения его
светового потока имеет противоположное направление. Во-первых, в ней отсутствует
участок резкого падения значения светового потока в начальный момент, который связан
именно с воздействием УЗ. Во-вторых, пропорциональное (по всей диаграмме излучения),
увеличение светового потока с минимальной степенью его перераспределения, вызывает
такое же увеличение суммарного значения (на ту же величину – около 20 %). В-третьих,
дальнейшая
деградация
светового
потока
будет
определяться
исключительно
механизмами длительного старения, например, описанными моделью Шокли – Холла –
Рида [4,11], а также диффузией материала омического контакта в ниже лежащие слои
полупроводника (металлизация), снижением квантового выхода отдельных секторов,
распределённых в объёме активной области по составу индия в материале структуры и
имеющих повышенные плотности тока, образованием заряженных центров в области
дислокаций и т.д., не приводящими, однако, к катастрофическим, и даже значительным
изменениям величины светового потока (как показали исследования, эта цифра может
составить около 2-3 % [117] в год) и других параметров.
Увеличение значения светового потока в начале деградационной характеристики
(при первых 2000 – 3000 часов наработки) объясняется в [8] подъёмом общего квантового
выхода структуры, связанного с увеличением концентрации заряженных акцепторов в
области пространственного заряда из – за дополнительной активации Mg при распаде
остаточных комплексов Mg – H, оставшихся после введения легирующего элемента при
162
эпитаксии AlInGaN. Когда ограниченный «запас» комплексов Mg – H заканчивается, над
процессами деградации начинают доминировать механизмы, определяемые дефектами
структуры или описанными выше эффектами. На деградационных характеристиках это
практически постоянно (в зависимости от плотности тока или условий эксплуатации)
отмечается в районе точек 2000 – 3000 часов наработки, и это всегда означает окончание
периода стабилизации параметров. Однако значительный рост светового потока в центре
диаграммы углового распределения излучения кристаллов с приваренной контактной
нитью не может не только компенсировать потери боковых составляющих, сохраняя
постоянство суммарного значения, но и продолжаться значительное время. С одной
стороны, описанный выше, и в [24] эффект сыграет свою стабилизирующую роль (рис.
3,31г): вплоть до 2000 часов наработки наблюдается рост светового потока (рис. 3.31в),
правда только уже в «отрицательной» половине координат, но с другой стороны, как
только ресурс процесса распада комплексов Mg – H истощится, повышенная плотность
тока через приконтактную область кристалла вызовет ускоренную деградацию светового
потока (причины и связь которой с плотностью тока подробно описаны в [20]) и
деградационная характеристика довольно динамично устремится вниз (рис. 3.31г). В
итоге, через одинаковое время наработки мы имеем почти 30 % разницу в значении
светового потока у исследуемых образцов (рис. 3.31в и 3.31г). Причём, если подходить к
этому факту с точки зрения абсолютного начального значения светового потока, то
процесс его деградации у образцов, проходивших наработку без применения приварки
контактного проводника, вообще ещё не начался: в точке 4500 часов он превышает
начальное значение на 16%, и, судя по ходу графика, не так скоро его снова достигнет.
Деградационные характеристики максимального значения силы света (рис. 3.31в и 3.31г),
в основном, определяются степенью перераспределения светового потока, и в случае
широкоугольной
диаграммы
направленности
излучения
будут
повторять
ход
характеристик потока.
Если
учесть,
что
операция
термоультразвуковой
приварки
контактных
проводников при монтаже кристаллов используется в подавляющем большинстве
производств светодиодов или иных полупроводниковых элементов, то можно сказать, что
на выходе конвейера мы получаем приборы, с некоторой потенциальной степенью
деградации параметров, отличающейся от той, которая была бы в случае отсутствия
воздействия ультразвука на структуру. Более того, беря такие приборы в качестве
образцов для других исследований структур, и изначально имея такой эффект, по
результатам проведённых испытаний на его фоне можно принять совершенно
неправильное решение. Из сказанного можно сделать один из самых важных выводов по
итогам представленного эксперимента: в излучающих кристаллах светодиодов имеет
163
место деградация параметров гетероструктур на основе InGaN при воздействии УЗ (в виде
технологической операции термоультразвуковой приварки контактных проводников к
омическим контактным площадкам кристалла); у кристаллов различных конструкций
физические механизмы деградации схожи, независимо от материала подложки.
Помимо таких распространённых дефектов на разных участках монтажа, в течение всего
процесса сборки светодиода можно выделить некоторые, также не менее известные. Это
скорее, примеры результатов несоблюдения технологической дисциплины в области
чистоты производственного помещения или монтажного оборудования. Однако, несмотря
на, на первый взгляд несерьёзность причины, последствия этого также приводят к выходу
из строя светодиодов.
В итоге, исходя из предварительных расчётов и практических особенностей проведения
измерений параметров, был определён следующий порядок формирования групп и
количество основных образцов с учётом вышесказанных принципов отбора:
100
If,mA
90
80
70
60
50
40
30
20
10
Uf,V
0
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
5
Рисунок 3.32. Вольт – амперная характеристика светодиода, омический контакт кристалла
которого имеет ярко выраженный выпрямляющий эффект – красная кривая на графике,
ВАХ исправного светодиода – зелёная.
1. Из каждой области (области 1 – 5 на рисунке 3.7.) протестированной пластины
изготавливалось не менее 20 светодиодов.
164
2. Каждый светодиод был измерен на стенде, и получена
диаграмма
пространственного распределения силы света Iv (W ) и прямое напряжение Uf при токе
80mA.
3. Перед сборкой светодиодов все кристаллодержатели были пронумерованы с
внешней стороны специальным маркером, след от которого не смывается водой и не
исчезает от применяемых при производстве химических соединений по принципу,
приведённому в таблице 3.4.:
Таблица 3.4.
Применяемость кристаллов в образцовых светодиодах.
Производитель
# группы
кристалла
Тип кристалла
Цвет
1
CREE
MBrightTM C470-MB290-E1000
Синий
В
В1 - В50
2
CREE
MBrightTM C527-MB290-S0500
Зелёный
G
G1 - G50
3
EPISTAR
ES-CEGH713
Зелёный
Z
Z1 - Z50
4
EPISTAR
ES-CARL512
Красный
R
R1 - R50
5
EPISTAR
ES-SAYL814
Жёлтый
Y
Y1 - Y50
6
LUMILEDS
HWFR-B317
Жёлтый
J
J1 - J50
Буква Диапазон
4. На стадии подготовки к посадке линзовой крышки (операция 8 технологической
цепочки сборки), помимо функционального теста, проводился тщательный визуальный
осмотр заготовок на предмет правильности выполнения предыдущих операций – посадки
кристалла и сварки контактных нитей. При отсутствии замеченных отклонений от
требуемых нормативов выполнения операций, к порядковому номеру добавлялась метка в
виде отдельной точки, расположенной рядом с ним (рисунок 3.33.). Далее сборка всех
диодов продолжалась в установленном порядке. Непомеченные приборы впоследствии
исследовались на деградацию по программе, подобной основной, но отдельно от
образцовых светодиодов для выяснения влияния тех или иных видов отклонений
технологии сборки на деградацию параметров. Завершением данного исследования стало
сравнение результатов деградационных характеристик.
5. После сравнения результатов, полученных в п. 2. всех образцов группы были
выбраны по 5 штук из каждой крайней зоны пластины. В итоге получилось 4 подгруппы в
каждой группе по 5 светодиодов в подгруппе. Всего 20 светодиодов в каждой группе. С
учётом количества групп (6, таблица 3.4.) получилось 120 образцовых приборов,
отобранных по всем вышеизложенным правилам.
165
Рисунок 3.33. Готовые образцовые светодиоды с нанесённым уникальным номером и
пометкой
(отмечено
стрелкой)
об
удовлетворительном
качестве
сборки,
свидетельствующим об их пригодности к измерению светотехнических характеристик для
сравнения и отбора.
3.4.
Комплексное
исследование
характеристик
светодиодов
различных
производителей
3.4.1. Исследования параметров светодиодов производства компании CREE
Совершенствование
технологии
производства
всех
компонентов,
составляющих
светодиоды типа CREE XLamp XL7090 и CREE XLamp XR7090 (излучающие кристаллы,
метод их установки на эвтектическую основу, линзы из кварцевого стекла, корпуса из
специальной керамики, люминофорное покрытие кристалла), действительно, существенно
повысило надёжность, энергетический выход излучения и коэффициент полезного
использования светового потока. В этих светодиодах значительно уменьшено тепловое
сопротивление p-n - переход – корпус, которое, как указывают производители, составляет
не более 8 оС/Вт [13]. Все эти новации стали возможными после начала промышленного
использования кристаллов семейства CREE ХВ, выращенных на подложке SiC,
достоинством которых является возможность монтажа с применением эвтектического
сплава, и обеспечивающего тем самым максимальный отвод тепла от p-n - перехода,
который расположен на расстоянии 2 - 3 мкм от омического контакта кристалла [13, 2].
Перенос этой технологии на производство кристаллов большого размера (0,9 х 0,9 мм)
позволил достичь высокого (по данным производителя - более 100 [13]), соотношения
лм/Вт, например, за счёт значительного уменьшения прямого напряжения Uf при
166
стандартных плотностях тока в 45-50 A/cм2 не только из-за построения структуры
излучающего кристалла в виде набора параллельно включённых участков p-n - перехода,
но и благодаря равномерному растеканию тока по объёму материала кристалла, что
обеспечивается упомянутым ранее омическим контактом, занимаемым всю площадь
нижнего торца кристалла, и, соответственно, создающим равномерное распределение
напряжённости электрического поля по площади p-n - перехода. Стоит также отметить и
то, что проводимость эвтектического соединения значительно выше проводимости
токопроводящего эпоксидного, что особенно сказывается на больших плотностях тока (до
90 A/cм2), и что также способствует минимизации прямого напряжения Uf. Увеличение
световой отдачи достигается и за счёт оптимизации формы самого излучающего
кристалла, позволяющей более эффективно выводить излучение за его пределы.
Говоря о полупроводниковых источниках белого света, стоит напомнить, что получение
белого цвета излучения основано на преобразовании спектрального состава первичного
излучения с помощью люминофора. Первичным, в данном случае, является излучение,
производимое кристаллом на основе гетероструктуры AlInGaN в области синего цвета,
преимущественно с доминирующими длинами волн в диапазоне 450 – 465 нм и
полушириной 18 – 25 nm [13]. При таком преобразовании происходит существенное
увеличение ширины спектрального распределения за счёт добавления переизлучённой
люминофором оптической мощности, особенно в области жёлтого и красного цвета
(рисунок 3.34).
Положение спектра излучения белого светодиода показано относительно кривой видности
МКО для оценки степени эффективности восприятия его глазом. Смещение основной
доли спектра в центр кривой видности, где чувствительность глаза максимальна, и
является основой эффекта преобразования люминофора. Суммарный спектр такой
комбинации кристалл – люминофор, получается гораздо более широким и заполненным,
чем, например, спектр вольтовой дуги в среде ксенона или даже, люминесцентной лампы.
Однако, как будет рассмотрено далее, этот факт следует трактовать с некоторыми
оговорками. Исходя из сказанного, поведение некоторых характеристик белых
светодиодов
будет
неизбежно
перекликаться
или
определяться
изменением
соответствующих параметров исходного кристалла с излучением синего цвета, поэтому
сначала стоит рассмотреть его характеристики.
На рисунке 3.35. приведены зависимости отношения люмен – потребляемый Ватт (далее lm/W) от плотности тока через кристалл.
167
1
Arb.units
0,9
0,8
White
Вlue
0,7
V(L)
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
l,nm
0
350
400
450
500
550
600
650
700
750
800
850
Рисунок 3.34. Спектры излучения: исходного кристалла синего свечения (красная линия),
белого светодиода с люминофором на его основе (синяя линия), кривая видности по МКО
(зелёная линия).
16,0
41,0
Светов.эфф,lm/W
КПД,(Popt/Pel),%
14,0
36,0
lm/W(el) C460XB900-S900
lm/W(el) C460MB290-S1600
Eff.,(Popt/Pel) C460XB900-S900
12,0
31,0
Eff.,(Popt/Pel) C460MB290-S1600
350mA
10,0
26,0
20mA
8,0
21,0
40mA
6,0
16,0
350mA
4,0
11,0
20mA
2,0
6,0
40mA
J,A/cm^2
0,0
1,0
0,0
10,0
20,0
30,0
40,0
50,0
60,0
70,0
80,0
90,0
100,0
Рисунок 3.35. Зависимости отношения lm/W и коэффициента полезного действия
(Popt/Pel) от плотности тока через кристалл J для различных типов кристаллов на основе
AlInGaN производства фирмы CREE.
168
Удобство представления этих зависимостей именно от плотности тока через кристалл, а
не от его значения, определяется тем, что в этом случае характеристики получаются не
связанными с геометрическим размером кристаллов, что позволяет оценивать их
абсолютную эффективность. Данное утверждение справедливо и для рассмотрения
светодиодов белого цвета свечения на основе кристаллов типа CREE MBright, имеющих
размеры 0,3х0,3 мм, и XB900-S9000A с размерами 0,9х0,9 мм., зависимости для которых и
показаны на рисунке 3.35. Из графиков можно заметить, что с одной стороны, отношение
lm/W при одинаковой плотности тока у кристаллов меньшего размера, соответственно,
существенно меньше, но в то же время, эффективность излучения, или коэффициент
полезного действия, напортив, значительно больше. Это показывает, что, построение
системы кристалл – переизлучатель, в виде используемого люминофора, на некотором
количестве кристаллов меньшего размера наиболее выгодно с точки зрения использования
электрической мощности по сравнению с применением одного большого кристалла.
Однако наиболее важный смысл диаграмм на рисунке 3.35 состоит в том, что тенденция
снижения эффективности излучения с ростом плотности тока через кристалл, имеет
определённый характер и не зависит от его размера. Можно заметить, что квантовая
эффективность, или светоотдача, как ещё называют иногда этот параметр, всегда
максимальна при малых плотностях тока и снижается более чем вдвое при достижении
предельно возможных значений тока. В реальных условиях это снижение обусловлено,
прежде всего, доминирующим действием разогревающего эффекта при прохождении тока
через структуру. Выигрышным окажется конструкция излучающего кристалла с
минимальным тепловым сопротивлением, позволяющим снизить разогрев. Данное
направление на увеличение эффективности отвода тепла является приоритетным в
разработке структур и технологий их производства, что и реализуется фирмой CREE в
своих разработках. Определено также, что дальнейшее совершенствование излучающих
структур на основе AlInGaN и подложках SiC, ставшее известным миру под маркой
«кристаллы типа EZR», имеет такую же тенденцию поведения квантовой эффективности,
что и их предшественники, о которых здесь идёт речь, с той лишь разницей, что за счёт
особой конструкции кристалла, снижение эффективности излучения наблюдается только
на
значительно
больших токах,
из-за описанного
выше,
меньшего
теплового
сопротивления. Это позволяет получать высокий КПД структуры (до 50%) при большой
плотности тока через неё и существенно повысить надёжность и срок службы светодиода
в целом. Однако этот факт позволяет сделать вывод о том, что упомянутая модернизация
не коснулась основного принципа работы излучающей структуры на основе твёрдого
раствора AlInGaN, а значит говорить о революционном изменении физических основ
работы
излучающей
структуры
преждевременно.
Точно
такое
же
поведение
169
эффективности излучения можно проследить и на графиках, представленных на рисунке
3.36., которые получены для двух типов светодиодов белого цвета свечения семейства
CREE XLamp. Следует отметить также и хорошо заметный на этих рисунках экстремум на
линиях графиков отношений lm/W при малых значениях плотности тока, который
характерен только для кристаллов типа XB900 – S9000ATM и повторяется в варианте
исполнения с люминофором. Вероятно, это связано с «резонансной» характеристикой
работы системы параллельных структур кристалла с большой площадью активной
области с определённым количеством квантовых ям, квантовый выход которых имеет
максимум лишь при определённой степени инжекции (или прямого напряжения).
При больших плотностях тока (с увеличением внешнего приложенного электрического
поля) начинают сказываться и доминировать другие факторы, снижающие эффективность
работы
такой
системы:
последовательное
сопротивление,
безизлучательная
рекомбинация, разогрев, неравномерность плотности тока по объёму кристалла.
Увеличение приложенной электрической мощности не вызывает соответствующего
пропорционального
увеличения
квантового
выхода,
поэтому
результирующая
эффективность падает. Следовательно, перед создателями излучающих структур большой
мощности стоит основная задача увеличения эффективности излучения именно при
высоких плотностях тока.
48,0
18,00
Светов.эфф.,lm/W
КПД.(Popt/Pel),%
42,0
16,00
lm/W(el) XL7090WHT
lm/W(el) XR7090WHT
Eff.,(Popt/Pel) XL7090WHT
Eff.,(Popt/Pel),% XR7090WHT
36,0
14,00
30,0
12,00
24,0
10,00
18,0
8,00
12,0
6,00
6,0
4,00
0
100
200
300
400
500
600
700
If,mA
800
Рисунок 3.36. Зависимости отношения lm/W и коэффициента полезного действия
(Popt/Pel) от прямого тока If через кристалл для различных типов светодиодов семейств
170
CREE Xlamp белого цвета свечения XL7090WHT и XR7090WHT на основе кристаллов
XB900 – S9000ATM производства фирмы CREE.
Исходя из сопоставления значений световой эффективности, обозначенных на графике
рисунка 3.36., можно определить коэффициент преобразования люминофора по световому
потоку (таблица 3.5.).
Таблица 3.5.
К оценке эффективности излучения и преобразования люминофора.
Ток
If,mA
50
100
200
300
350
400
500
600
700
800
Синий
Pb opt.,W
Фb,lm
0,023
1,894
0,050
4,191
0,090
7,539
0,122
10,237
0,137
11,500
0,152
12,763
0,178
14,944
0,201
16,839
0,219
18,369
0,239
20,092
Белый
О тнош ение
Pw opt.,W Фw,lm K=Фw/Фb
0,019
5,983
3,16
0,040
12,873
3,07
0,071
22,664
3,01
0,095
30,461
2,98
0,108
34,450
3,00
0,119
38,258
3,00
0,138
44,241
2,96
0,151
48,230
2,86
0,161
51,494
2,80
0,165
52,944
2,64
Если световой поток исходного кристалла синего цвета свечения равен 11,5 люмен при
350 mA, то при той же плотности тока, поток белого излучения с люминофором на основе
этого же кристалла будет, по данным измерений, в 3 раза больше (около 34,5 lm в таблице
3.5.). Исходя из этого, и имея в виду указанное в спецификации значение выходной
оптической мощности кристаллов С460XB900 – S9000ATM – 165 mW [1], на основе
которых построены белые светодиоды, то через пересчёт этой мощности в световой поток,
и умножив на коэффициент преобразования люминофора, можно получить значение 45 –
50 lm при потреблении около 1W электрической мощности (350 mA, 3,3 V), что и в
действительности подтверждается измерениями. В различных вариантах исполнения
белых светодиодов с люминофором, соотношение полученного светового потока белого и
исходного синего может доходить до 5, и как правило, в большинстве светодиодов
известных фирм, составляет не менее 4, что свидетельствует о качестве люминофора и
степени соответствия его свойств характеристикам исходного синего кристалла.
Максимальный коэффициент преобразования светового потока можно наблюдать в
светодиодах фирмы Nichia на основе кристаллов на подложках из сапфира. Постоянство
этого коэффициента не зависит от плотности тока на основном участке характеристики
171
при изменяющемся отношении lm/W, как видно из таблицы 3.5., и указывает на то, что
этот коэффициент зависит только от преобразующего действия люминофора и не связан с
другими факторами, влияющими на изменение суммарного светового потока.
По таблице 1, также можно оценить потери оптической мощности при переходе от синего
к белому с помощью того же люминофора. Как видно, потери могут составить до 25% при
различной плотности тока. Это может быть связано как с потерями непосредственно при
переизлучении люминофора (часть оптической мощности не выходит за пределы
люминофора и тратится на преобразование), так и с изменением спектрального состава
излучения синего кристалла при изменении тока [20]. Преобразование спектрального
состава излучения выражается в изменении коэффициента относительной спектральной
световой эффективности приблизительно во столько же раз, что и коэффициент
преобразования светового потока.
Возвращаясь к задаче оптимизации выхода светового потока при больших плотностях
тока, стоит обратить внимание на приводимые в спецификациях на светодиоды семейства
CREE Xlamp значения отношений lm/W. Последние сообщения [13] говорят не только о
преодолении «психологического барьера» в 100 lm/W, но и достижении цифры 131 lm/W.
Эти данные можно увидеть в [13]. Теперь попробуем разобраться в этих цифрах, имея в
виду сказанное о механизме работы белых светодиодов. Следуя измерениям и расчётам
характеристик реальных светодиодов различных «бинов» или ранков, которые отражены в
таблицах 3.5 и 3.6., можно заметить, что для достижения светового потока в 100 lm
необходима мощность излучения исходного синего кристалла, равная приблизительно 400
мВт (3.8.):
Таблица 3.6..
Энергетические характеристики различных типов белых светодиодов CREE.
Т ок
If,m A
50
100
200
300
350
400
500
600
700
800
Pb = Ф/K + N
М ощ ность XR 7090W HT
P,W
lm /W (el)
0,14
42,29
0,29
44,09
0,63
35,98
0,99
30,86
1,17
29,47
1,37
27,97
1,80
24,65
2,24
21,49
2,74
18,77
3,30
16,02
XL7090W HT
lm /W (el)
59,51
58,26
51,99
45,95
43,27
41,65
37,93
34,22
30,71
27,48
(3.8.)
172
Где:
Ф – световой поток 100 лм
K - относительная спектральная световая эффективность, равная в среднем 320 – 360
лм/Вт для этого типа светодиодов.
N = (Ф/K)*0,25 – потери на преобразование - не менее 25 % мощности излучения.
В упомянутых спецификациях сказано, что световой поток в 100 lm получен при
потребляемой электрической мощности 1W, чем подтверждается отношение в 100 lm/W,
полученное при больших плотностях тока, соответственно, найденная из (1) оптическая
мощность исходного синего (400 mW) даёт представление о КПД работы кристалла,
которая получается равной 40%. Если брать в расчёт следующее задекларированное
значение – 131 лм/Вт, то получается, что внешний КПД структуры может достигать 60%
при значениях плотности тока, эквивалентных прямому току через кристалл в 350 mA.
Совершенно понятно, что такое значение КПД по приведённой, достаточно грубой
оценке, едва достижимо для структуры AlInGaN, тем более, в коммерческом исполнении.
Это подтверждается и на рисунке 3.36., где на рекомендованных CREE рабочих токах этот
показатель, обозначенный там как отношение Popt/Pel очень далёк от предполагаемых
здесь цифр. Данное утверждение относится и к семейству светодиодов XR7090WHT,
световая эффективность которых оценивается производителем, как самая высокая при
токе через кристалл стандартного размера 0,9 х 0,9 mm - 700 mA (таблица 3.6.).
Приведённые рассуждения позволяют сделать вывод о том, что установленный так
называемый «психологический» барьер отношения 100 lm/W на данный момент, для
светодиодов линейки CREE Xlamp является результатом психологии, никак не связанной
с физикой работы полупроводниковых источников света, а скорее всего, сопряжённой с
большим желанием коммерческой части этого проекта иметь такую эффективность в
реальности. Однако, в то же время, не следует скидывать со счетов кропотливый труд
разработчиков и специалистов фирмы CREE, позволивший им в короткий срок освоить
выпуск светодиодов с реальной светоотдачей 50 лм/Вт, что также является не столь
плохим показателем, относительно аналогов [120].
Деградация параметров.
Задача достоверной оценки параметров светодиодов для построения на их основе какихлибо устройств значительно усложняется вследствие возникающей в процессе наработки
деградации параметров. Современные требования пользователей и разработчиков к
светодиодам уже не могут удовлетвориться общепринятой цифрой, которую указывают
практически все производители светодиодов, говоря, что наработка составляет не менее
100000 часов с потерей до 30% силы света или светового потока, и которая не
подтверждается никакими расчётами. Совершенно очевидно, что никто не проверял в
173
действительности, насколько достоверна эта величина, хотя бы потому, что для этого
потребуется не менее 11 лет, тем более что степень деградации большинства параметров
существенно зависит от многих факторов при реализации всей технологической цепочки
производства [5] и условий и режимов эксплуатации [7]. Оценка изменения параметров с
помощью методов ускоренной деградации при наработке в форсированном режиме не
является корректной из-за включения в таких режимах иных физических механизмов
работы полупроводниковой структуры, которые не влияют на поведение характеристик в
штатных
условиях
использования.
Однако
в
последнее
время,
производители
светодиодов, хотя и достаточно редко, стали помещать в спецификации зависимости
значений некоторых параметров от времени наработки, чтобы разработчики –
пользователи смогли учесть данные изменения при проектировании своих изделий.
Наиболее доступно получение такой информации и её публикация для крупных фирм,
имеющих заинтересованность и достаточные средства и возможности для проведения
экспериментов,
поэтому
появление
деградационных
характеристик
в
составе
спецификаций стало прежде, их прерогативой. Публикует такие данные и фирма CREE,
которые основаны на результатах их собственных исследований. Тем не менее, как
показала практика использования светодиодов в различных устройствах, часто возможно
расхождение большинства их реальных характеристик и приведённых в документации
производителя, что в свою очередь, делает необходимым проведение дополнительных
исследований силами пользователя, устанавливающих истинные значения параметров.
110%
Ф(0h)/Ф(t),%
100%
90%
80%
70%
Время,h.
60%
1000
а)
10000
100000
174
104%
Ф/Ф(0h),Iv/Iv(0h)
Ф(T)
Iv(T)
102%
100%
98%
96%
Время,h
94%
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
5500
6000
б)
Ф/Ф(0h),Iv/Iv(0h)
102%
Ф(T)
Iv(T)
100%
98%
96%
94%
92%
Время,h
90%
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
в)
Рисунок 3.37. Деградационные характеристики светового потока Ф и осевой силы света Iv
светодиодов CREE Xlamp типа XL7090WHT различных ранков, отсортированных по
значению светового потока. а – данные по деградации светового потока от CREE [13], б –
полученные для ранков с эффективностью 30 - 33 лм/Вт, в – полученные для ранков с
эффективностью 50 - 55 лм/Вт.
2000
175
Не оставлены были без внимания и детального анализа характеристик с этой точки зрения
и описываемые светодиоды линейки CREE XLamp. Поскольку основным физическим
параметром, характеризующим излучение этих светодиодов, является световой поток,
значение которого взято за основу формирования критериев сортировки по «бинам» или
ранкам, начать разговор следует именно с него.
Однако здесь стоит несколько оговориться, и указать, что световой поток представляет из
себя многомерный параметр, который может зависеть от многих прочих характеристик [2,
5], и таким образом уже они, эти характеристики, будут в итоге, значительно влиять на
отношение лм/Вт или координаты цветности (относительную цветовую температуру)
излучения, например. Поэтому, характеристики изменения светового потока удобнее
рассматривать одновременно с динамикой поведения других, смежных параметров,
например, силы света, так, как показано на рисунке 3.37., где приведены деградационные
характеристики светового потока и осевой силы света светодиодов. Сначала остановимся
на световом потоке, обозначенном на графике Ф(Т). Полученные зависимости светового
потока от времени наработки показывают различное поведение характеристики при
разных начальных его значениях. Исследования проводились при рекомендуемом
производителем токе 350 мA через кристалл и теплоотводе площадью более 100 cm2, что
существенно больше требуемого, поэтому температурный режим светодиода был
однозначно соблюдён. Как видно из графиков рисунка 3.37., большему значению
светового потока (рисунок 3.37.б) (что соответствует большему отношению лм/Вт),
свойственно большее падение его значения со временем. Однако и у светодиодов с
эффективностью 30 - 33 lm/W (низшие ранки) также соответствия с данными CREE
(рисунок 4а) не наблюдается. Показано, что окончание периода стабилизации параметров
и переход значения светового потока через 100% к снижению, у CREE наблюдается при
5000 часах наработки, в то время как у реальных образцов эта цифра колеблется от 800 до
2500 часов. Но самое важное, что после этого временного периода, градиент деградации
светового потока у реальных светодиодов не снижается, или в лучшем случае, несколько
замедляется, достигнув уже неприемлемого значения для указанного времени наработки.
Это означает, что уже по истечении приблизительно месяца службы, суммарный световой
поток у светодиодов снизится на несколько процентов, а через полгода снижение может
достичь 6 – 8 %. Хотя, диаграмма на рисунке 3.37а говорит о другом. На первый взгляд,
это не столь большие цифры, но если привести рассуждения, показанные далее, то можно
сделать вывод, что это отнюдь не утешительная статистика.
На этом этапе следует остановиться на некотором разъяснении причин такого поведения
характеристик.
Обратимся
ко
вторым
кривым
на
графиках
рисунка
3.37.
–
деградационным характеристикам осевой силы света. Как можно заметить, деградация
176
силы света не только отличается от деградации светового потока величиной, но и может
иметь другой закон изменения, наклон или градиент. Степень такого отличия от
поведения характеристики светового потока тем больше, чем больше градиент падения
суммарного светового потока, как на рисунке 3.37в. В случае с монохромными
светодиодами, причина такого эффекта также подробно описана в [4,54,117]. Однако
стоит напомнить, что изменение осевой силы света не учитывает изменения значений
силы света по всей диаграмме пространственно распределения, поэтому именно световой
поток отражает истинность деградационных явлений энергетической характеристики
излучения. Поэтому разница градиентов изменения может быт следствием только одного
явления,
помимо
распределения:
просто
неравномерного
перераспределения
изменения
светового
потока
значения
по
по
объёму
диаграмме
диаграммы
направленности излучения, возможно даже, без изменения значения суммарного потока.
Практика исследования деградационных явлений показала, что наибольшей деградации
светового потока будет соответствовать наибольшая степень его перераспределения по
объёму диаграммы распределения. Что мы и можем наблюдать на рисунках 3.37. Для
более наглядного представления этого эффекта применительно к описываемой группе
белых светодиодов на основе люминофора,
удобнее рассматривать
диаграммы
относительного распределения светового потока, приведённые на рисунке 3.38.
Здесь можно наблюдать тенденцию перераспределения светового потока, которая
прослеживается у всех типов светодиодов, в основе которых лежит излучающий кристалл
CREE типа С460XB900 – S9000ATM. Как и отмечалось в [4], большая площадь
поверхности такого кристалла будет определять неравномерное распределение плотности
светового потока по диаграмме излучения, что ещё больше проявляется при деградации.
Поэтому динамика перераспределения и деградации в процессе наработки будет иметь
достаточно сложный характер, показанный на рисунке 3.38а в диапазоне времени
наблюдения 0 – 8000 часов (1год), однако их характер в целом вполне различим. Хорошо
заметно, что в диапазоне улов излучения + 40 градусов (центральная область) имеет место
уменьшение значения потока относительно начала наработки (0h), в то время как в районе
+ 50 – 70 градусов наблюдается его значительное увеличение, хотя и в меньшем диапазоне
углов. На первый взгляд, такие метаморфозы явно указывают на уменьшение суммарного
светового потока из-за существенного его провала в центре характеристики, однако
применение прецизионных измерений и расчётов светового потока в различных областях
диаграммы с высокой точностью, позволили установить, что указанный провал
пропорционально компенсируется увеличением боковых составляющих диаграммы.
177
1,15
Ф(T)/Ф(0h)
1,1
1,05
1
0,95
0,9
0h
4300h
0,85
6000h
8000h
0,8
W ,deg.
0,75
-90
-80
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
а)
1,2
Ф (T)/Ф (0h )
1 ,1 5
1,1
1 ,0 5
1
0 ,9 5
0,9
0 ,8 5
0,8
0h
0 ,7 5
3 60h
3 300 h
0,7
4 400 h
8 000 h
0 ,6 5
0,6
0 ,5 5
W , deg.
0,5
-1 00
б)
-80
-60
-4 0
-20
0
20
40
60
80
10 0
178
1,15
Ф (T)/Ф (0h)
1,1
1,05
1
0,95
0,9
0h
0,85
60 0h
10 00h
20 00h
0,8
0,75
0,7
W ,deg .
0,65
-100
-80
-60
-40
-20
0
20
40
60
80
в)
Рисунок 3.38. Характеристики относительного распределения светового светодиодов
CREE Xlamp при различном времени наработки: а - исходного синего, как основы для
белого типа XL7090ROY-L100 и XL7090WHT различных ранков, отсортированных по
значению светового потока: б – для ранков с эффективностью 30 - 33 лм/Вт, в – для
ранков с эффективностью 50 - 55 лм/Вт.
Поэтому процесс деградации энергетических параметров излучения может быть вполне
описан характером перераспределения светового потока, а изменение численного
значения суммарного потока связано с различной скоростью и степенью этого
перераспределения в отдельных областях диаграммы пространственного распределения.
По причине этого, в начале наработки, несмотря на то, что мы наблюдаем рост значения
суммарного светового потока (рисунок 3.37), видим на рисунке 3.38, что его плотность
просто перераспределена, и таким образом, если в центре имеется уменьшение, то,
соответственно, рост
доли потока в
средней
части
оказывается большим по
эффективности и он не только компенсирует провал, но и оказывается опережающим. К
сказанному следует добавить, что такой эффект ещё обусловлен и тем, что доля потока в
удалённых от центра частях диаграммы оказывается более весомой не только из-за
увеличения амплитудного значения светового потока в них, но и из-за существенно
большего значения объёмного интеграла на больших углах диаграммы.
100
179
В случае с применением люминофора в белых светодиодах, задача достоверного ответа
как на причины деградации, так и на правильную оценку параметров светодиодов для
разработчиков, оказывается более сложной и более простой одновременно. С одной
стороны, находящийся поверх кристалла люминофор, значительно сглаживает все
процессы перераспределения, с другой – в такой конструкции начинают проявляться
другие эффекты, уже свойственные только излучению широкого спектра, близкого к
белому. Но об этом будет сказано в следующем параграфе. А если продолжить
рассмотрение диаграмм на рисунке 3.38б и 3.38в, то можно увидеть, что характер
относительного перераспределения светового потока белых светодиодов с различными
отношениями эффективности излучения лм/Вт, в «сглаженном» виде, полностью
соответствует диаграмме исходного синего на рисунке 3.38а. Однако и здесь видно, что
наиболее резкие и большие по амплитуде изменения свойственны светодиодам с
наибольшими показателями эффективности. Более известный [117] вид описанных
деградационных явлений может быть выражен в виде семейства индикатрис исследуемых
светодиодов и измеренных в различное время наработки. Он представлен на рисунке 3.39.
Эти данные, показанные в качестве примера, могут быть полезны специалистам –
светотехникам для расчётов параметров светильников на основе этих светодиодов. На
практике явления перераспределения светового потока источника излучения могут
существенно повысить габаритную яркость светильника и показатель ослеплённости
системы светильников на основе светодиодов, а также изменить угловое распределение.
Последнее наиболее заметно при применении оптики, которая значительно усилит все
описанные эффекты. Учёт этих параметров особенно важен при проектировании
аварийного или основного освещения помещений с жёсткими и наиболее ответственными
условиями эксплуатации (подводные лодки, шахты, бортовое освещение). Добавляя к
сказанному, стоит заметить, что подобное перераспределение светового потока
свойственно не только полупроводниковым излучателям, но и другим источникам света.
Колориметрические характеристики белых светодиодов от CREE
Для полноты представления параметров светодиодов линейки CREE XLamp нельзя не
коснуться цветовых характеристик [120]. На этот счёт у CREE также имеется большой
раздел в спецификации, на котором указаны ранки светодиодов, координаты цветности
которых попадают в соответствующие части области цветности общей зоны белого по
рекомендациям МКО [29]. Попробуем разобраться в предложенной системе и параметрах
реальных светодиодов. Помимо обозначенных в предыдущих параграфах тонкостей
разработки и производства белах светодиодов на основе люминофора, существует
проблема
равномерности
цветовых
параметров
пространственного распределения силы света.
излучения
по
диаграмме
180
20
Iv,cd
18
0h
600h
1000h
2000h
16
14
12
10
8
6
4
W ,d eg
2
0
-100
-80
-60
-40
-20
0
20
40
60
80
100
Рисунок 3.39. Абсолютные диаграммы пространственного распределения силы света
светодиодов CREE Xlamp типа XL7090WHT при различном времени наработки.
0 ,4
З о ны цве тно ст ей X L 7 0 90 W H T -L 1 00
Л ин и и цве то вы х те м пе р ат ур
Н а р а бо тка 0 h
Н а р а бо тка 8 0 0 0 h
0,38
4 500 K
WH
0,36
+ 90 o
WG
WJ
5 300 K
0,34
CCy
WF
+ 45
WE
+4 5
WB
90 00K
0o
WD
+9 0 o
o
+6 0 o W C
0,32
0 ,3
+60 o
o
75 00 K
WA
+3 0 o
0,28
150 00 K
0o
0,26
0 ,2 6
а)
0 ,2 7
CCx
0,2 8
0 ,2 9
0 ,3
0,31
0 ,3 2
0 ,3 3
0 ,3 4
0 ,3 5
0 ,3 6
0,37
181
0,4 2
+9 0 o
Зоны ц ветн остей X L709 0W HT -G 100
Л инии цв етов ых тем пер атур
Нар аботка 0h
Нар аботка 2000h
0 ,4
0,3 8
WH
+6 0 o
0,3 6
WG
+9 0
+4 5 o
0,3 4
45 00 K
o
WJ
WF
CCy
0,3 2
7 50 0K
5 30 0K
WD
WE
WB
+6 0
90 00 K
o
0 ,3
+4 5 o
WA
0o
0,2 8
1 50 00 K
0,2 6
+3 0 o
0,2 4
CCx
0o
0,2 2
0,25
0,2 6
0,2 7
0,2 8
0,2 9
0,3
0 ,3 1
0,3 2
0,3 3
0,3 4
0 ,3 5
0 ,3 6
0 ,3 7
б)
0,42
+60
З оны цве тно стей XL7 090 W HT-G1 00
Ли нии цветов ых тем пера тур
Н ар або тка 0 h
Н ар або тка 2 000h
0,4
o
+90
o
0,38
WH
0,36
WG
0,34
4500K
5300K
+90 o
WJ
WF
CCy
0,32
WD
WE
7500K
+60
WB
o
+ 45 o
9000K
0,3
WA
+45
0,28
0
15000K
0,26
o
o
+30 o
0,24
0o
0,22
0,25
CCx
0,26
0,27
0,28
0,29
0,3
0,31
0,32
0,33
0,34
0,35
0,36
0,37
в)
Рисунок 3.40. Угловое распределение координат цветности светодиодов CREE XLamp в
процессе наработки и их положение относительно установленных производителем зон
цветности различных ранков. а – светодиоды типа XL7090WHT-L100 ранк WF, б светодиоды типа XL7090WHT-G100 ранк WD с эффективностью 30 - 33 lm/W, в -
182
светодиоды типа XL7090WHT-G100 ранк WD с эффективностью 50 - 55 lm/W. Значения
углов обозначены на кривых точками, положительные и отрицательные углы совмещены.
Это, прежде всего, связано с особенностями технологии нанесения и осаждения
люминофора на кристалл при производстве. Совершенно очевидно, что чем больше
площадь кристалла, тем труднее соблюсти пропорциональность слоя люминофора по этой
площади с учётом соответствующего распределения плотности излучения по ней. А если
ещё в силу вступают эффекты перераспределения этой плотности в процессе наработки,
то можно предположить, что технология нанесения люминофора должна учитывать
большое количество факторов и условий. Совершенствование методик и средств
исследований характеристик излучения полупроводниковых источников позволяет
сделать оптимальным эту технологию. Рассмотрим, как над этим вопросом поработали
специалисты фирмы CREE.
На рисунке 3.40 показаны задекларированные в спецификации для светодиодов CREE
XLamp области цветности и соответствующие им цветовые параметры исследуемых
светодиодов. Графики построены таким образом, что, фактически, на них отражены
диаграммы углового распределения координат цветности и их положение отражено
относительно регламентируемых производителем зон. Более того, для каждого из трёх
типов приведённых светодиодов даны по 2 зависимости с начальным значением, и после
некоторой, указанной на графике наработки.Это сделано для того, чтобы можно было
оценить динамику и степень изменения цветовых характеристик.На графиках рисунка
3.40. показано, что ни в начальный момент, ни после наработки, нельзя отметить
соответствие
установленным
цветовым
параметрам
спецификации
и
реальных
светодиодов. Однако рассматривать однобоко эти несоответствия некорректно. Дело в
том, что различным зонам диаграммы направленности соответствуют не только
различные координаты цветности, но и, как мы выяснили ранее, различные доли
суммарного светового потока. Например, крайним точкам кривых (0о-+20о или +80о-90о)
будет соответствовать лишь небольшая доля потока – всего по 5 – 7%. Но при восприятии
глазом под соответствующим углом наблюдения, цветовые различия будут заметно
ощутимы, именно так, как показано на рисунке 8. Справедливость такого подхода к
оценке цветовых параметров может быть лишь в одном случае: когда весь световой поток
с набором цветовых оттенков собран в поле зрения 1о и занимает всё поле зрения
«стандартного
наблюдателя
МКО».
Однако
угловая
характеристика
излучения
светодиодов, как известно, только по уровню 0,5Iv составляет 100о и не может быть
рассмотрена именно так.
Следует отметить, что в свете описанных зависимостей деградации и перераспределения
светового потока, можно достаточно точно описать причины появления столь высокого
183
разброса координат цветности излучения белых светодиодов. Если сопоставить графики
рисунков 3.38б, 3.38в и 3.40б, 3.40в, то можно заметить, что на тех же самых углах
диаграммы (приблизительно 30 – 70 градусов), где происходит увеличение доли потока со
временем наработки, отмечается максимальное изменение координат цветности. Это
можно заметить по изменению расстояния между точками +45о и +60о, которое
выражается соответствующим изменением координат цветности излучения в этой
области. Действительно: увеличение интенсивности исходного излучения в этой области
повышает долю коротковолнового составляющего спектрального распределения и
«подтягивает» координаты цветности этой области в сторону синего цвета на цветовом
графике МКО. Поскольку изменение интенсивности излучения в разной степени
происходят практически во всех областях диаграммы, вся характеристика углового
распределения координат цветности смещается в зону высоких цветовых температур.
Падение доли светового потока в самом центре диаграммы, тем не менее, не
останавливает уход и этой области в том же направлении, прежде всего, в результате
изменения спектрального состава излучения приконтактной центральной зоны исходного
кристалла в коротковолновую сторону, и также уменьшении амплитудного значения
потока этой области.
Так же как и ранее, в случае со световым потоком, показано, что наибольшему разбросу
координат цветности светодиодов различных ранков по значению эффективности лм/Вт,
соответствуют приборы с высокими показателями эффективности. Совершенно понятно,
что это обусловлено именно перераспределением плотности потока. Это подтверждается
и сравнением графиков 3.38а и 3.40а, где показаны зависимости для светодиодов с
эффективностью 30 - 33 лм/Вт, где малая степень перераспределения определяет
небольшой разброс цветовых параметров и стабильность их при наработке. Имея в виду,
что указанные деградационные эффекты происходят за достаточно короткое время,
несоответствие параметров будет проявляться уже на первом месяце эксплуатации
светодиода. Таким образом, полученные нежелательные изменения можно учесть при
производстве светодиодов, внеся коррективы в технологию распределения плотности
осаждения люминофора. Судя по полученным данным, такая коррекция на CREE не
производилась. По представленным результатам исследований образцов, можно сделать
вывод о том, что получение высоких значений (до 50 лм/Вт) эффективности излучения в
данном случае, было достигнуто в основном, увеличением доли составляющих светового
потока от исходного синего кристалла, что определило такой большой диапазон
изменения координат цветности и поведение деградационных характеристик, а не за счёт
применения кристаллов большей мощности с соответствующим законом нанесения
люминофорного покрытия.
184
Развитие отдельной ветви эпитаксии гетероструктур на карбидкремниевых подложках
оказалось крайне удачным по достигнутым характеристикам и коммерчески выгодным,
что было трудно усмотреть на заре этого развития. Как результат, мы имеем сейчас
промышленные светодиоды CREE с КПД, близким к 40%, способные излучать около
100лм с 1го потреблённого Ватта энергии. Стоит отметить и тот факт, что за время
проделанного пути, компанией существенно усовершенствовалась технология нанесения
люминофора
на
излучающие
кристаллы,
обеспечивая
малую
неравномерность
колориметрических характеристик по углу излучения и возможность применения
узконаправленных линз, а также оптическая часть корпуса светодиода, «доработанная» до
отсутствия
оптики
как таковой,
в отличие от
изысканий
с «плавающей» в
кремнийорганическом геле линзой в варианте XLamp7090 XR-E. Результатом описанных
преобразований и опыта применения светодиодов CREE стало промышленное освоение
компанией нового семейства светодиодов XLamp XP-E (показано на рис. 3.41) с другой
концепцией построения корпуса.
Измерения проводились в 10-12 плоскостях пространства для наиболее точного расчёта
светового потока и интегральной оптической мощности излучения. Относительное
спектральное распределение плотности энергетической яркости (ОСПЭЯ) измерено с
шагом в 0,5 нм. В результате, были сформированы блоки данных о представленных
образцах, включающие 30 параметров. В сравнении с данными спецификаций, эти
результаты приведены в таблице 3.7. В дополнение можно сказать, что большинство
параметров рассчитаны исходя из результатов, полученных при измерении 3-х образцов
каждого типа, отличающихся по заявленным значениям цветовой температуры и
светового потока.
Можно заметить, что мощность излучения находится в прямой пропорции с увеличением
коррелированной цветовой температуры излучения, несмотря на то, что, судя по
одинаковому значению максимальной длины волны, в качестве первичных излучателей
использованы идентичные кристаллы. При этом очевидно также, что традиционно
наиболее эффективны высокотемпературные светодиоды, у которых КПД преобразования
электрической мощности в свет доходит до 30%. Однако также можно предположить, что
для типа светодиодов, имеющих высокую коррелированную цветовую температуру, были
использованы более мощные исходные чипы, о чём может свидетельствовать как
увеличенное прямое напряжение, так и, соответственно, общая потребляемая мощность.
И, тем не менее, световая отдача, или эффективность составляет более 90 лм/Вт. У
приборов с меньшей цветовой температурой, также можно отметить высокие значения
световой эффективности (76 и 83 лм/Вт), что непросто достичь при таких низких
значениях температуры. Это свидетельствует о высоком качестве исполнения нанесения
185
люминофора на кристалл, о его конфигурации и составе, что и позволяет реализовывать
значительные (6-8) коэффициенты преобразования энергии излучения исходного синего в
полученный белый.
Отдельно стоит остановиться на колориметрических и спектральных характеристиках. В
качестве положительного результата, можно отметить практически точное «попадание»
координат цветности на линию цветовых температур «Чёрного тела» равноконтрастного
цветового графика МКО-31 (рисунок 3.42). Исходя из этого, можно считать, что
светодиоды
типа
XPEWHT-L1-0000-00AE7
7C
Q2
практически
соответствуют
Планковскому источнику типа «А» с цветовой температурой 2856К, что также
подтверждается двумя очень близкими цифрами в последних графах таблицы 3.7., где
рассчитаны 2 значения температур, которые в идеале совпадут.
Это говорит о высоком индексе цветопередачи этих приборов относительно указанного
стандартного источника. В то же время, если первые 2 типа светодиодов находятся в
соответствии с параметрами их «биновой» комбинации, заявленной в спецификации,
приборы типа XPEWHT-L1-0000-00F51 R3 T1 отличаются повышенной цветовой
температурой относительно нормируемого значения. Похожее несоответствие можно
заметить и при сравнении угловых характеристик излучения: все значения по
приведённым основным плоскостям пространственного распределения энергетической
силы света завышены в среднем на 10 градусов.
Рисунок 3.41. Внешний вид светодиодов CREE XPEWHT-L1-0000-00CE5 5F слева и
XPEWHT-L1-0000-00AE7 7C справа. Визуально отличаются составом (оттенком) и
количеством нанесённого на излучающий кристалл люминофора.
186
0,45
Линии цветовых температур
0,43
Общая зона белого цвета МКО-31
XPEWHT-L1-0000-00AE7 7C Q2
2856К
XPEWHT-L1-0000-00CE5 5F Q4
0,41
2700K
XPEWHT-L1-0000-00F51 T1 R3
Source"A"
SOURCE
0,39
3400К
4500K
0,37
4000K
0,35
CCy
5100K
4900K
5600K
Source"B"
Source"D65",Sun
0,33
Source"E"
Source"C"
0,31
7400K
0,29
0,27
10000K
9000К
15000K
CCx
0,25
0,26
0,27
0,28
0,29
0,3
0,31
0,32
0,33
0,34
0,35
0,36
0,37
0,38
0,39
0,4
0,41
0,42
0,43
0,44
0,45
0,46
0,47
Рисунок 3.42. Положение координат цветности исследуемых образцов относительно
линии АЧТ и общей зоны цветности белого цвета.
Одними из первых светодиодов из арсенала CREE, реально приблизившихся к отметке
100лм с одного светодиода (при потребляемой мощности около 1Вт), стали семейства
XLamp XP-E и XLamp XP-G. Их внешний вид показан на рисунке 3.43.
а)
б)
Рисунок 3.43. Светодиоды CREE. а) – светодиод типа XLamp XP-E WHT, б) – светодиод
типа XLamp XP-G WHT.
187
Таблица 3.7.
Характеристики образцов и данные спецификаций.
Тип светодиода
Параметр
Оптическая мощность, W
XPEWHT-L1-0000-00AE7 7C Q2
Полученные
Норма по D.S.
0,264
XPEWHT-L1-0000-00CE5 5F Q4
Полученные
Норма по D.S.
0,298
XPEWHT-L1-0000-00F51 R3 T1
Полученные
Световой поток, lm
79,38
Сила света максимальная, cd
26,77
29,31
32,43
Сила света осевая, cd
26,68
28,97
32,37
расстоянии 2м, lx
13,36
14,51
16,21
Сила излучения максимальная, W/sr
0,089
0,096
0,106
87,4 - 93,9
89,52
Норма по D.S.
0,359
100 - 107
110,03
122 - 130
Освещённость по оси на
Угол излучения 2Q0,5Iv, deg:
0-0
113,52
115
114,87
115
124,08
115
0-45
110,88
115
116,27
115
126,76
115
0-90
113,52
115
114,88
115
124,12
115
45-0
113,3
115
115,69
115
127,81
115
средний
112,81
115
115,43
115
125,69
115
Потребляемый ток, A
0,35
0,35
0,35
0,35
0,35
0,35
Напряжение питания, V
2,99
3,2
3,068
3,2
3,368
3,2
1,0
1,074
1,0
1,179
1,0
Потребляемвя мощность, W
1,046
Световая эффективность, lm/W
75,85
83,37
93,34
Фотометрическое отношение, cd/klm
337,2
327,4
294,8
КПД, %
25,22
27,72
30,41
301,28
301,3
306,9
0,02
0,02
0,03
Спектральная световая
эффективность, lm/W
Энергетическая освещённость
по оси на расстоянии 2м, W/m^2
Длина волны максимальная, nm
Длина волны центроидная, nm
612
453,5
452,5
603,5
575,5
543,5
Ширина спектра излучения по
уровню 0,5Р, nm
226,5
210
206
210
22
140
311
320
295,5
300
239
250
0,446
0,443
0,369
0,375
0,306
0,315
0,415
0,356
0,368
0,318
0,35
Ширина спектра излучения по
уровню 0,1Р, nm
Координаты цветности
X
Y
0,403
Z
0,151
0,276
0,377
Доля ОСПЭЯ отн. V(l), %
69,1
62,3
36,3
Коррелированная цветовая
температура (ССТ), K
2822,1
3000
4180,4
4000
7059
Цветовая температура по
Планку (приведённая), K
2527,5
3627,5
7389,5
6000
188
3.4.2. Исследования параметров светодиодов CREE XLamp XP-E, XLamp XP-G и
XLamp XM-L
Эта серия стала удобной для применения вторичной оптики, линз-насадок, групповых
линз из-за существенно меньших размеров корпусов по сравнению с предыдущими
моделями. Однако значительно уменьшить размеры самого светящего тела светодиода (в
виде кристалла и кремнийорганической линзы) не представляется возможным из-за
размеров самих кристаллов, а именно это обстоятельство и является условием высокой
эффективности работы короткофокусной оптики. И, тем не менее, уже известны
светотехнические изделия на основе этих светодиодов, разработанные и для уличного
освещения, и для офисного. Применение этой серии позволило получать эффективность
таких светильников вплоть до 85лм/Вт, что на сегодняшний день считается высоким
показателем и поводом для массового применения. Но помимо эффективности,
светодиоды и устройства на их основе характеризуются целым комплексом параметров,
которые в разной степени могут быть обеспечены этой линейкой приборов.
Как и в прежних исследованиях, образцы прошли измерения по целому комплексу
характеристик [120], более 30 из которых помещены в таблицу 3.8. Прежде всего, следует
отметить достаточно высокое приближение полученных значений параметров к
заявленным. Самым интересным, конечно тут является световой поток, который
отличается от «виртуальных» условий спецификации, практически нереализуемых ни
одним из потребителей (при температуре активной области кристалла Tj= +25 Co), в
основном, не более чем на 10% в сторону уменьшения. Вообще, что касается светового
потока и световой эффективности, то по отношению к CREE, вряд ли стоит указывать
область несоответствия: весь многолетний опыт измерений подтверждает, что она всегда
«отрицательная», то есть значения этих параметров всегда ниже задекларированных.
Однако для устранения казуса «виртуальности» данных спецификации о световом потоке,
силе света и прямом напряжении, зависящих от температуры, инженерами CREE
придумана программа расчётов параметров светодиодов в зависимости от разных
температурных условий использования светодиодов (РСТ, [13]). Можно выбирать как
условие, саму температуру p-n перехода, тогда все биновые комбинации будут
соответствовать спецификации, либо указывать температуру точки пайки - Tsp, тогда
программой в расчёт будут браться значения теплового сопротивления переход-корпус и
температура p-n перехода рассчитается уже с учётом этого сопротивления. В программе
используются «зашитые» в неё зависимости светового потока от температуры p-n
перехода, и далее, в соответствии с ними, рассчитывается окончательное значение потока.
Поэтому, если при использовании светодиода речь не идёт об отрицательных
температурах окружающей среды, то всё, что больше +20…+ 22 Co, уже не будет
189
соответствовать спецификации. Совершенно понятно, что такая ситуация присутствует в
99% светильников на основе светодиодов. Однако программа РСТ очень удобна для
проектирования светотехнических и электрических параметров устройств на светодиодах.
Оценив тепловой режим своего будущего устройства, разработчик может с её помощью
быстро рассчитать необходимые параметры светодиодов и выбрать их тип и биновую
комбинацию для формирования заказа.
В этом пособничестве потребителю, компания CREE превзошла и опередила других,
компенсируя тем самым неудобные для него коммерческие ходы с сомнительными
цифрами в спецификациях. Дальнейшим развитием взаимного понимания CREE и её
потребителя стал переход к формированию параметров спецификаций при температуре +
85 Co, что позволит рассчитывать характеристики светотехнических устройств без
дополнительных программ. И, тем не менее, как можно видеть из таблицы 3.8, даже эти
расчёты всё же немного «не дотянули» до реальных значений потока. Остальные
параметры также оказались близки к реальности, и если большинство и не указывается в
спецификации, то по крайней мере, находится в логической взаимосвязи, и поэтому не
вызывает сомнений в правильности. Комментировать их нет надобности, обо всех
подробно
расскажет
таблица
3.8.
Есть
только
лишь
несколько
моментов
с
колориметрическими и спектральными характеристиками. Это касается неравномерности
координат цветности (коррелированной цветовой температуры) по углу излучения
светодиода.
Однако к этой проблеме также стоит относиться особо, поскольку данное обстоятельство
имеется у продукции CREE, что называется «с рождения», и можно лишь констатировать
разную степень её проявления в том или ином продукте. Здесь присутствует одно очень
важное обстоятельство с точки зрения метрологии и правильности декларирования
цветности белых светодиодов на основе люминофоров и кристаллов синего цвета
излучения. Надпись в спецификации в виде присвоенного тому или иному светодиоду
значения цветовой температуры (бина по координатам цветности), следует читать так: в
любой точке пространственного распределения силы света (фотометрического тела)
светодиода цветовая температура не может выходить за рамки, ограниченные этим бином
(разбросом значения цветовой температуры). Это утверждение содержит важную логику –
колориметрические параметры должны обеспечиваться во всём пространстве, независимо
от угла наблюдения, и не иметь несоответствия даже если речь идёт о потоке,
заключённом образующей телесного угла в 1o, являющейся условием «стандартного
наблюдателя» МКО. И этот 1o может оказаться где угодно, в любой точке полусферы
излучения светодиода, а наблюдение с этой точки будет для глаза наблюдателя выглядеть
как свет иного цвета, относительно других точек наблюдения.
190
Таблица 3.8.
Параметры светодиодов типа XLamp XP-E WHT и XLamp XP-G WHT.
В этом и состоит принцип сортировки и разделения на разные сорта по оттенку, а
неравномерность сверх допустимого (выход за рамки бина) сводит на «нет» такую
сортировку и всю её идею целиком. Поэтому утверждения о том, что цветность
необходимо измерять «по потоку», то есть при условии перемешивания всего излучения и
измерении его параметров, как среднего значения из всего суммарного светового потока, в
корне неправильны. Глаз наблюдателя интегрирует поток только в телесном угле,
соответствующем образующей его в 1o, а не в 2p ср. А именно такие измерения, как
правило, и происходят в заводских лабораториях производств, имеющих стандартный
набор метрологических средств в виде сферического интегратора (фотометрического
шара), в котором одновременно измеряется и световой поток и координаты цветности.
191
Соответственно, выход цветности за рамки, определённые сортом, хоть даже и в одной единственной
точке
пространства излучения
светодиода,
справедливо
считается
несоответствием этому ранку. Отсюда и непонимание проблемы, или создание «вида» её
непонимания. Сортировочная машина на конвейере, как правило, также содержит в виде
средства измерения сферический интегратор, поэтому и бин по цветовой температуре
может
вовсе
не
соответствовать
реальной
цветности
в
большинстве
точек
фотометрического тела. Любая оптика усугубляет это обстоятельство, поэтому с
применением линз, неравномерность растёт. Однако применительно к изучаемым
светодиодам, не содержащим сколь значимой оптической системы, можно сказать, что
неравномерность
колориметрических
параметров
по
углу
излучения
не
имеет
катастрофических размеров, хотя и явно «выпадает» за пределы, ограниченные в
спецификации.
На графиках рисунка 3.44а можно заметить, что по углу излучения от оси (0-0) до почти
прямого угла (0-80), она составляет от 500 до 800 К в зависимости от типа светодиодов.
Прямые, характеризующие зависимость координат цветности от угла излучения на
рисунке 3.44а, с расположением точки +45 в их середине (у светодиодов XLamp XP-E),
или значения цветовой температуры на рисунке 3.44б свидетельствуют о приблизительно
0,45
Линии цветовых температур
0,43
Общая зона белого цвета МКО-31
XPEWHT-L1-0000-00CE5 5F Q4
2856К
XPGWHT-L1-3D0-R3-0-01
2700K
0,41
Source"A"
+80deg
0,39
3400К
+80deg
+45deg
0,37
4000K
4900K
5100K
CCy
0,35
5600K
4500K
+45deg
Source"D65",Sun
0,33
0-0
Source"B"
0-0
Source"E"
Source"C"
0,31
7400K
9000К
0,29
0,27
10000K
15000K
CCx
0,25
0,26
а)
0,27
0,28
0,29
0,3
0,31
0,32
0,33
0,34
0,35
0,36
0,37
0,38
0,39
0,4
0,41
0,42
0,43
0,44
0,45
0,46
0,47
192
6000
330
Коррелированная
цветовая
температура,CCT (K)
Спектральная световая эффективность,К(Lm/W)
325
5000
320
4000
315
3000
310
CCT(a) XP-E
ССТ(a) XP-G
2000
K(a) XP-E
305
K(a) XP-G
1000
300
Угол излучения,а (град)
295
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
б)
Рисунок 3.44. Угловое распределение колориметрических характеристик светодиодов
семейства XLamp XP-E и XLamp XP-G. а) – координаты цветности б) – цветовая
температура и спектральная световая эффективность в зависимости от угла излучения.
линейном изменении этих параметров от угла наблюдения и таком же распределении
долей интегрального светового потока соответствующей цветности. Поэтому значения
параметров в этой точке могут считаться паспортными. Если вернуться к таблице 1, то
можно заметить, что у светодиодов XLamp XP-E, наблюдается практически полное
совпадение (4180К и 4000К), а у приборов XLamp XP-G, заявленная цветовая температура
появляется только на крайних углах обзора, а в центре существенно выше (5455К против
4800 заявленных). В результате, это обстоятельство образует собой следующий вывод:
если производитель декларирует некую световую эффективность при определённой
цветовой температуре, то при условии изменения последней, эффективность уже также не
будет заявленной. В данном случае с исследуемыми образцами, получилось снова в
пользу производителя: цветовая температура выше, выше и эффективность. А это значит,
что если всё привести к заявленному (то есть снизить цветовую температуру), то не будет
тех высоких показателей, которые получились в результате исследования, а данные
светодиоды, едва «дотянувшие» до спецификации по световому потоку, явно не достигнут
его.
193
Изменение значения спектральной световой эффективности (ССЭ) (на рисунке 3.44б),
пропорциональное изменению спектра излучения в зависимости от угла наблюдения
(рисунок 3.45.) показывает, что у светодиодов XLamp XP-G, помимо линейного
уменьшения доли синего к крайним углам, изменяется (имеется нелинейность) ещё и
спектр излучения длинноволновой, люминофорной части. Это и подтверждается
нелинейной формой зависимости ССЭ для XLamp XP-G на графике рисунка 3.44б.
Важная часть программы РСТ посвящена электрическим характеристикам. Исходя из
расчётов прямого напряжения светодиода, как говорилось выше, основанных на его
зависимости от температуры p-n перехода, получают значения потребляемой мощности и
световой эффективности. Поэтому по результатам измерений прямого напряжения,
выполненным в исследовании, можно косвенно судить о том, насколько расходятся
расчёты с помощью программы, и какова реальность, имеющаяся в произведённых
светодиодах. Если снова обратиться к таблице 3.9., то можно заметить, что у обоих типов
светодиодов рассчитанные с помощью РСТ прямые напряжения при приведённых там
температурах точки пайки, отличаются примерно на 50 мВ (полученные значения ниже
расчётных). Это говорит либо о том, что реальная температура активной области
кристалла приблизительно на 15-20 градусов выше рассчитанной, а значит, получается,
что и полученная световая эффективность справедливо ниже расчётной, либо о том, что
прямое напряжение светодиода при +25Co ниже 3,2В, обозначенных в спецификации.
Вероятно, разработчики отдали эту разницу падению напряжения на контактных
проводниках, местах их приварки, и т.д., а может, просто заложили в расчёты заниженное
соответствующее значение теплового сопротивления.
Так или иначе, наше исследование выявило этот момент, и он может быть использован
для коррекции расчётов параметров программой РСТ.
Продолжением и развитием конструктивных и идейных начинаний, выполненных в
светодиодах серий XLamp XP-E и XLamp XP-G, является новинка – мощный
однокристальный светодиод XLamp XM-L, судя по спецификации, способный работать
даже при 3000мА. Внешний вид его показан на рисунке 3.46.
Поскольку все параметры этих светодиодов в спецификации указаны в режиме его работы
при токе 700мА, исследования и расчёты велись при 2-х значениях прямого тока: 0,7 и
0,35А. Тем самым можно сравнивать характеристики этой серии светодиодов с
предыдущими типами, параметры которых нормированы при 350мА. Даже при беглом
изучении таблицы 3.9., где показаны все результаты измерений и данные спецификаций,
можно сделать вывод, что приборы этой серии существенно превосходят своих
предшественников по многим позициям.
194
1
0,9
XP-E 0-0
XP-E 0-45
XP-E 0-85
0,8
XP-G 0-0
XP-G 0-45
XP-G 0-85
0,7
Отн. ед.
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
350
Длина волны (nm)
400
450
500
550
600
650
700
750
800
Рисунок 3.45. Относительный спектральный состав излучения светодиодов CREE типа
XLamp XP-E и XLamp XP-G в зависимости от угла направления излучения (указан на
сноске).
а)
б)
Рисунок 3.46. Светодиоды CREE. а) – светодиод типа XLamp XM-L WHT тёплый белый,
б) – светодиод типа XLamp XM-L WHT холодный белый.
Здесь уже не обсуждается просто значение 100лм/Вт, оно имеется даже при 700мА, не
говоря уже про 350. Соответственно, значение светового потока при 700 мА переваливает
за 200лм.
850
195
Если двигаться вниз по параметрам, помещённым в таблице 3.9. (где указаны
электрические характеристики), то можно заметить, что там имеется 2 типа измеренного
прямого напряжения: в импульсном режиме и в статическом. Это измерение делает
косвенную оценку температурного режима работы излучающего кристалла независимой
от расчёта программы РСТ и бина светодиода по напряжению. Таким образом,
полученные значения напряжения оказываются: одно – при температуре кристалла Tj=
+25 Co, как в спецификации (импульсный режим), другое – как выражено формулой (3.9.):
Tsp= Tj+ Rt
(3.9.)
Где
Tj – температура p-n перехода +25 Co
Rt - тепловое сопротивление p-n переход – корпус 2,5 град/Вт (даташит).
О степени соответствия полученных значений светового потока и эффективности
расчётам и декларациям, красноречиво говорят первые строки таблицы 2. Результаты и
выводы аналогичны предыдущим типам светодиодов. Однако по каким-то непонятным
причинам, углы излучения по уровню 0,5Iv
max
у обоих типов светодиодов недобирают
почти 10 градусов относительно спецификации.
Таблица 3.9.
Параметры светодиодов типа XLamp XM-L WHT тёплый белый и холодный белый.
196
Вряд ли это некое серьёзное, стратегическое несоответствие, но обычно угловые
характеристики выдерживаются продукцией CREE всегда. Сказаться такой недочёт может
лишь при проектировании вторичной оптики или расчётов каких-нибудь специальных
диаграмм углового распределения силы света, например, для уличного освещения.
В случае режима 350 мА, когда светодиод потребляет мощность ровно 1 Вт (из данных
измерений), перегрев активной области кристалла должен составить 2,5 Co , что будет
соответствовать уменьшению прямого напряжения примерно на 7-8 мВ. Если учесть
температуру точки пайки, приведённую в таблице 3.9., то можно заметить, что разница в
прямом напряжении составляет как раз величину, эквивалентную разности температур,
плюс, приходящиеся 7-8 мВ на тепловое сопротивление. Ситуация повторяется и при
измерении напряжений в режиме 700мА (при поправке на соответствующую при этом
потребляемую мощность). Это свидетельствует о корректности указанного значения
теплового сопротивления, а значит, и расчётов всех величин по программе РСТ.
Соответственно, рассчитанные значения светового потока и эффективности, должны быть
достоверными, и не совпали в реальных исследованиях не по причине неверного расчёта,
а именно из-за фактической недостачи того или иного параметра. Однако, как и в
варианте с предыдущими типами образцов, несоответствия не столь велики (менее 10лм
по световому потоку), и на них также можно «закрыть глаза», списав на погрешность
измерений. Гораздо большее расхождение имеется лишь по световой эффективности –
доходит до 15лм/Вт – и то, только на больших токах.
А вот с цветностью у XLamp XM-L WHT холодного белого цвета имеются существенные
расхождения. Если следовать описанным ранее выкладкам, то полученные в исследовании
световые эффективности именно для этого цвета фактически должны быть существенно
выше. Это объясняется тем, что коррелированная цветовая температура превышает
заявленную почти на 2000К. Соответственно, значение эффективности излучения при
такой цветности будет на 10 – 15% больше, а с учётом полученных значений (которые
ниже заявленных на 12% (таблица 3.9.)), несовпадение со спецификацией в сторону
уменьшения составит около 25%. А это уже ощутимо.
Далее следует провести аналогии и с неравномерностью координат цветности по углу
излучения. Эти зависимости приведены на рисунке 5.
Можно заметить, что отражённые и в таблице 3.9. и на графике 3.47.б значения цветовой
температуры тёплого белого практически не имеют зависимости от угла излучения,
плотности тока через кристалл и вдобавок совпадают со спецификацией. Здесь можно
констатировать полное совпадение. Зато XLamp XM-L WHT в холодном белом варианте,
занимает сразу несколько ранков по координатам цветности в зависимости от угла
наблюдения.
197
0,45
Линии цветовых температур
0,43
+80deg
Общая зона белого цвета МКО-31
Холодный белый XMLAWT-0-T60-2S0-00-0001
Source"A"
Тёплый белый XMLAWT00-000-000-00LT30E7-7C
0,41
2700K
+45deg
2856К
+80deg
0,39
3400К
0-0
0,37
4000K
4900K
CCy
5100K
0,35
+45deg
4500K
Source"B"
5600K
Source"D65",Sun
0,33
7400K
Source"E"
Source"C"
0,31
9000К
0-0
10000K
0,29
0,27
15000K
CCx
0,25
0,26
0,27
0,28
0,29
0,3
0,31
0,32
0,33
0,34
0,35
0,36
0,37
0,38
0,39
0,4
0,41
0,42
0,43
0,44
0,45
0,46
0,47
а)
9000
370
Коррелированная
цветовая
температура,CCT (K)
Спектральная световая эффективность,К(Lm/W)
CCT(a) XM-L ХБ
8000
ССТ(a) XM-L TБ
360
K(a) XM-L ХБ
K(a) XM-L TБ-G
7000
350
6000
340
5000
330
4000
320
3000
310
2000
300
1000
Угол излучения,а (град)
0
290
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
б)
Рисунок 3.47. Угловое распределение колориметрических характеристик светодиодов
семейства XLamp XM-L WHT: тёплый белый (ТБ) и холодный белый (ХБ). а) –
координаты цветности б) – цветовая температура и спектральная световая эффективность
в зависимости от угла излучения.
198
Разброс координат составляет по X - до 0,4, по Y – до 0,9 (рисунок 3.47.а), значение
разброса ССЭ составляет около 60 лм/Вт. Для наглядности рассуждений приведён
рисунок 3.48., на котором показаны относительные спектральные распределения
светового потока при различных углах излучения.Стоит отметить высокую стабильность
длинноволновой,
люминофорной
части
спектра,
которая
оказалась
абсолютно
независимой от угла наблюдения, а значит и от положения производящего его
люминофора на плоскости излучающего кристалла. Соответственно, все изменения
цветности такого характера здесь связаны исключительно с геометрией прохождения
лучей от кристалла через люминофорное покрытие, которое определяет «весовую» долю
синего в общем спектре конкретного направления излучения. В таких случаях говорят:
«так и должно быть». Однако если отбросить сведения о спектральном составе, и
связанных с этим несоответствиях со спецификацией, и обратить внимание на значение
КПД светодиодов (таблица 3.9.), показывающее их эффективность преобразования
электроэнергии в свет, то можно заметить,что уже в белом свете оно составляет величину
более 45% при плотности тока около 40 А/см2 и около 40% при 75 А/см2.
0,9
Отн. ед.
1
XM-L ХБ 0-0
XM-L ХБ 0-45
XM-L ХБ 0-85
0,8
XM-L ТБ 0-0
XM-L ТБ 0-45
XM-L ТБ 0-85
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
350
Длина волны (nm)
400
450
500
550
600
650
700
750
800
Рисунок 3.48. Относительный спектральный состав излучения светодиодов CREE XLamp
XM-L WHT: тёплый белый (ТБ) и холодный белый (ХБ) в зависимости от угла
направления излучения (указан на сноске).
850
199
Соответственно, без люминофора, это значение составит не менее 50%. На сегодняшний
день, это очень высокий показатель КПД работы гетероструктуры при таких плотностях
тока, и всей конструкции излучающего кристалла, с его внутренними отражениями и
проблемами внешнего квантового выхода.
3.4.3. Светодиоды фирмы Philips - Lumileds «Luxeon «REBEL»
Внешний вид образцов показан на рисунке 3.49.
Рисунок 3.49. Внешний вид светодиодов Philips – Lumileds «Luxeon «REBEL».
Измерения комплекса характеристик проводились в течение времени наработки 1500ч
(около 2 мес.) для оценки деградационных зависимостей и возможности прогнозирования
поведения основных параметров (светового потока, световой эффективности, силы света)
на время гарантийной эксплуатации светодиода [121]. Полученные значения приведены в
Таблице 3.10., где также можно проследить изменение их значений за контрольное время
наработки.
Стоит
заметить,
что
указанный
период времени
считается
этапом
стабилизации параметров, поэтому изменения значений большинства из них не могут
использоваться для подобных прогнозов буквально, или, к примеру, просто методами
интерполяции.
Из Таблицы 3.10. можно заметить, что световая эффективность светодиодов составляет не
менее 118 лм/Вт при значении потока в 120лм. Стоит отметить, что это очень даже
неплохое сочетание при КПД преобразования потребляемой электрической мощности в
свет в 37%. Последние цифры говорят о том, что тепловая мощность, выделяемая на
подложке светодиода, составляет всего 0,6Вт, что при должном теплоотводе увеличивает
температуру точки пайки всего на 10oC при температуре окружающего воздуха +25oC.
Поскольку все значения, приведённые в Таблице 3.10. получены в статическом режиме,
т.е. при указанной в ней же температуре, можно сделать вывод о том, что нормируемые в
спецификации значения светового потока при +25oC, были бы на несколько процентов
выше: около 125лм (для конкретного образца, приведённого в настоящем исследовании).
200
Соответственно, световая эффективность оказалась бы выше 120лм/Вт. Учитывая
коррелированную цветовую температуру излучения (около 4200К – нормальный белый),
можно сделать вывод, что данный образец имеет высокую световую эффективность,
превышающую такую же характеристику лампы накаливания в 10 раз.
Таблица 3.10.
Тип светодиода
LUXEON REBEL LXMx - PWxx
Параметры. Режим: 350мА
до наработкинаработка1500ч. изменениеединица изменения
Мощность излучения, W
0,37
0,37
0,00
%
Световой поток, lm
120,00
117,15
-2,38
%
Сила света максимальная, cd
37,11
36,21
-2,43
%
Сила света осевая, cd
37,03
36,16
-2,35
%
Сила излучения максимальная, W/sr
0,116
0,114
-1,72
%
0-0
122,29
122,49
0,20
град
0-90
120,57
120,52
-0,05
град
средний 2Q0,5Iv
121,43
121,50
0,07
град
Угол излучения 2Q0,1Iv, deg:
166,61
166,56
-0,05
град
Потребляемый ток, A
0,35
0,35
Прямое напряжение (статическое), V
2,89
2,86
-0,03
V
Потребляемая мощность, W
1,01
1,00
-0,01
W
118,63
117,04
-1,59
%
35,40
35,80
0,70
Со
37,06
36,92
-0,14
%
эффективность, lm/W
320,10
316,98
-3,12
lm/W
Длина волны максимальная, nm
440,50
440,50
0,00
nm
Длина волны центроидная, nm
571,00
566,00
-5,00
nm
168,50
155,50
-13,00
nm
282,50
278,00
-4,50
nm
X
0,3697
0,3634
-0,0063
Y
0,3598
0,3528
-0,0070
Z
0,2705
0,2838
0,0133
Доля ОСПЭЯ отн. V(l), %
44,17
41,56
-2,61
%
4180,70
4325,10
144,40
K
Угол излучения 2Q0,5Iv, deg:
Световая эффективность, lm/W
Температура точки пайки Tsp, С
о
КПД светодиода (электр.-свет), %
Спектральная световая
Ширина спектра излучения по
уровню 0,5Р, nm
Ширина спектра излучения по
уровню 0,1Р, nm
Координаты цветности:
Коррелированная цветовая
температура (ССТ), K
Цветовая температура по
201
1
0,9
0,8
До наработки
0,7
1500ч. наработки
Отн. ед.
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
Длина волны (nm)
0
350
400
450
500
550
600
650
700
750
800
850
а)
0,45
Линии цветовых температур
Общая зона белого цвета МКО-31
0,43
2856К
2700K
0,41
Source"A"
0,39
3400К
4500K
4900K
0,37
4000K
До наработки
CCy
5100K
0,35
5600K
Source"B"
1500 ч.
Source"D65",Sun
0,33
Source"E"
Source"C"
0,31
7400K
0,29
0,27
10000K
9000К
15000K
CCx
0,25
0,26
0,27
0,28
0,29
0,3
0,31
0,32
0,33
0,34
0,35
0,36
0,37
0,38
0,39
0,4
0,41
0,42
0,43
0,44
0,45
0,46
0,47
б)
Рисунок 3.50. Спектральные и колориметрические характеристики светодиода «Luxeon
«REBEL» в процессе наработки. а) – координаты цветности, б) – относительное
спектральное распределение светового потока.
202
Угловые параметры пространственного распределения силы света соответствуют
спецификации
и
отражают
и
колориметрические
«задуманное»
ламбертовское
фотометрическое
тело
светодиода.
Спектральные
характеристики,
помимо
Таблицы
3.10.,
представлены на рисунке 3.50. Как можно заметить, коррелированная цветовая
температура, за время наработки 1500ч. увеличилась приблизительно на 145К. Рисунок
3.50.б показывает, что это – результат уменьшения доли излучения, производимой
люминофором светодиода. То, что это изменение происходит линейно (все составляющие
люминофорной части изменяются пропорционально) заметно из данных о спектральной
световой эффективности: её значение практически неизменно на протяжении времени
теста. Такое изменение спектрального состава привело к соответствующему сохранению
значения интегральной мощности излучения, что видно из первой строчки Таблицы 3.10.
Следует добавить, что результаты приведённого в Таблице 3.10. измерения спектрального
распределения светового потока получены в пределах малого телесного угла, в области
физической оси светодиода, где, как правило, все изменения наиболее заметны. Вообще,
если говорить об изменениях значений параметров, представленных в Таблице 3.10., то
можно заметить, что все они составляют небольшие величины, а относительные –
несколько процентов.
120%
Ф(t)/Ф(0h)
100%
REBEL
80%
60%
40%
20%
t (time),h
0%
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
80000
Рисунок 3.51. Деградационная характеристика исследуемых светодиодов «Luxeon
«REBEL»
203
Существенная идентичность этих значений у всей группы параметров, характеризующих
энергетику излучения (световой поток, сила света, мощность излучения) свидетельствует
об отсутствии перераспределения светового потока по углу излучения по всему
фотометрическому телу в процессе нормального старения (результата наработки). Данное
обстоятельство может позволить предположить, что распределение плотности тока в
излучающем кристалле происходит равномерно.
На основе полученных данных был составлен прогноз изменения значения светового
потока образцов для времени наработки до 80 000ч. Деградационная характеристика
имеет вид, показанный на рисунке 3.51. Можно заметить, что прогнозируемое
уменьшение потока на 30% (как предполагается в спецификации [12]) наступит немногим
более, чем через 40 000ч. (в спецификации – 50 000ч). Следует отметить довольно
высокое соответствие прогноза и спецификации, однако, как говорилось выше, по
результатам измерений за проведённое в исследовании время, его достоверность на
большие сроки наработки не может составлять точность более 90%.
3.4.4. Исследование светодиодов производства ОАО «Светлана-ЛЕД»
Светодиоды выполнены в пластиковом корпусе 5х5мм с парой тройных аксиальных
выводов, отформованных для установки на платы в SMD варианте. По центру расположен
один мощный излучающий кристалл с гетероструктурой на сапфировой подложке. Было
бы совершенно логично предположить, что излучающий кристалл в других партиях
светодиодов может быть использован и другого типа, однако в предоставленных образцах
был установлен упомянутый выше. Также можно сказать и о корпусе – скорее всего, его
конструкция универсальна и позволяет монтировать внутрь несколько чипов, например,
для создания поликристального варианта или многоцветного на основе монохромных
структур. Внешний вид светодиода SvL03P1, установленного на фирменный радиатор
показан на рисунке 3.52. Полость светодиода равномерно заполнена коллоидным
раствором
люминофора
в
кремнийорганическом
геле,
при
этом
получившаяся
излучающая поверхность – ровная, обеспечивающая одинаковое расстояние от верхней
грани кристалла лишь только над ним. Чем характеризуется такая ситуация, будет
выяснено далее при рассмотрении колориметрических характеристик (координат
цветности, коррелированных цветовых температур) в зависимости от угла излучения.
Для исследования был представлен, судя по данным спецификации, не самый передовой
по характеристикам ранк светодиодов данного типа – F120. Однако основная задача
предлагаемого анализа результатов измерений не состоит только лишь в констатации
достижений (хотя, конечно, это тоже очень важно), главное – проверить соответствие
того, что декларирует производитель. Ведь тогда мы сможем оценить, насколько его слова
расходятся с реальностью параметров его продукта.
204
Рисунок 3.52. Светодиоды производства ОАО «Светлана-ЛЕД» типа SvL03P1.
Результаты измерений представлены в Таблице 3.11 [124]. Одно из самых интересных
мест Таблицы 3.11. и спецификации – это, скорее, значение светового потока и световой
эффективности. Указанный на образце ранк F120 говорит о том, что светодиод должен
иметь типовое значение световой эффективности 77лм/Вт, что соответствует световому
потоку приблизительно 86лм.
Таблица 3.11.
Тип светодиода
Белый SvL03P1 F120
Норма по D.S. (при
Параметры
Полученные
I
I
Режим
350мА
Мощность излучения, W
0,3199
Световой поток, lm
100,26
Сила света максимальная, cd
34,36
Сила света осевая, cd
34,28
Tsp=+25Со)
350мА
86
Освещённость по оси на
расстоянии 2м, lx
8,57
Сила излучения максимальная, W/sr
0,11
Угол излучения 2Q0,5Iv, deg:
0-0
115,62
120
0-45
115,76
120
45-0
115,68
120
средний 2Q0,5Iv
115,69
120
Угол излучения 2Q0,1Iv, deg:
160,49
Потребляемый ток, A
0,35
0,35
205
Напряжение питания статическое, V
3,162
3,2
Напряжение питания импульсное, V
3,165
3,2
Потребляемвя мощность стаич., W
1,107
1,12
Потребляемвя мощность имп., W
1,108
1,12
Световая эффективность статич.,lm/W
90,59
77
Световая эффективность имп., lm/W
90,51
77
Температура точки пайки Tsp, Со
44,9
25
Фотометрическое отношение, cd/klm
342,7
КПД светодиода (электр.-свет), %
28,89
Спектральная световая
эффективность, lm/W
313,91
Энергетическая освещённость
по оси на расстоянии 2м, W/m^2
0,03
Длина волны максимальная, nm
449,5
Длина волны центроидная, nm
579,5
Ширина спектра излучения по
уровню 0,5Р, nm
162,5
220
268
290
X
0,3529
0,36
Y
0,3377
0,36
Z
0,3094
0,28
Доля ОСПЭЯ отн. V(l), %
44,07
Ширина спектра излучения по
уровню 0,1Р, nm
Координаты цветности:
Индекс цветопередачи Ra (CRI)
75
75
4583
4500
Коррелированная цветовая
температура (ССТ), K
Цветовая температура по
Планку (приведённая), K
3471,5
Почему приблизительно? Да потому что здесь следует обратить внимание ещё на одну, не
менее интересную деталь: спецификация составлена настолько тонко, что однозначно
понять, какие характеристики у светодиода, который Вы держите в руках, практически
невозможно, даже если там написан его ранк: в ней указаны только значения световой
эффективности. И, тем не менее, на самом деле, измеренный поток получился на 2 ранка
выше заявленного – более 100лм, что должно соответствовать ранку F100 по световой
эффективности, как показано на рисунке 3.53, представляющем из себя часть «даташита»
206
на эти светодиоды (спецификация взята из источника [1]). А если учесть также и то
обстоятельство, что температура точки пайки, при которой производились измерения в
лаборатории, была выше +25 С, указанных в спецификации (45 против 25), то можно
предположить, что значение светового потока «уйдёт» и на все 3 ранка от реально
полученного при исследовании. И, тем не менее, в приведённой таблице имеются и другие
параметры, на которые можно обратить внимание.
Рисунок 3.53. Ранки светодиодов типа SvL03P1 (по данным спецификации).
Так, например, значение коэффициента преобразования электрической энергии в свет
(КПД) оказалось на уровне около 30%. Много это или мало? Наверно это – средний
показатель при условии полученной коррелированной цветовой температуры и
спектрального распределения излучения. Если говорить об адекватности большинства
измеренных значений параметров и приведённых в спецификации, то можно отметить их
высокую степень соответствия. Это и угловые характеристики излучения в различных
плоскостях пространственной диаграммы распределения силы света, это и электрические
характеристики (подробно приведены на рисунке 3.54.), это и колориметрические
параметры (цветовая температура, координаты цветности).
В последнее время производители светодиодов белого цвета свечения для использования
в осветительных приборах большое внимание уделяют довольно серьёзной проблеме
равномерности
цветности
излучения
по
углу излучения
светодиода.
Об
этом
неоднократно упоминалось в прежних публикациях [39], особенно когда речь шла об
использовании вторичной оптики с такими светодиодами. И теперь уже эта часть
характеристик стала неотъемлемой при проведении представляемых исследований. И, в
отличие от данных о световом потоке, эта информация в рассматриваемй спецификации
показана подробно и без утайки. А что самое важное – она совпала с полученными
данными с довольно высокой точностью. Это показано рисунках 3.55 и 3.56, на которых
приведено угловое распределение координат цветности. Можно заметить, что в
центральной части светодиода (над излучающим кристаллом) координаты цветности, хоть
и близки, но на углах излучения в области +20 град, меньше, чем в положении 0-0.
207
400
If,mA
3,164
350
300
250
200
150
100
2,716
50
2,650
Uf,V
0
1
1,25
1,5
1,75
2
2,25
2,5
2,75
3
3,25
3,5
а)
500
1300
Pdis,mW
Rdyn,Ohm; R,Ohm
1200
450
1107,40
1100
400
1000
350
900
800
300
700
250
600
200
R vs.If
Rd yn vs If
Pdis vs. If
150
500
400
132,50
300
284,50
100
67,90
200
108,64
50
28,45
1,1
53,00 2,5
0
0
20
40
2
60
80
100
120
140
160
180
200
9,04
1,1
220
240
260
280
300
320
340
1
100
1
0
360 If,mA
380
400
б)
Рисунок 3.54. Прямая вольт-амперная характеристика –а), динамическое сопротивление и
потребляемая мощность –б) светодиодов типа SvL03P1.
208
0,0300
dX,dY
dX
dY
0,0250
0,0200
0,0150
0,0100
0,0050
0,0000
-90
-75
-60
-45
-30
-15
0
15
30
45
60
75
90
Угол, град.
-0,0050
а)
б)
Рисунок 3.55. Относительное угловое распределение координат цветности светодиодов
типа SvL03P1. а) – приведённое в спецификации, б) – полученное при измерении.
0,375
Координаты X, Y
0,37
0,365
X
Y
0,36
0,355
0,35
0,345
0,34
Угол, град
0,335
-90
а)
-75
-60
-45
-30
-15
0
15
30
45
60
75
90
209
2856К
0,38
Линии цветовых температур
0,37
Source"A"
Обща я зона белого цвета МКО-31
85-0
0-60
Плоскость 0-0
0-85
4500K
0,36
60-0
0,35
CCy
4900K
0-45
Source"B" 45-0
0-30
5100K
5600K
30-0
0,34
0-15
0-0
15-0
Source"E"
0,33
CCx
0,32
0,32
0,325
0,33
0,335
0,34
0,345
0,35
0,355
0,36
0,365
0,37
0,375
0,38
0,385
0,39
0,395
0,4
б)
Рисунок 3.56. Абсолютное угловое распределение координат цветности светодиодов типа
SvL03P1 - а), положение координат на цветовом графике МКО-31 относительно изетерм и
линии «чёрного тела» -б).
332
4650
Коррелированная
цветовая
температура ,CCT (K)
Спектральная световая эффективность,К(Lm/W)
4600
330
ССТ(a) SvL03P1 F120
К(lm/Wopt) SvL03P1 F120
4550
328
4500
326
4450
324
4400
322
4350
320
4300
318
4250
316
4200
Угол излучения,а (град) 314
312
4150
-90
-75
-60
-45
-30
-15
0
15
30
45
60
75
90
Рисунок 3.57. Угловое распределение коррелированной цветовой температуры и
спектральной световой эффективности светодиодов типа SvL03P1.
1
0,9
Отн. ед.
210
0-0
0-30
0-60
0-85
0,8
30-0
0,7
60-0
85-0
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
Длина волны (nm)
0
350
400
450
500
550
600
650
700
750
800
850
Рисунок 3.58. Относительное спектральное распределение излучения светодиодов
SvL03P1 в зависимости от угла наблюдения.
Причиной этого, вероятно, как раз и является форма излучающей площадки светодиода,
описанная в начале параграфа. То есть, такое изменение координат, и, как результат,
увеличение цветовой температуры, показанное на рисунке 3.57., может быть следствием
суперпозиции излучения верхней грани и бокового ребра кристалла при одинаковой
толщине люминофорного покрытия. Однако ситуация будет несколько ближе к той,
которая указана на графиках, взятых из спецификации (рисунок 3.55.б), если привести
результаты
измерения
углового
распределения
координат
цветности
по
плоскости,проходящей по диагонали кристалла. Но если говорить о количественном
сравнении изменения цветности по углу излучения светодиода, то оно в абсолютном
своём
значении
незначительно.
Так,
например,
основной
световой
поток,
сосредоточенный в центральной части пространственной диаграммы, имеет разброс всего
в несколько сотен К (рисунок 3.57.), что, конечно может быть замечено глазом, но только
лишь при очень пристальном рассмотрении. А если говорить об использовании
технологии нанесения люминофора описанным выше способом, то наверно вряд ли
можно получить более качественные характеристики распределения цветности в
принципе. Но наиболее показательно этот факт выглядит, если привести также вид
спектрального распределения состава излучения, измеренного в зависимости от угла
наблюдения, представленного на рисунке 3.58.
211
100
Ra
80
60
0-0
0-30
40
0-60
0-85
30-0
20
60-0
85-0
0
Номер образца
-20
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
Рисунок 3.59. Частные индексы цветопередачи светодиодов SvL03P1 для стандартных
цветовых образцов. Данные приведены для основных углов излучения, значения которых
приведены на сноске (в град.).
Можно заметить, что меняться будет, лишь относительная интенсивность доли
люминофорного излучения, а не его спектральный состав, собственно, как это и должно
быть при условии увеличения толщины слоя люминофора к большим углам
пространственной диаграммы (чёрно-зелёная, почти сливающаяся линия на рисунке 3.58.
показывает спектр излучения на углах 0-85 и 85-0), а не изменения его содержимого.
Однако видно, что сюда попала и линия угла 0-60. Это также может быть результатом
измерения лишь определённой плоскости поверхности светодиода относительно
расположения излучающего кристалла, например, в которой проходят контактные нити,
ведь линия угла 60-0 явно отличается от своего симметричного «отражения».
Но если продолжать разговор о различиях в восприятии излучения светодиода в
зависимости от угла наблюдения, то следует обратиться к графику на рисунке 3.59., на
котором приведены изменения рассчитанных значений индексов цветопередачи для всех
14 стандартных цветовых образцов, также в зависимости от угла. Можно заметить, что
при среднем Ra = 75 (Таблица 3.11.), пресловутый индекс 9-го образца с глубоким
красным цветом имеет значение не ниже –10 на крайних углах излучения, а в области
основной доли светового потока он положителен. Это свидетельствует о достаточно
высоком качестве цветопередачи.
212
3.4.5. Исследование светодиодов производства Samsung
Как правило, высокая световая эффективность в светодиодах средней мощности может
быть достигнута как применением специфических излучающих кристаллов, так и
использованием традиционных, но с существенной «недогрузкой» по плотности тока. Как
известно, при прочих равных условиях, квантовая эффективность гетероструктуры имеет
ярко выраженный резонанс уже при небольшом удалении от равновесного состояния
[4,67,82] – в конце экспоненциального участка вольт-амперной характеристики или в
самом начале прямолинейного участка люмен-амперной характеристики. Однако уже при
плотностях тока 3-5 А/см2 эффективность существенно снижается и её падение
продолжается с разной крутизной до предельных значений тока. Компромисс в такой
ситуации, когда необходимо получить заданный световой поток (мощность излучения)
при определённом значении световой эффективности заключается в нахождении
оптимального сочетания размера излучающего кристалла, плотности тока через него,
необходимого теплоотвода, и его стоимости, наконец. Однако при известных размерах
стандартных
корпусов
возможностях его
светодиодов
реализации и
этот
компромисс
сводится к гораздо
значительно
меньшим
сужается
в
составляющим.
Представленный компанией «Samsung» новый светодиод сегмента средней мощности
типа LM561B - 5630 имеет все вышеобозначенные признаки и условия для того, чтобы
выяснить, как было реализовано компромиссное решение, позволившее сформировать
datasheet с высокими показателями по многим параметрам [122].
Описание образцов и результаты измерений
Таблица 3.12.
LM561B - 5630 SPMWHT541MD5WARO SO
Тип светодиода
WAR4S2
Норма по D.S.(при
Параметры
Полученные
I
I
Режим 65мА (при Tsp=+25Со)
Мощность излучения, W
0,0908
Световой поток, lm
28,88
Сила света максимальная, cd
9,36
Сила света осевая, cd
9,35
Tsp=+25Со)
65мА
29-31
Освещённость по оси на
расстоянии 2м, lx
Сила излучения максимальная, W/sr
2,4
0,029
Угол излучения 2Q0,5Iv, deg:
0-0
120,07
110
213
0-90
119,91
110
45-0
119,93
110
средний 2Q0,5Iv
119,97
110
Угол излучения 2Q0,1Iv, deg:
164,47
Потребляемый ток, A
0,065
0,065
Напряжение питания статическое, V
2,866
2,8-2,9
Напряжение питания импульсное, V
2,875
2,85
Потребляемвя мощность стаич., W
0,186
0,185
Потребляемвя мощность имп., W
0,187
0,185
Световая эффективность статич.,lm/W
155,03
162
Световая эффективность имп., lm/W
154,54
162
Температура точки пайки Tsp, Со
25
25
Относительная сила света, cd/klm
323,9
КПД светодиода (электрич.-свет), %
48,8
Спектральная световая
эффективность, lm/W
317,8
Энергетическая освещённость
по оси на расстоянии 2м, W/m^2
0,008
Длина волны максимальная, nm
446
Длина волны центроидная, nm
445
564,5
Ширина спектра излучения по
уровню 0,5Р, nm
188
140
271,5
260
X
0,3481
0,35
Y
0,3567
0,355
Z
0,2953
-------
Ширина спектра излучения по
уровню 0,1Р, nm
Координаты цветности:
Доля ОСПЭЯ отн. V(l), %
Индекс цветопередачи Ra (CRI)
56,2
82
>80
4896
5000
Коррелированная цветовая
температура (ССТ), K
Цветовая температура по
Планку (приведённая), K
7664
Светодиод выполнен в корпусе размером 5 х 3мм, четвёртую часть длины внутренней
полости которого занимает излучающий кристалл. Внешний вид показан на рисунке 3.60.
214
С целью наилучшего позиционирования светодиода относительно контактных площадок
при пайке оплавлением припоя в печи, с каждой стороны имеется по 2 вывода,
электрически соединённых параллельно.
Внутренняя полость заполнена кремнийорганическим гелем с дисперсной взвесью
люминофора по всему импровизированному объёму светодиода, вся поверхность
которого является светящей с практически равномерным распределением. Также, на
«дне» этой полости имеется установленный на отдельной площадке защитный диод,
включённый в обратном по отношению к излучающему кристаллу направлении.
Рисунок 3.60. Внешний вид светодиода LM561B – 5630
Результаты измерений и сравнение их с данными спецификации представлены в таблице
3.12.. Безусловно, подавляющее большинство анализирующих представленные данные
интересуют
самые
«коммерческие»
параметры
-
световой
поток
и
световая
эффективность. Здесь стоит отметить фактическое совпадение результатов большинства
этой группы характеристик с заявленными значениями производителя. Это подчас
оказывается гораздо значимым, нежели констатация более высокого значения, указанного
в спецификации, но не обеспеченного в промышленном варианте.
Все значения параметров указаны в спецификации при температуре точки пайки +25 оС и
токе 65мА (при таких же условиях и было проведено исследование), однако в этом же
документе говорится об использовании светодиода при токе 150 мА, что является для
потребителя наиболее актуальным. Это может свидетельствовать с одной стороны о
желании показать в действительности подтверждённые высокие значения световой
эффективности, хотя и в практически не используемых потребителем режимах, так и для
удобства более точного деления светодиодов на ранки при производственной сортировке,
поскольку лишь высокая световая эффективность при малых плотностях тока¸ как
215
говорилось ранее, может позволить это сделать корректно. Однако можно также
предположить и то, что при увеличении тока в 2,5 раза до штатного 150 мА массив
светодиодов, отобранный в один бин при токе 65 мА не попадёт при таком токе в один
пропорциональный ранк. Объясняется это различной крутизной нелинейной люмен - и
вольт-амперной
характеристикой
светодиодов
даже из одной
партии.
Поэтому
большинство производителей в настоящее время старается уйти от производственной
сортировки в «виртуальных» режимах, хотя подчас и гораздо удобных с точки зрения
технологичности на производстве. Все эти рассуждения приведены исключительно для
обеспечения корректного чтения спецификации потребителем и однозначной трактовки
его содержания.
Возвращаясь
к
данным
Таблицы
3.12.,
можно
заметить,
что
производитель
задекларировал угол излучения в 110 град. по половинному уровню максимальной силы
света, вероятно, с «запасом», упреждая возможное поглощение бокового излучения
кристалла внутренними стенками корпуса, однако на практике получилась практически
«синусоидальная» форма углового распределения силы света, что, скорее, можно отнести
даже к более положительному относительно спецификации факту, поскольку это
несколько увеличивает равномерность силы света при групповом использовании в
светильниках с большой светящей поверхностью.
По колориметрическим характеристикам, предоставленные образцы также оказались в
соответствии
со
значениями,
указанными
в
спецификации.
Так,
например,
коррелированная цветовая температура крайне близка к заявленной для этого ранка, а
координаты цветности находятся в пределах бина, определённого при сортировке на
производстве, о чём свидетельствует рисунок 3.61. Наверняка невозможно переоценить
это обстоятельство из-за его практической важности при производстве устройств
светотехники, и это совершенно не секрет, что в подавляющем большинстве случаев
именно этот параметр не совпадает с данными спецификаций.
Также следует отметить и довольно большое значение индекса цветопередачи Ra=82. В
отношении этого параметра производителем в спецификации заложена «высокая планка»
в Ra=80, и, как можно заметить, она в данном случае выполняется. Однако спецификация,
помимо указания возможного разброса самого значения Ra (+3), содержит также и
информацию о соответствию самому проблемному, девятому образцу, не входящему в
расчёт CRI, но качественно характеризующем цветопередачу излучения в области
глубокого красного цвета, которого всегда так не хватает в спектре белого светодиода с
люминофорной композицией.
216
а)
0,45
Линии цветовых температур
Общая зона белого цвета МКО-31
SOURCE
0,43
2400К
2700 K
0,41
2600К
2856К
0,39
Source"A"
3400К
0,37
4000 K
SOURCE
4500K
5100K
CCy
0,35
0,33
4900K
Source"B"
5600K
Source"D65",Sun
Source"E"
Source"C"
0,31
7400K
0,29 10000K
0,27
9000К
15000K
CCx
0,25
0,26
0,27
0,28
0,29
0,3
0,31
0,32
0,33
0,34
0,35
0,36
0,37
0,38
0,39
0,4
0,41
0,42
0,43
0,44
0,45
0,46
0,47
0,48
0,49
б)
Рисунок
3.61.
Координаты
цветности
исследуемого
светодиода.
а)
–
данные
спецификации, параметры бина приведены на сноске графика, б) – измеренные значения
на цветовом графике МКО-31 для зоны белого цвета.
217
Так вот, даташит декларирует его значение 0+6,5. Как можно заметить из рисунка 3.62.,
исследованный образец имеет R9=9,3, что даже больше заявленного. И здесь можно
сказать, что это как раз одно из объяснений такого высокого суммарного значения Ra.
Однако
упомянутая
выше
методика
формирования
приложенной
к
продукту
спецификации, основанная на представлении параметров при измерении на существенно
малом рабочем токе, имеет большую «особенность» корректности рассмотрения, когда
речь идёт об энергетических единицах – световом потоке и световой эффективности. И
если говорить о колориметрических характеристиках, то они, конечно, тоже изменятся
относительно представленных в спецификации при условии использования на рабочих
токах 120-150 мА, но не столь значительно как энергетические.
100
Ra
90
80
70
60
50
0-0
40
30
20
10
Номер образца
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
Рисунок 3.62. Измеренная диаграмма значений индексов цветопередачи светодиода
LM561B – 5630 по 14 стандартным образцам.
Так, например, полученная в исследовании световая эффективность в 155 лм/Вт (Таблица
3.12.) при токе 65 мА и температуре точки пайки +25 оС с увеличением тока до 120мА при
тех же температурных условиях, приобретает значение около 137 лм/Вт (световой поток
50 лм), а уже в рекомендованном тем же документом режиме 150мА становится 130 лм/Вт
(световой поток 60,4 лм). Однако, как говорилось ранее, настоящим исследованием,
прежде всего, ставится задача установления соответствия между заявленными значениями
параметров и полученными. Другими словами, если иметь в виду, что при измерениях мы
получили высокую степень соответствия при соблюдении режимов измерения,
14
218
рекомендованных
в
спецификации,
и
если
предположить,
что
производитель
задекларировал бы эти характеристики и при других режимах, то и там также это
соответствие было бы получено.
3.4.6. Исследование светодиодов производства компании Seoul Semiconductor
Компания Seoul Semiconductor нашла свой путь на мировой рынок полупроводниковой
светотехнической продукции и одна из первых крупных компаний стала покорять
российский. В арсенале компании имеется проект Acriche, коренным образом
отличающийся от других светодиодных продуктов и перманентно совершенствующийся
по различным параметрам. Эти светодиоды, некогда позволившие формировать
светотехнические устройства при непосредственном питании от сети, очень кстати
пришлись в то время, когда светодиодная тематика была лишь в начале развития, и мало
кто обращал внимание на такие «мелочи», как практически стопроцентные пульсации
частотой 50Гц или отсутствие гальванической развязки в цепи питания светодиодов. Были
и остаются знакомы отечественному потребителю также и обычные светодиоды, в начале
выпускавшиеся на основе заимствованных кристаллов, а впоследствии на базе
собственных. Однако компания Seoul Semiconductor прочно ассоциируется в умах
российских потребителей именно с Acriche. Впоследствии светодиоды и матрицы под
этой маркой усовершенствовались и теперь имеют достаточно корректное питание с
помощью контроллера, без катастрофических пульсаций, и довольно высокого уровня
световую отдачу. И, тем не менее, массового распространения они пока не получили.
Традиционно, большинство пользователей и разработчиков применяют в своих изделиях
дискретные светодиоды различной мощности. Их корпуса унифицированы и подходят для
комплектации вторичной оптикой, и лишь параметры и стоимость определяют выбор того
или иного производителя. Конкурентная борьба на рынке светодиодов проходит на всех
уровнях коммерческих приёмов, но поскольку до сих пор мало кто из потребителей может
(или хочет) определять истинные значения заявленных характеристик, наибольшая
широта боевых действий приходится на формирование спецификаций. А если быть
совсем точным – то на условия (температурные или по току), при которых в них указаны
значения параметров. Однако большинство компаний-производителей откликаются на
чаяния клиентов и корректируют свои «даташиты», приводя их к более реальным
условиям эксплуатации. Компания Seoul Semiconductor, вероятно, находится в поиске
удобных для неё, с точки зрения процесса биновки, и для клиента – с точки зрения
корректности применения, условий нормирования параметров собственных светодиодов.
Так, например, оба варианта светодиода, которые и являются предметом настоящей
статьи - Z Power LED – Z5-M0 и Z Power LED – Z5-M1 (представлены на рисунке 3.63),
имеют условия декларирования значений как при Tj = 25ºC, так и при Tj = 85ºC, да ещё и
219
при трёх значениях прямого тока. Таким образом, потребитель может узнать хоть если и
не всегда абсолютное значение разницы в значении параметра при разных температурах
активной области кристалла у различных биновых комбинаций, то, по крайней мере,
спроецировать относительную -
вполне сможет
для большинства.
А типовые
характеристики в спецификации Z5-M0 вообще приведены при температуре +25ºC
окружающей среды (TА) с непонятной температурой кристалла (или p-n перехода).
Вероятно, в последующем варианте, помимо самих технических параметров, доработка
также коснулась и «даташита», где уже все данные указаны при 2-х температурах
активной области Tj. При таком представлении значений параметров, производитель,
конечно же, гораздо лучше информирует потребителя о характеристиках светодиодов в
более реальных условиях эксплуатации, чем идеализированные при Tj = 25ºC, однако если
уже и делать такую информацию опорной для использования в проектировании, то тогда
следует указать её для всех, хотя бы центральных значений или бинов основных
параметров. Потому как данная информация ограничивается в сторону увеличения
значения коррелированной цветовой температуры только 5300К, хотя в спецификации
фигурируют биновые комбинации и с цветовой температурой до 7000К, где по понятным
причинам разница в световом потоке при различных температурных условиях p-n
перехода (от +25 до +85ºC) будет явно выше, чем у указанных в документе. Это может
запутать потребителя при выборе прибора под свою задачу, тем более, если принять во
внимание ещё и возможность использования различного режима по току, диапазон
которого регламентирован до 1500мА. Стоит отметить также, что (и это указано в
спецификации) представленные при температуре Tj = 85ºC значения характеристик в
большинстве случаев – расчётные. И это обстоятельство осложняет общение заказчика и
производителя (дистрибутора) с точки зрения соответствия параметров поставленных под
определённый заказ светодиодов с трактованными в даташите, либо увеличит вероятность
пересортицы. Именно по этим причинам в настоящем исследовании задача абсолютной
идентификации значений измеряемых параметров образцов их декларируемым биновым
комбинациям оказалась несколько затруднительной, несмотря на возможность реализации
при измерениях всех параметров любого режима по температурам Tj, Tsp, TА и току, в том
числе в импульсном режиме, поэтому традиционное для такого исследования заключение
о степени их соответствия корректно сформировать не удалось.
Однако это лишь вопрос корректности описанной выше трактовки характеристик и не
может не умалять внимания к результатам работы технических специалистов компании
Seoul Semiconductor, воплотившимся в получивших мировое признание светодиодах типа
Z5-Mх.
220
а)
б)
Рисунок 3.63. Внешний вид светодиодов Z Power LED – Z5-M0 – а) и Z Power LED – Z5M1 – б).
Таблица 3.13.
Комплекс измерений параметров светодиодов, полученный при исследовании.
Тип светодиода
Параметры
I
I
Режим
Мощность излучения, W
Световой поток, lm
Сила света максимальная, cd
Сила света осевая, cd
Освещённость по оси на
расстоянии 2,5м, lx
Сила излучения максимальная,
W/sr
Угол излучения 2Q0,5Iv, deg:
0-0
0-90
средний 2Q0,5Iv
Угол излучения 2Q0,1Iv, deg:
Потребляемый ток, A
Z5-M0
Полученные
350мА (при
TА=+25Со)
0,46
136,1
44,27
44,15
Полученные
350мА (при
Tsp=+25Со)
0,48
144,1
45,01
44,92
Z5-M1
Полученные
350мА (при
Tj=+25Со)
0,54
163,1
51,89
51,86
7,1
7,2
8,3
0,148
0,149
0,172
115,99
116,38
116,18
168,53
0,35
118,6
120,5
119,55
172,19
0,35
121,5
119,88
120,69
159,45
0,35
221
Напряжение питания
статическое, V
Напряжение питания
импульсное, V
Потребляемвя мощность
статич., W
Потребляемвя мощность имп.,
W
Световая эффективность
статич.,lm/W
Световая эффективность имп.,
lm/W
Температура точки пайки в
статическом
режиме, Tsp, Со
Относительная сила света,
cd/klm
КПД светодиода (электр.-свет),
%
Спектральная световая
эффективность, lm/W
Длина волны максимальная, nm
Длина волны центроидная, nm
Ширина спектра излучения по
уровню 0,5Р, nm
Ширина спектра излучения по
уровню 0,1Р, nm
Координаты цветности:
X
Y
Z
Доля ОСПЭЯ отн. V( 
Индекс цветопередачи Ra (CRI)
Коррелированная цветовая
температура (ССТ), K
Цветовая температура по
Планку (приведённая), K
2,858
2,929
2,964
2,861
2,861
2,964
1,000
1,025
1,037
1,001
1,001
1,037
136,06
140,56
157,22
135,92
143,91
157,22
41,9
25,0
18,2
325,3
312,3
318,1
45,6
46,7
52
298,5
450
557,5
301
448
553
450
551,5
22,2
20,9
19,5
253,5
251,5
238,5
0,3143
0,3106
0,3751
35,9
76
0,3157
0,3123
0,372
35,1
75
0,3055
0,3086
0,3859
32,2
76
6562
6447
7186
4893
4826
6130
Результаты измерений и комментарии.
Основные результаты измерений приведены в таблице 3.13. Поскольку имеется несколько
вариантов спецификаций одного и того же типа светодиода, отличающихся в основном
только указанием значений параметров при различных температурах (Tj, Tsp, TА),
измерения также были выполнены при всех комбинациях. Как можно заметить, отличия в
энергетических характеристиках (световой поток, мощность излучения, световая
эффективность),
связанные
с
изменением
температурных
условий
находятся
в
соответствии с традиционным представлением об их зависимости от этих изменений [15]
с учётом теплового сопротивления p-n переход – корпус светодиода (для светодиода Z5-
222
M0). Также были измерены значения светового потока и при имеющемся в спецификации
режиме при Tj = 85ºC, для светодиода Z5-M1 представленные в таблице 3.14. Как
говорилось ранее, здесь интерес представлял в рассмотрении относительного изменения
этого значения для оценки режима при реальной работе светодиода в составе устройства.
Можно заметить, что полученная разница оказалось существенно выше заявленной,
однако можно предположить, что она находится в приемлемых рамках по причине
значительно большей коррелированной цветовой температуры исследуемых образцов,
чем заявлено в «даташите» и могла поэтому быть таковой. Следует отметить также, что в
исследовании эта разница выглядит более реальной и корректной с физической точки
зрения, чем указано в спецификации, поэтому в натурных условиях эксплуатации следует
ожидать именно таких изменений значения светового потока в зависимости от
температуры Tj и при этом иметь в виду, что в различной степени изменению
подвергаются также и другие характеристики, а если быть точными – то практически все,
указанные в таблице 3.13.
Также, более детальное рассмотрение полученных данных, имеющихся в таблице 3.13,
указывает на некоторое изменение углового распределения силы света при различных
температурных условиях. Хоть эта величина и относительная (выражается в углах по
уровню 0,5Iv
max),
но по её поведению можно сделать вывод о некоторых важных
характеристиках и режимах работы излучающего кристалла. Например, очевидно, что
выявленное изменение угла излучения по указанному уровню силы света, хотя и всего на
несколько
градусов
(таблица
3.13),
свидетельствует
об
изменении
плотности
излучательной рекомбинации по площади активной области кристалла.
Таблица 3.14.
Сравнение параметров светодиода Z5-M1 при различной температуре Tj
Тип светодиода
Параметр
I
Режим
Разность значений
Z5-M1
If=350мА,Tj=+25Со If=350мА,Tj=+85Со Полученная Даташит
Световой поток, лм
163,1
142,0
21,1
13
Световая эффективность,лм/Вт
157,2
145,1
12,1
4,1
Это может быть связано как с изменением распределения плотности тока, по причине
соответствующей топологии поверхностных контактов, так и с неравномерностью
(нелинейностью) охлаждения всей поверхности кристалла или корпуса светодиода. Так
или иначе, это характеризует качество исполнения всей технологической цепочки
производства светодиода: от посадки кристалла до монтажа корпуса на плату. Этот вывод
подтверждается неравенством в отношении значений светового потока и силы света,
223
полученных при разных температурных условиях, а значит – и корректностью измерения
пространственного распределения силы света светодиода. Также, данный вывод
находится в соответствии с описанными в [114,117,130] явлениями не столько изменения
значения светового потока, сколько его перераспределения по фотометрическому телу
при каком-либо изменении режима. Следует отметить, что подобный эффект будет
присутствовать также и при изменении прямого тока. Кстати, у исследуемых типов
светодиодов он будет различной степени проявления ввиду разной топологии контактов
(рисунок 3.63.). А вот отличие в углах излучения по уровню 0,1Iv max, у Z5-M0 и Z5-M1,
которое нельзя назвать совершенно незаметным (более 10 град.) связано с разницей в
методе нанесения люминофора, который во втором случае покрывает также и боковые
грани кристалла, даже заполняя «дно» оптической системы (рисунок 3.63.), отчего
пространственная диаграмма силы света оказывается более «прямоугольной» и при
идентичности углов излучения по уровню 0,5Iv max, именно относительные большие углы
наблюдения сужаются, что наглядно показывают диаграммы рисунка 3.64. Однако углы
излучения по указанным уровням от максимальной силы света в спецификации
фигурируют только на диаграмме, декларируя их двойное значение в 110 град по уровню
0,5Iv max и более 170град. по уровню 0,1Iv max.
По той же причине, градиент изменения оттенка цвета или коррелированной цветовой
температуры в зависимости от угла наблюдения у светодиодов Z5-M1 оказывается
существенно выше из-за утилизации линзой излучения в области боковой грани
кристалла, редуцированного по спектру люминофором. Рассуждение иллюстрирует
рисунок 3.65, где можно заметить довольно чёткий светящий контур кристалла
светодиода Z5-M0, а в случае его более современного варианта можно было бы наблюдать
более размытую фигуру по краям. Это обстоятельство может пригодиться разработчикам
вторичной оптики для этих светодиодов, где будет важно чёткое понимание площади
светящей поверхности и её формы, а также поможет скорректировать имеющиеся
изменения колориметрических характеристик в зависимости от угла излучения
(наблюдения). Переходя к обсуждению последних, следует обратить внимание на рисунок
3.66, на котором показаны графики этих зависимостей. На первый взгляд, эти диаграммы
не только не поясняют ситуацию с цветностью исследуемого светодиода, а наоборот,
усложняют понимание, особенно если обратиться к значению коррелированной цветовой
температуры, указанной в таблице 3.13. Однако следует напомнить, что вся биновка
светодиодов на конвейере по значению цветовой температуры (координат цветности)
производится в импульсном режиме (как и всех остальных параметров) с использованием,
как правило, интегрирующей полусферы, в которой попавший в неё световой поток от
всех секторов фотометрического тела (имеющих, как показано на рисунке 3.66 различное
224
значение
цветовой
температуры)
перемешивается
с
помощью
многократных
переотражений от внутренней поверхности и таким образом, измерению подлежит некая
средняя величина всех колориметрических характеристик.
Отн. ед.
Z5-M1
Centroid Q, deg.
Level 0,5 Iv
- angle of 0,5 Iv
+angle of 0,5 Iv
COS Q
Z5-M0
1,0
0,8
0,6
-60,93
60,47
0,4
0,2
Q,deg.
-4,50
0,0
-100
-80
-60
-40
-20
0
20
40
60
80
100
Рисунок 3.64. Относительные диаграммы углового распределения силы света светодиодов
Z5-M0 и Z5-M1 – к описанию их отличия в связи с различным методом нанесения
люминофора.
Рисунок 3.65. Светодиод Z5-M0 во включенном состоянии. К иллюстрации формы
светящей поверхности кристалла.
Но, как неоднократно говорилось в предыдущих публикациях [2], при таких условиях,
совершенно непонятно какой смысл вкладывает производитель (в данном сл. – любой – не
225
только Seoul Semiconductor) в декларируемое значение координат цветности или
коррелированной цветовой температуры, потому как наблюдатель одинаково вероятно
может видеть отдельно как центральную (осевую) часть излучения светодиода, так и
периферийную, причём с разрешением в 1-2град. В таком случае, следуя сказанному
выше, получается, что в фотометрическом теле светодиода есть, как правило, только однаединственная область, и очень узкая, соответствующая заявленным параметрам, а
наблюдатель таким образом, практически никогда не сможет увидеть задекларированную
цветность отдельного светодиода. В составе осветительного прибора, особенно с
рассеивателем – да, ситуация будет более похожа на цифру в спецификации. Отсюда
следует довольно простой вывод: если иметь в виду, что, метод сортировки (биновки) по
цветовой температуре – неизменная данность, принятая повсеместно, то, чем меньшее
изменение по цветности (оттенку) в зависимости от угла излучения будет иметь
светодиод, тем имеется большая вероятность истинности указанных в спецификации
значений колориметрических характеристик.
Переходя к исследуемым образцам и к рисунку 3.66, можно заметить, что
коррелированная цветовая температура (ССТ) светодиода Z5-M1 в зависимости от угла
излучения 0…90град (а поскольку пространственное распределение силы света
симметрично, то можно считать угол –90…+90град) изменяется приблизительно от 5000
до 9000К. Однако интегральное значение ССТ будет таким, как указано в таблице 3.13, и
таким, каким по идее, измерила его сортировальная машина на производстве. В нашем
случае, эта цифра получена интегрированием долей суммарного светового потока с
различными спектральными характеристиками, выраженными на рисунке 3.66 разными
колориметрическими параметрами. Измерение спектрального распределения светового
потока (мощности излучения) выполнено с шагом в 5 град и физическим разрешением
спектрофотометра стенда «Спекорд» в 0,5нм. Описанный анализ результатов, как было
показано выше, был построен на приведение в соответствие измеренных характеристик по
наиболее «физическим» методам в лаборатории используемым при сортировке, однако в
рассуждении
также
показано,
что
корректность
последнего
для
определения
метрологически правильно полученных значений этих параметров, остаётся под большим
сомнением. Это обстоятельство, как указано в приведённых аргументах – практически у
всех
производителей–часто
оказывается
причиной
разногласий
между ними
и
потребителями, когда реально визуально наблюдаемые оттенки излучения светодиодов и
ожидаемые при прочтении спецификации оказываются существенно разными. Поэтому в
данном исследовании, эффект от такого несоответствия может быть ощутимым ввиду
значительного изменения колориметрических характеристик от угла наблюдения (рисунок
3.66).
226
0,45
Линии цветовых температур
Общая зона белого цвета МКО-31
Плоскость 00-00
0,43
0,41
0,39
00-85
3400К
0,37
4500K
5100
CCy
0,35
4000 K
4900K
00-60
Source"B"
5600
Source"E"
0,33
Source"D65"
7400K
Source"C"
0,31
00-45
9000К
00-30
0,29
10000K
00-00
0,27
15000K
CCx
0,25
0,26
0,27
0,28
0,29
0,3
0,31
0,32
0,33
0,34
0,35
0,36
0,37
0,38
0,39
0,4
0,41
0,42
а)
10000
370
Коррелированная
цветовая
температура,CCT (K)
Спектральная световая эффективность,К(lm/W)
ССТ
9000
350
К(lm/Wopt)
8000
330
7000
310
6000
290
5000
270
Угол излучения,ø (град)
4000
250
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
б)
Рисунок 3.66. Зависимость от угла наблюдения: координат цветности – а) и
коррелированной цветовой температуры – б) светодиода Z5-M1.
На рисунке 3.67 приведена зависимость индекса цветопередачи по каждому из 14-ти
стандартных образцов от угла излучения светодиода. Эта информация дополняет рисунок
227
3.66 и показывает, что наряду с цветностью, имеется также различие и в индексах
цветопередачи.
100
Ra
80
60
40
0-0
0-30
20
0-45
0-60
0
0-85
-20
-40
Номер образца
-60
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
Рисунок 3.67. Измеренная диаграмма значений индексов цветопередачи светодиода Z5M1 по 14 стандартным образцам в зависимости от угла наблюдения (указан на сноске).
Возвращаясь к сравнению результатов исследования, полученных для 2- вариантов
мощных светодиодов Z5-Mх от Seoul Semiconductor, можно сделать вывод, что, несмотря
на имеющиеся «болезни», которые, кстати, в разной степени присущи большинству
аналогичных светодиодных продуктов от ведущих производителей, и поэтому ставящих
их с ними в один продуктовый ряд, на рынке появились довольно конкурентоспособные
светодиоды сегмента 1 – 3Вт. Следует отметить, что в представленном примере с
исследованными
образцами,
компания
Seoul
Semiconductor
пошла
по
пути
совершенствования параметров уже ставшего известным потребителю типа светодиода
вместо создания нового, хотя переделки коснулись основных элементов светодиода – от
применения другого излучающего кристалла, до иного метода нанесения люминофора.
Однако такой коммерческий ход, в случае реального подтверждения положительных
изменений вполне оправдан, и должен принести компании увеличение уровня реноме
этого продукта. А результатом этого усовершенствования стали заметно большие
значения светового потока и световой эффективности, выявленные при исследовании, а не
только задекларированные в спецификации, что может служить подтверждением
сделанным выше выводам.
14
228
Глава 4.
Результаты эксперимента по исследованию деградации параметров светодиодов, их
обработка и практическое применение на производстве
4.1. Деградационные характеристики групп светодиодов
Для наиболее показательного представления результатов эксперимента, основные
полученные данные были сведены в таблицы и дополнены графиками. Сформировано 6
массивов данных, соответствующих группам светодиодов на основе разных конструкций
кристаллов, представленных в таблице 3.2, как было сделано в [84], и оказалось удобным
для представления результатов. Таблицы данных разбиты на 4 подгруппы, в которые
объединены соответствующие светодиоды, отобранные в начале эксперимента по
значению прямого напряжения при рабочем токе 80 mA (методика, описанная в 3.2.1.).
Нумерация подгрупп светодиодов выполнена в порядке увеличения Uf при нуле часов
наработки; некоторые группы имеют малый разброс по этому параметру, существенно
увеличивающийся только в крайних подгруппах (1 и 4). В таблицах представлены
интегральные (усреднённые) сведения, рассчитанные по результатам характеристик всех
светодиодов группы, согласно методике 2.3., у которых нет признаков катастрофического
отказа или очевидного отличия параметров от остальных образцов группы (таковых не
оказалось) на момент завершения эксперимента (достижения наработки 10000 часов).
Вышедшие из строя на разных этапах наработки светодиоды подлежат исследованию для
выяснения причин отказа. Однако характеристики таких светодиодов до выхода из строя
также анализировались для получения информации о ходе изменения отдельных
параметров и связи их поведения с последующим отказом (пример характеристик одного
из таких светодиодов представлен в приложениях 4.7, 4.8). Количество вышедших из
строя светодиодов подгруппы отражено в таблицах и может также служить показателем
потенциальных возможностей наработки светодиодов данной группы. Деградационные
характеристики основных сравниваемых параметров в таблицах приведены в трёх точках
временного интервала, начиная с 1000 часов наработки, как времени начала стабилизации
характеристик. Перераспределение светового потока внутри диаграммы направленности
излучения показано в трёх точках относительно нулевого времени наработки, по углам
излучения Ф(W), как суммарный световой поток в:
«левый край» - -0,25 W,
«центр» - 0,5 W,
«правый край» - +0,25 W.
По полученным значениям можно судить о причине разницы деградационных
характеристик общего светового потока Ф и максимальной силы света Iv. Для связи
229
энергетических показателей излучения с электрическими характеристиками в тех же
временных точках приводятся 2 различных значения Uf, и обратный ток Ir. Более
наглядно, и во всём диапазоне времени наработки указанные характеристики приведены
на графиках и в соответствующих приложениях 4.9 – 4.21.
Таблица 4.1.
Группа 1. Светодиоды на основе кристаллов CREE MBrightTM C470-MB290-E1000. Цвет –
синий.
Группа Uf(0h) Время, h Ф(0h),lm Ф/Ф(0h)
1000
0,885
1
3000
0,379
0,895
10000
0,869
1000
0,925
2
3000
0,406
0,899
10000
0,889
1000
0,877
3
3000
0,477
0,943
10000
0,932
1000
0,888
4
3000
0,728
0,948
10000
0,965
Распределение
Светового
потока Ф
Uf/Uf(0h)
Распределение
Светового
потока,Ф
Ir, mA Вышло из
левый край
центр
правый край Iv/Iv(0h) Статич. Динамич. при -5 V строя,шт.
1,410
0,834
2,686
0,834
0,994
0,996
-0,049
1,672
0,880
2,765
0,843
1,035
1,035
-0,452
2
0,949
0,557
2,863
0,837
1,076
1,040
-0,842
1,703
1,028
1,253
0,833
0,997
0,988
0
2,423
1,113
1,939
0,802
1,008
1,001
-0,317
1
2,055
0,980
2,061
0,809
1,062
1,039
-0,305
2,251
0,985
1,358
0,874
1,006
1,006
0
3,200
0,969
2,564
0,805
1,012
1,014
-0,274
0
1,764
0,681
2,822
0,805
1,017
1,019
-0,306
1,568
0,969
3,565
0,834
0,989
0,990
-0,037
1,535
1,180
5,567
0,815
1,022
1,019
-0,256
2
1,873
2,136
10,613
0,756
1,047
1,049
-0,342
Таблица 4.2.
Группа 2. Светодиоды на основе кристаллов CREE MBrightTM C527-MB290-S0500. Цвет –
зелёный.
Распределение Светового потокаФ
Группа Uf(0h) Время, h Ф(0h),lm Ф/Ф(0h) левый край центр правый край Iv/Iv(0h)
1000
0,740
1,129
0,887
1,473
0,819
1
3000
4,026
0,778
2,417
0,896
1,909
0,845
10000
0,780
1,577
0,589
1,248
0,746
1000
0,764
0,758
1,200
0,845
1,071
2
3000
3,107
0,830
1,053
1,286
0,807
0,938
10000
0,799
0,761
1,348
1,236
1,037
1000
0,855
0,575
0,983
2,164
1,059
3
3000
3,135
0,850
1,700
1,029
1,873
0,957
10000
0,837
1,000
0,972
2,907
1,028
1000
0,729
9,695
1,423
2,830
0,897
4
3000
2,614
0,753
13,850
0,954
2,987
0,793
10000
0,741
20,775
2,164
3,875
0,756
Uf/Uf(0h)
Ir, mA Вышло из
Статич. Динамич. при -5 V строя,шт.
1,001
1,010
0
1,019
1,015
-0,11
3
1,023
1,026
-0,256
0,996
0,994
-0,024
0,973
0,970
-0,11
1
0,976
0,985
-0,085
1,013
1,020
-0,024
0,997
1,022
-0,061
3
1,001
1,016
-0,024
1,011
1,035
-0,012
1,012
1,048
-0,012
4
1,022
1,044
-0,208
4.2 Описание деградационных характеристик
Все измерения и расчёты, результаты которых приведены в таблицах 4.1 – 4.6, на
графиках 4.1 – 4.6 и в приложениях 4.7 – 4.21, показали расхождение в поведении
деградационных характеристик светового потока и максимальной силы света у всех групп
и подгрупп светодиодов. Различие между ними, достигающее в некоторых случаях
(группы 1,2) значения более 20%, указывает на значительное, пропорциональное этому,
значение перераспределения светового потока внутри диаграммы излучения и изменение
геометрического положения максимумов силы света и плотности светового потока.
230
1,0900
1,05
F/F(0h),Iv/Iv(0h)
Uf/Uf(0h)
1,0800
F(T)
Iv(T)
1,0700
1
1,0600
1,0500
0,95
1,0400
1,0300
0,9
Импульсный режим
Статический режим
1,0200
1,0100
0,85
1,0000
0,9900
Time,h
Time,h
0,8
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
10000 0,9800
9000
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
1)
1,05
1,0700
F/F(0h),Iv/Iv(0h)
Uf/Uf(0h)
F(T)
Iv(T)
1
1,0600
1,0500
1,0400
0,95
1,0300
0,9
1,0200
1,0100
0,85
Импульсный режим
1,0000
Статический режим
0,8
0,9900
Time,h
Time,h
0,9800
0,75
0
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
10000
2)
1,0600
1,05
F/F(0h),Iv/Iv(0h)
Uf/Uf(0h)
1
1,0500
0,95
1,0400
0,9
Импульсный режим
1,0300
Статический режим
F(T)
Iv(T)
0,85
1,0200
0,8
1,0100
0,75
1,0000
0,7
Time,h
0,65
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
Time,h
0,9900
0
10000
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
3)
1,0600
1,05
F/F(0h),Iv/Iv(0h)
Uf/Uf(0h)
F(T)
Iv(T )
1
1,0500
1,0400
0,95
1,0300
1,0200
0,9
Им пульсный режи м
Статический режим
1,0100
0,85
1,0000
0,8
0,9900
Time,h
Time,h
0,9800
0,75
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
0
10 00
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
4)
Рисунок 4.1. Деградационные характеристики группы 1. Номера подгрупп соответствуют
номерам частей рисунка.
1000 0
231
Таблица 4.3. Группа 3. Светодиоды на основе кристаллов EPISTAR ES-CEGH713. Цвет –
зелёный.
Распределение
РаспределениеСветового
Световогопотока
потока,Ф
Ф
Группа Uf(0h) Время, h Ф(0h),lm Ф/Ф(0h) левый край
центр
правый край Iv/Iv(0h)
1000
0,653
1,219
1,376
1,125
0,784
1
3000
1,699
0,647
1,318
1,351
1,462
0,821
10000
0,657
1,482
1,107
1,636
0,797
1000
0,668
1,716
1,280
1,280
0,753
2
3000
1,717
0,685
1,319
0,942
1,470
0,686
10000
0,701
1,509
0,860
0,963
0,745
1000
0,687
2,889
1,356
1,523
0,741
3
3000
1,725
0,696
1,222
1,081
1,033
0,667
10000
0,733
2,889
0,721
1,134
0,648
1000
0,639
1,228
1,215
1,953
0,752
4
3000
1,650
0,610
1,456
1,181
2,347
0,688
10000
0,620
1,944
1,091
1,640
0,698
Uf/Uf(0h)
Статич. Динамич.
1,298
1,007
1,306
1,009
1,312
1,017
1,145
1,010
1,153
1,022
1,158
1,046
1,011
1,002
1,010
1,005
1,016
1,012
1,005
0,981
1,014
0,993
1,012
0,998
Ir, mA Вышло из
при -5 V строя,шт.
-499,756
-499,756
1
-499,756
-499,756
-499,756
1
-499,756
-169,019
-306,226
1
-352,539
-464,612
-499,756
0
-499,756
Таблица 4.4. Группа 4. Светодиоды на основе кристаллов EPISTAR ES-CARL512. Цвет –
красный.
Группа Uf(0h) Время, h Ф(0h),lm
1000
1
3000
0,815
10000
1000
2
3000
0,859
10000
1000
3
3000
0,871
10000
1000
4
3000
0,870
10000
Ф/Ф(0h)
1,000
0,981
0,811
0,947
0,885
0,824
0,995
1,000
0,915
0,967
0,974
0,945
Распределение Светового потока Ф
левый край
центр
правый край Iv/Iv(0h)
1,765
1,125
2,277
0,935
1,871
1,210
2,319
0,762
2,091
1,117
2,093
0,720
1,159
1,465
3,428
0,998
1,245
1,404
4,170
1,016
0,788
1,030
4,222
0,939
3,191
1,050
1,516
0,866
2,774
0,959
1,705
0,927
3,845
0,787
4,731
0,956
1,683
0,873
3,953
0,915
2,082
0,919
5,910
0,852
1,805
0,890
5,009
0,853
Uf/Uf(0h)
Ir, mA Вышло из
Статич. Динамич. при -5 V строя,шт.
0,997
0,993
-0,037
1,004
1,000
0
0
1,011
1,000
-0,0293
1,002
0,990
-0,012
1,013
0,995
-0,049
0
1,012
0,992
-0,047
0,998
0,989
0
1,006
1,006
-0,024
0
1,007
1,005
-0,024
0,995
0,990
0
1,002
0,994
0
0
1,013
0,999
-0,012
Таблица 4.5. Группа 5. Светодиоды на основе кристаллов EPISTAR ES-SAYL814. Цвет –
жёлтый.
Группа Uf(0h) Время, h
1000
1
3000
10000
1000
2
3000
10000
1000
3
3000
10000
1000
4
3000
10000
Ф(0h)
3,222
2,498
2,998
4,203
Ф/Ф(0h)
0,911
0,918
0,751
0,854
0,808
0,710
0,883
0,879
0,778
0,617
0,532
0,537
Распределение Светового потока Ф
левый край
центр
правый край
3,125
1,193
2,256
2,166
1,057
2,294
1,464
1,435
1,567
2,616
1,281
1,696
2,073
1,248
2,105
2,064
1,179
1,760
1,015
0,982
1,376
1,619
0,967
2,428
1,022
1,069
2,504
1,176
1,111
0,897
1,588
0,910
0,590
1,083
0,937
0,622
Iv/Iv(0h)
0,863
0,812
0,804
0,993
0,823
0,711
1,063
0,865
0,734
0,803
0,652
0,583
Uf/Uf(0h)
Ir, mA Вышло из
Статич. Динамич. при -5 V строя,шт.
0,998
0,983
-0,012
1,011
0,993
-0,012
0
1,020
1,005
-0,061
0,994
0,973
-0,049
0,998
0,970
-0,061
0
0,998
0,972
-0,049
0,999
0,986
-0,049
1,018
1,008
-0,073
0
1,031
1,014
-0,012
0,985
0,983
-0,024
1,005
1,002
-0,037
0
1,011
1,007
-0,037
Таблица 4.6. Группа 6. Светодиоды на основе кристаллов LUMILEDS HWFR-B317. Цвет –
жёлтый.
Группа Uf(0h) Время, h Ф(0h),lm
1000
1
3000
2,385
10000
1000
2
3000
2,174
10000
1000
3
3000
2,158
10000
1000
4
3000
2,229
10000
Ф/Ф(0h)
0,808
0,828
0,803
0,985
0,829
0,783
0,848
0,870
0,806
0,869
0,804
0,799
Распределение Светового потока
потока,Ф
Ф
Uf/Uf(0h)
Ir, mA Вышло из
левый край центр
правый край Iv/Iv(0h) Статич. Динамич. при -5 V строя,шт.
1,188
1,224
1,250
0,880
1,000
1,002
-0,037
1,188
1,003
1,256
0,896
1,013
0,997
-0,024
0
1,189
1,352
1,336
0,843
1,015
0,997
-0,024
1,226
1,142
1,234
1,035
0,999
0,998
-0,061
1,226
1,025
1,234
0,872
0,999
0,995
-0,037
0
1,238
1,046
1,234
0,817
0,999
0,998
0
1,172
1,118
1,300
0,918
0,998
0,999
-0,0054
1,111
0,915
1,437
0,904
0,999
0,997
-0,0255
0
1,059
0,885
1,496
0,860
1,000
0,995
-0,018
0,968
1,010
1,425
0,922
1,000
0,994
-0,0168
1,053
0,883
1,180
0,886
1,000
0,992
-0,0338
0
1,053
0,805
0,951
0,799
1,000
0,995
-0,0387
232
1
1,0600
F/F(0h),Iv/Iv(0h)
Uf/Uf(0h)
1,0500
0,95
Импульсный режим
F(T)
Iv(T)
Статический режим
1,0400
0,9
1,0300
0,85
1,0200
0,8
1,0100
0,75
1,0000
Time,h
Time,h
0,7
0,9900
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
1)
1,0600
1 ,1
Uf/Uf(0h)
F/F(0h ),Iv/Iv(0h)
1,0 5
Импульсный режим
Статический режим
1,0400
1
0,9 5
1,0200
F(T )
Iv(T)
0 ,9
1,0000
0,8 5
0 ,8
0,9800
0,7 5
Time,h
T im e,h
0,9600
0 ,7
0
1 00 0
2 00 0
30 00
40 00
5 00 0
6 00 0
70 00
80 00
9 000
0
10 000
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
2)
1,0600
1
Uf/Uf(0h)
F/F(0h),Iv/Iv(0h)
1,0500
0,95
F(T)
Iv(T)
0,9
1,0400
1,0300
0,85
1,0200
0,8
1,0100
Импульсный режим
Статический режим
0,75
1,0000
Time,h
Time,h
0,7
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
0,9900
10000
0
9000
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
3)
1,1
1,0600
Uf/Uf(0h)
F /F (0h ),Iv /Iv (0 h)
1 ,05
1,0500
Импульсны й режим
Статический реж им
1
1,0400
0 ,95
F(T)
Iv(T )
1,0300
0,9
1,0200
0 ,85
1,0100
0,8
1,0000
0 ,75
Tim e,h
T im e,h
0,9900
0,7
0
10 00
20 00
30 00
40 00
50 00
60 00
70 00
80 00
90 00
1 00 00
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
4)
Рисунок 4.2. Деградационные характеристики группы 2. Номера подгрупп соответствуют
номерам частей рисунка.
9000
10000
233
1,1
1,3500
Uf/Uf(0h)
F/F(0h),Iv/Iv(0h)
1,3000
1
1,2500
F(T)
Iv(T)
1,2000
0,9
Импульсный режим
Статический режим
1,1500
0,8
1,1000
1,0500
0,7
1,0000
Time,h
Time,h
0,6
0,9500
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
1)
1,1
1,2000
Uf/Uf(0h)
F/F(0h),Iv/Iv(0h)
1
1,1500
F(T)
Iv(T)
0,9
1,1000
0,8
1,0500
0,7
1,0000
Импульсный режим
Статический режим
Time,h
Time,h
0,6
0,9500
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
2)
1,1
1,0200
Uf/Uf(0h)
F/F(0h),Iv/Iv(0h)
1,0150
1
1,0100
F(T)
Iv(T)
1,0050
0,9
1,0000
0,8
0,9950
Импульсный режим
Статический режим
0,9900
0,7
0,9850
Time,h
Time,h
0,6
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000 0,9800
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
3)
1,0200
F/F(0h),Iv/Iv(0h)
Uf/Uf(0h)
1,05
1,0100
0,95
F(T)
Iv(T)
1,0000
0,85
0,9900
0,75
Импульсный режим
Статический режим
0,9800
0,65
Time,h
Time,h
0,9700
0,55
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
4)
Рисунок 4.3. Деградационные характеристики группы 3. Номера подгрупп соответствуют
номерам частей рисунка.
9000
10000
234
1,0200
1,1
Uf/Ufmax
F/F(0h),Iv/Iv(0h)
1,0150
1,05
1,0100
1
1,0050
0,95
F (T)
Iv(T)
0,9
1,0000
0,85
0,9950
0,8
0,9900
0,75
Импульсный режим
Статический режим
0,9850
Tim e,h
Time,h
0,7
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
100000,9800
9000
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
1)
1,0200
1,1
Uf/Uf(0h)
F/F(0h),Iv/Iv(0h)
1,0150
1,05
1,0100
F(T)
Iv(T)
1
Импульсный режим
Статический режим
1,0050
0,95
1,0000
0,9950
0,9
0,9900
0,85
0,9850
Time,h
Time,h
0,8
0,9800
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
2)
1,1
1,0200
F/F(0h),Iv/Iv(0h)
Uf/Uf(0h)
1,0150
1,05
1,0100
F(T)
Iv(T)
1,0050
1
1,0000
0,95
Импульсный режим
0,9950
Статический режим
0,9900
0,9
0,9850
Time,h
0,85
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
Time,h
0,9800
9000
10000
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
3)
1,05
1,0200
F/F(0h),Iv/Iv(0h)
Uf/Uf(0h)
F(T)
Iv(T)
1,0150
1
1,0100
1,0050
0,95
1,0000
0,9
0,9950
Импульсный режим
Статический режим
0,9900
0,85
0,9850
Time,h
0,8
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
Time,h
0,9800
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
4)
Рисунок 4.4. Деградационные характеристики группы 4. Номера подгрупп соответствуют
номерам частей рисунка.
9000
10000
235
1,1
1,0500
F/F(0h),Iv/Iv(0h)
Uf/Uf(0h)
1,0400
1
1,0300
F(T)
Iv(T)
0,9
1,0200
1,0100
0,8
1,0000
0,7
0,9900
Импульсный режим
Статический режим
0,9800
0,6
0,9700
Time,h
Time,h
0,5
0,9600
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
1)
1,0050
1,1
Uf/Uf(0h)
F/F(0h),Iv/Iv(0h)
1,0000
1
0,9950
0,9900
F(T)
Iv(T)
0,9
Импульсный режим
0,9850
Статический режим
0,9800
0,8
0,9750
0,7
0,9700
0,9650
0,6
0,9600
Time,h
0,5
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
Time,h
0,9550
0
10000
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
2)
1,0500
Uf/Uf(0h)
F/F(0h),Iv/Iv(0h)
1,1
1,0400
1,0300
1
1,0200
1,0100
0,9
F(T)
Iv(T)
1,0000
0,8
0,9900
Импульсный режим
Статический режим
0,9800
0,7
0,9700
Time,h
Time,h 0,9600
0,6
0
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
10000
3)
1,0500
1
Uf/Uf(0h)
F/F(0h),Iv/Iv(0h)
0,95
1,0400
0,9
1,0300
F(T)
Iv(T)
0,85
1,0200
0,8
1,0100
0,75
1,0000
0,7
0,9900
0,65
Импульсный режим
Статический режим
0,9800
0,6
0,9700
0,55
Time,h
Time,h
0,9600
0,5
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
4)
Рисунок 4.5. Деградационные характеристики группы 5. Номера подгрупп соответствуют
номерам частей рисунка.
9000
10000
236
1,05
1,0200
F/F(0h),Iv/Iv(0h)
Uf/Uf(0h)
1
1,0150
0,95
F(T)
Iv(T)
1,0100
0,9
Импульсный режим
1,0050
Статический режим
0,85
1,0000
0,8
0,9950
0,75
Time,h
0,7
Time,h
0,9900
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
1)
1,1
F/F(0h),Iv/Iv(0h)
Uf/Uf(0h)
1,0040
1,05
1,0020
1
F(T)
Iv(T)
1,0000
0,95
0,9
0,9980
0,85
0,9960
0,8
0,9940
Импульсный режим
Статический режим
0,75
0,9920
Time,h
Time,h
0,7
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
0,9900
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
2)
1,05
Uf/Uf(0h)
F/F(0h),Iv/Iv(0h)
1,0040
Импульсный режим
Статический режим
1
1,0020
F(T)
Iv(T)
0,95
1,0000
0,9
0,9980
0,85
0,9960
0,8
0,9940
0,75
0,9920
Time,h
Time,h
0,9900
0,7
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
3)
1,1
F/F(0h),Iv/Iv(0h)
Uf/Uf(0h)
1,0040
Импульсный режим
1,05
Статический режим
1,0020
1
F(T)
Iv(T)1,0000
0,95
0,9980
0,9
0,85
0,9960
0,8
0,9940
0,75
0,9920
Time,h
0,7
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
Time,h
0,9900
10000 0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
4)
Рисунок 4.6. Деградационные характеристики группы 6. Номера подгрупп соответствуют
номерам частей рисунка.
10000
237
Приблизительно половина иллюстрирующих ход деградации характеристик F(T) и Iv(T)
диаграмм, помимо отличающихся по величине параметров деградации, имеют, зачастую
значительную (группы 1, 4), разницу в наклонах (градиентах) кривых, могущих
пересекаться, или наоборот, отдаляться друг от друга, также указывающую на
определённое перераспределение светового потока, носящее однако, другой характер.
Имеются также и (некоторые подгруппы групп 3, 5, 6) очень близкие и по значению, и по
направлению во всём временном интервале характеристики, свидетельствующие о
достаточно линейном изменении параметров без существенных перераспределений
плотности потока. При небольших значениях деградации, светодиоды с данными
характеристиками, вероятно, были выполнены на кристаллах с наиболее высоким
качеством материала структуры, с соблюдением всех технологических операций при
сборке, и будут иметь высоко стабильные параметры, что вытекает из физического
смысла подобного поведения описанных зависимостей.
Прямое напряжение Uf(T) в подавляющем большинстве случаев монотонно растёт после
периода стабилизации параметров (1000 - 2000 часов). Закономерное доминирование
роста прямого напряжения смещения в статическом режиме над динамическим
свидетельствует об увеличении последовательного сопротивления во всей электрической
цепи светодиода, а в случаях с малым расхождением в значениях между этими двумя
характеристиками, у которых мал градиент изменения – о стабильности состава материала
структуры. Линейная составляющая характеристики изменения прямого напряжения на
участках более 2000 часов наработки связана с увеличением сопротивления контактных
соединений проводников [24,54,117], а нелинейная, при условии качественного монтажа
кристалла и однородности материала излучающей структуры, в неравной степени
определяется степенью диффузии металла омического контакта в низлежащий слой
полупроводника с возможным образованием выпрямляющего перехода (особенно
актуально для кристаллов типа CREE XBrightTM, CREE XThinTM на подложке SiC),
изменением количественного состава центров рекомбинации с различными Uf и Eg и
флуктуацией ширины компенсированного слоя в активной области. Следует добавить, что
роль последовательного сопротивления проявляется при больших плотностях тока, что и
определило выбор значения If при проведении данного эксперимента по деградации.
Подтверждение этого выбора, также будет разъяснено при обсуждении практического
применения сортировки светодиодов по принципу значения прямого напряжения при
больших токах.
Анализ поведения полученных деградационных характеристик выявил наиболее общую
особенность для материалов всей группы на основе твёрдых растворов AIIIBV: светодиоды
с наибольшими значениями светового потока в группах имеют наименьшую степень
238
деградации параметров, причём энергетическая световая эффективность при этом может и
не превышать среднего для группы показателя. Это полностью подтверждается расчётом
результатов данного исследования при условии формирования подгрупп светодиодов по
принципу начального значения светового потока. Примеры таких расчётов приведены в
таблице 4.7. Самыми стабильными по результатам эксперимента оказались светодиоды
группы 6. Светодиоды всех подгрупп имеют практически одинаковые показатели
деградации светового потока при изменениях прямого напряжения всего до 1%.
Несколько большую степень деградации при идентичном ходе характеристик, имеют
приборы группы 4. Однако их отличают существенные показатели перераспределения
светового потока по отношению к группе 6. Группа светодиодов 5 на основе кристаллов
Таблица 4.7.
Деградационные характеристики групп 1 и 6, составленные по результатам расчётов
параметров светодиодов подгрупп, сформированных по близкому значению начального
светового потока (Ф(0ч)).
Группа 1. Светодиоды на основе кристаллов CREE MBrightTM C470-MB290-E1000. Цвет –
синий.
РаспределениеСветового
Светового потока,Ф
потока Ф
Распределение
Группа Ф(0h) Время, h Ф(0h),lm Ф/Ф(0h) левый край
центр
правый край Iv/Iv(0h)
1000
1,009
5,879
0,983
1,788
1,077
1
3000
0,345
0,984
6,439
0,957
2,416
0,917
10000
0,980
6,439
0,733
2,088
0,897
1000
1,030
2,125
1,047
3,670
0,924
2
3000
0,391
1,016
2,115
0,745
2,055
0,906
10000
1,015
2,108
1,003
2,533
0,910
1000
1,033
3,079
1,110
2,926
0,909
3
3000
0,421
1,083
4,190
1,244
3,265
0,865
10000
1,128
2,557
1,196
1,758
1,022
1000
0,876
2,429
0,911
0,769
0,901
4
3000
0,629
0,955
1,960
0,640
1,064
0,880
10000
0,931
2,357
0,829
1,133
0,870
Uf/Uf(0h)
Статич. Динамич.
1,000
1,000
1,015
1,014
1,037
1,038
1,006
1,007
1,017
1,019
1,020
1,027
1,005
1,012
1,033
1,041
1,137
1,297
0,996
0,993
0,995
0,990
1,001
0,995
Ir, mA Вышло из
при -5 V строя,шт.
-0,049
-0,415
2
-0,94
0
-0,208
1
-0,952
-0,037
-0,476
0
-0,537
-0,012
-0,024
2
-0,244
Группа 6. Светодиоды на основе кристаллов Lumileds типа HWFR-B317. Цвет – жёлтый.
Группа Ф(0h) Время, h
1000
1
3000
10000
1000
2
3000
10000
1000
3
3000
10000
1000
4
3000
10000
Ф(0h),lm
2,061
2,198
2,259
2,395
Ф/Ф(0h)
0,836
0,790
0,772
0,887
0,800
0,774
0,811
0,829
0,805
0,848
0,870
0,846
Распределение
РаспределениеСветового
Световогопотока,Ф
потока Ф
левый край
центр
правый край
1,009
1,004
1,101
1,063
0,981
1,149
1,108
1,008
1,155
1,172
1,118
1,300
1,111
0,915
1,437
1,059
0,885
1,496
1,233
1,149
0,997
1,133
1,087
1,137
1,381
1,056
1,037
1,188
1,224
1,250
1,188
1,003
1,256
1,189
1,352
1,336
Iv/Iv(0h)
0,885
0,764
0,780
0,918
0,904
0,860
0,925
0,862
0,808
0,880
0,896
0,843
Uf/Uf(0h)
Ir, mA Вышло из
Статич. Динамич. при -5 V строя,шт.
0,998
1,000
0
1,008
1,000
-0,0132
0
1,010
0,995
-0,03
0,998
0,999
-0,0054
0,999
0,997
-0,0255
0
1,000
0,995
-0,018
0,998
0,999
-0,0081
1,000
0,996
-0,0136
0
0,998
0,995
-0,061
1,000
1,002
-0,037
1,013
0,997
-0,024
0
1,015
0,997
-0,024
239
AlGaInP на подложке Si, оказалась наиболее подверженной деградации из всех групп
этого типа материалов. Несмотря на незначительное перераспределение светового потока,
его значение снизилось к концу эксперимента почти до уровня 0,5 Ф(0h). При этом
импульсное прямое напряжение в большинстве случаев снизилось, достигнув начального
только к 10000 часам наработки. Этот факт свидетельствует о наличии и доминирующем
влиянии больших конгломератов безизлучательных центров рекомбинации (что объясняет
и малое относительное перераспределение потока) над изменением параметров
электрической цепи всего светодиода, стремящимся к увеличению последовательного
сопротивления и соответственно, прямого напряжения. Следует добавить, тем не менее,
что среди светодиодов на основе гетероструктур AlGaInP не оказалось вышедших из
строя или подвергшихся катастрофической деградации.
Из числа групп светодиодов на основе InGaN/AlGaN/GaN в роли аутсайдера выступает
группа 3, которая имеет очень схожие с группой 5 результаты. Но появление
недопустимого обратного тока уже в начальный период наработки во всех подгруппах
свидетельствует о существенном преобладании туннельной оставляющей тока над
инжекционной. Однако здесь, в отличие от группы 5, уже можно проследить связь
деградационных
характеристик
с
начальным
прямым
напряжением,
которая
подчёркивается в светодиодах группы 2. На рисунке 4.2. можно заметить, что приборы
второй и третьей подгрупп (со средним Uf(0ч)) имеют не только меньшую степень
деградации светового потока при росте максимальной силы света, но и стабильность его
значения во всём диапазоне времени наработки. Изменение прямого напряжения
происходит в пределах 2 – 3 % , а статическая и динамическая характеристики
практически совпадают. То же касается и поведения обратного тока, который имеет
меньшие значения у приборов этих подгрупп. К этому также стоит добавить, что в
подгруппе 4 вышло из строя 4 светодиода из 5-ти, а в подгруппе 1 - 3 из 5-ти.
Светодиоды группы 1 также имеют подобную зависимость деградации светового потока
от начального значения прямого напряжения. Однако у них, в отличие от приборов
группы 2, наибольший показатель деградации получился при минимальных значениях
Uf(0h). Такая же зависимость наблюдается и для обратного тока, значение которого
существенно выше в подгруппе 1. В подгруппе 4 , обладающей, однако, наибольшим
световым потоком, выявлено самое высокое в этой группе значение перераспределения
светового потока по объёму диаграммы направленности излучения. Отмечено также, что
относительные изменения прямого напряжения в статическом режиме практически
совпадают с изменениями в динамическом, поэтому кривые на правых графиках рисунка
4.1. совпадают, кроме отличающийся и по предыдущим параметрам, подгруппы 1.
240
4.3. Физические механизмы деградации параметров
Исходя из описанной в главе 1 модели построения площади излучающей структуры в виде
большого числа площадей отдельных p – n переходов с различными характеристиками,
включёнными параллельно и имеющими функцию распределения по площади, можно
установить связь между изменениями суммарных характеристик всей структуры и
отдельных её составляющих. Это утверждение хорошо объясняет факт именно
перераспределения энергетических параметров излучения, а не их количественного
изменения (рисунки 4.1 – 4.6). Если принять также, что отдельные участки области
пространственного заряда имеют помимо отличающихся значений прямого напряжения
ещё и различные значения Eg, то можно предположить, что изменение суммарного Uf
вызовет изменение эффективной Eg, а функция распределения сегментов c отличными Uf
будет соответствовать функции распределения Eg, что в свою очередь и показывает
диаграмма спектрального распределения плотности энергетической яркости излучения
структуры, которая определяется формулой (4.1.) и пропорциональна плотности
состояния заполнения в зоне проводимости и свободных состояний в валентной зоне в
соответствии с законом распределения Ферми – Дирака для электронов и дырок,
I(hn)~n2 (hn -Eg)1/2 exp[-(hn -Eg)k/T]
(4.1.)
hn - энергия фотона.
Более развёрнутая пропорциональность I(h 
Eg для герероструктур InGaN/AlGaN/GaN
подробно описана в [11] с применением модели рекомбинации в хвостах 2D плотности
состояний. Вероятно также, что размеры площадей микро p – n переходов определяются
флуктуациями содержания индия в активном слое.
В работе [7] было высказано предположение, что многие экспериментальные данные по
свойствам синих светодиодов: ширина спектрального распределения, сдвиг максимума
излучения в коротковолновую область при увеличении плотности прямого тока в
отсутствие нагрева активной области (например, при питании в импульсном режиме),
вольт – амперные характеристики и т. д., могут быть рассмотрены на основе модели
неравномерного распределения состава InxGa1-xN в активной области кристалла, при этом
предлагалось рассматривать модель кристалла и светодиода, изображённую на рис 4.22.
Согласно этой модели, светодиод представляет собой совокупность параллельно
включённых микродиодов, имеющих одинаковые параметры широкозонных n – GaN и p –
GaN эмиттеров, но отличающихся друг от друга содержанием индия в квантовых ямах.
Последовательно с этой совокупностью микродиодов включено общее сопротивление
241
контактов. Площади микродиодов (секторов, площадок) S(x) с различным содержанием
индия (x) в квантовых ямах в первом приближении могут быть описаны гауссовским
распределением относительно средних значений х = 0,4 для зелёных светодиодов и х = 0,2
для синих. В настоящей работе был принят следующий вид распределения (4.2):
Rp p-контакта
x=0,15
x=0,16
x=0,17
x=0,24
x=0,25
Rn n-контакта
Rg токопроводящего клея
Рисунок 4.22. Электрическая модель светодиода.
S(x) =
é -( x - x 0) 2ù
ú
× expê
ê 2 × s2 ú
2 p ×s
ë
û
S0
éê -( x - x 0) 2 ùú
=
× exp
ê 2 × (0.0167) 2 ú
2 p × 0.0167
ë
û
S0
(4.2)
где: S0 – полная площадь кристалла светодиода, величина х изменяется дискретно в
пределах х = 0,15…0,25 с шагом dx = 0,01, а величина х0 = 0,2.
По многим экспериментальным данным, эта величина х0 является типичной для синих
светодиодов. Распределение и величины S(x)/S0 для различных значений х показаны на
рисунке 4.23. Здесь S0 – полная площадь кристалла светодиода.
Величина s = 0,0167 выбрана из необходимости соблюдения условия (4.3):
(xmin – x0) = (xmax – x0) = 3 s
(4.3)
Таким образом, необходимо рассчитать ВАХ каждого микродиода со своим значением х,
и своей величиной площади, а затем, учитывая их параллельное соединение при заданной
величине прямого напряжения, рассчитать Вольт – Амперную характеристику светодиода
в целом. Существуют различные подходы к расчёту характеристик синих светодиодов при
условии, что величина х является фиксированной по всей площади кристалла [32, 35].
242
В настоящей работе, для расчёта характеристик InxGa1-xN светодиодов с различным
содержанием состава х в активной области использовалось компьютерное моделирование.
0,25
x=0,15
x=0,16
0,2
x=0,17
x=0,18
x=0,19
x=0,20
0,15
x=0,21
x=0,22
x=0,23
x=0,24
0,1
x=0,25
0,05
0
доля площади S(x) от полной площади светодиода S(o)
Рисунок 4.23. Относительное распределение площадей
1. Основные положения, положенные в основу моделирования свойств светодиодов
В настоящее время широкое развитие получили программы, использующиеся для
компьютерного
моделирования
моделирования
светодиодов
в
различных
настоящей
полупроводноковых
работе
приборов.
использовалась
Для
программа
«SimWindows», версия 1.5, разработанная в центре Оптоэлектронных систем при
Колорадском Университете в г. Боулдер, США Д. Уинстоном (D.W. Winston) [36].
Отличительной особенностью данной программы является:
-
обеспечение моделирования электрических, оптических и тепловых свойств
приборов на основе систем точных исходных физических уравнений;
-
возможность в одномерном приближении различных типов двухвыводных
приборов (диодов, фотодиодов, лазеров и т.д.) на основе самых различных
материалов: кремний, германий, соединения и твёрдые растворы типа АIIIBV ,
АIIBVI и т. п.
243
-
возможность моделирования приборов со структурами, содержащими множество
слоёв, в том числе слоёв с квантово – механическими свойствами (квантовые
одиночные и множественные ямы).
Физические модели, на которых базируется программа, были разработаны и описаны Д.
Уинстоном в работе [37], а также в сокращённом виде изложены в приложении к учебно –
методическому пособию [38]. В очень сжатом виде необходимо отметить:
-
в уравнении Пуассона учитываются заряды ионизированных примесных атомов,
свободных и связанных носителей заряда в квантовых ямах;
-
в программе используются выражения для трёх видов тока: дрейфово–
диффузионного тока в областях прибора, состоящих из объёмных материалов, или
в областях с плавным изменением состава материала; тока термоэлектронной
эмиссии
для
контактов
квантовых
ям
с
объёмными
материалами;
термоэлектронного и туннельного токов при резких границах между двумя
объёмными материалами;
-
для процессов рекомбинации носителей заряда в программе учитываются
механизмы спонтанной и стимулированной излучательной рекомбинации «зона–
зона» и механизмы безизлучательной рекомбинации по модели Шокли–Рида–
Холла и Оже, при этом для рекомбинации учитывается двумерная природа
носителей заряда и их волновых функций;
-
считается, что в квантовой яме есть только одно связанное энергетическое
состояние для носителей заряда.
2. Методика моделирования излучающих свойств светодиодов
Для моделирования синих светодиодов на основе твёрдых растворов InGaN были созданы
новые файлы параметров приборов (device file) и файлы параметров материалов (material
file).
Для каждого конкретного светодиода в его файле прибора указывались геометрические
размеры эмиттеров, квантовых ям и барьеров; количество квантовых ям и барьеров;
состав твёрдого раствора, тип проводимости, концентрации и энергии активации
легирующих примесей в каждой области светодиода.
В файле параметров материалов для твёрдых растворов InGaN должны быть указаны
значения таких параметров данного материала, как ширина запрещённой зоны, показатель
преломления, оптическое поглощение, теплопроводность, подвижность и время жизни
носителей
заряда,
электронное
сродство,
коэффициенты
излучательной
и
безизлучательной рекомбинации и т.д., всего для 25 параметров. В настоящей работе
использованы файлы параметров материала, созданные и приведённые в работе [32].
Исходные данные для создания этих файлов в основном были взяты из архива свойств
244
полупроводниковых материалов Фико-Технического Института им. А.Ф. Иоффе РАН
[36].
3. Параметры моделируемых приборов
Светодиоды синего цвета свечения на основе гетероструктур InGaN имют следующую
конструкцию и параметры областей:
-
GaN-эмиттер n-типа, концентрация доноров (Te) составляет ND=1019cм-3;
-
Активная область состоит из набора квантовых ям состава InxGa1-xN (х=0,15 – 0,25)
и GaN-барьеров. Количество ям равно 4, длина d квантовых ям была равна 3,5 нм,
длина GaN-барьеров была равна 4,5 нм. Ямы и барьеры имели n-тип проводимости
(концентрация доноров (Te) ND=1018cм-3);
-
GaN-эмиттер p-типа, концентрация акцепторов (Mg) составляет ND=1018cм-3).
Моделирование Вольт – Амперных характеристик светодиодов с различной величиной
состава х в квантовых ямах проведено в диапазоне прямых напряжений между p – GaN и n
– GaN эмиттерами Up-n = 1…4 В. В качестве примера моделирования при Up-n = 3,6 В
приведены данные в таблице 4.8.
Таблица 4.8.
Результаты моделирования характеристик синих светодиодов по принципу распределения
площадей с различным содержанием Inх.
2
-3
-1
25
X J, A/cm I, mA UBB,cm *s *10
0,15
484
0,76
500
0,16
220
1,79
185
0,17
128
3,56
92
0,18
76
5,16
48
0,19
37
4,3
18,5
0,2
24
3,34
9
0,21
15
1,74
5,3
0,22
9
0,61
3,2
0,23
77
2,14
80
0,24
46
0,37
46
0,25
33
0,05
33
-1 -1
13
UBB*S,cm s *10
235,5
450
768
978
645
375
186
65,4
666
111
15,6
2
-6
Sx,cm *10
1,57
8,12
27,8
67,9
116
139
116
67,9
27,8
8,12
1,57
UBB*Sx*d/ UBB*S(0,18)*d
0,24
0,46
0,79
1
0,66
0,38
0,19
0,07
0,68
0,11
0,02
Хорошо видно, что при значениях х = 0,15…0,17 (более мелкие квантовые ямы),
плотность тока значительно больше, чем при значениях х = 0,18…0,25.
Моделирование спектра излучения было основано на расчётах суммарной скорости
излучательной рекомбинации в наборе квантовых ям (UBB) и полного числа квантов,
излучаемых в наборе ям (UBB * S*d) при различных значениях состава х. Распределение
количества квантов с различной энергией (для разных составов) также приведено в
таблице 4.8. На рисунке 4.25. приведено сравнение рассчитанной вольт – амперной
характеристики и экспериментальной ВАХ светодиодов группы 1 (на основе кристалла
CREE MBrightTM C470-MB290-E1000, цвет – синий), подгруппы 4 (с самым высоким
245
Uf(0ч)).
На рисунке 4.24.
приведено
сравнение
рассчитанного
и полученного
экспериментально спектра излучения светодиодов той же группы.
1
0,3
Arbitrary units
In,x
0,9
0,25
0,8
0,7
0,2
0,6
0,5
0,15
0,4
Модель спектрального распределения
материала InxGa1-xN относительно х=0,2
0,3
Реальный спектр образцов подгруппы с
Uf(0h)max
0,1
Доля индия в материале InGaN, x
0,2
0,05
0,1
l,nm
0
400
412,5
425
437,5
450
462,5
475
487,5
500
512,5
525
537,5
Рисунок 4.24. Спектр излучения. Рассчитанная модель и полученное измерение.
Соответствие полученных различным способом характеристик позволяет использовать
рассчитанные данные для обоснования закономерностей в изменениях характеристик
синих светодиодов, наблюдающихся при длительной наработке, поскольку деградация
величины светового потока экспоненциально зависит от плотности тока (4.4.),
Ф(t)= Ф(0ч)*exp((-J)*a*t)
(4.4)
где:
J-плотность тока, А/cм2;
t-время наработки, ч;
a- коэффициент , описывающий скорость деградации, см2*А-1*ч-1
Ф(t)-световой поток через время наработки t,
Ф(0ч)-начальный световой поток, лм.
то в большей степени деградации подвержены области структуры с малыми значениями х
= 0,15…0,17, через которые протекают токи с большой плотностью (таблица 4.8).
Вследствие этого, спектры излучения в процессе наработки смещаются в длинноволновую
сторону (рисунок 4.28), поскольку более коротковолновая часть спектрального
0
550
246
распределения деградирует быстрее. Исходя из формулы (4.5.) можно рассчитать фактор
деградации светового потока a (таблица 4.9.), и значение светового потока в любой
момент времени наработки tn относительно начального Ф(0ч) (4.6), или установившегося в
течение некоторого времени стабилизации параметров tстаб, (4.7.), о котором говорилось
ранее (1000 – 3000 часов), что может служить долгосрочным прогнозом поведения этой
важной характеристики.
Таблица 4.9.
Результаты расчётов прогнозирования изменения значений и факторов деградации a
светового потока установленных в настоящей работе групп светодиодов.
Группа
2
Подложка J,A/cm Подгруппа
1
CREE
синий
SiC
128
2
CREE
зелёный
SiC
128
3
EPISTAR
зелёный
Al2O3
90
4
EPISTAR
красный
Al2O3
100
5
EPISTAR
жёлтый
Si
100
6
LUMILEDS
жёлтый
GaP
120
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
a*10-7
0,336
0,124
0,120
0,002
0,029
0,425
0,172
0,176
3,490
2,769
2,285
4,147
2,722
1,019
1,275
0,432
2,872
1,846
1,754
0,130
0,361
0,680
0,901
0,078
Прогноз Ф на 50000h,Ф0/Ф Прогноз Ф на 100000h,Ф0/Ф
с0h
с учётом Tстаб.
с0h
с учётом Tстаб.
0,807
0,722
0,651
0,583
0,923
0,830
0,853
0,767
0,926
0,873
0,857
0,809
0,999
0,947
0,997
0,946
0,982
0,766
0,964
0,752
0,762
0,632
0,581
0,482
0,896
0,761
0,803
0,682
0,893
0,672
0,798
0,601
0,208
0,134
0,043
0,028
0,288
0,197
0,083
0,057
0,358
0,249
0,128
0,089
0,155
0,094
0,024
0,015
0,256
0,252
0,066
0,065
0,601
0,532
0,361
0,320
0,529
0,529
0,279
0,279
0,806
0,785
0,649
0,632
0,238
0,218
0,057
0,052
0,397
0,321
0,158
0,128
0,416
0,366
0,173
0,152
0,937
0,503
0,878
0,472
0,805
0,667
0,649
0,537
0,665
0,551
0,442
0,367
0,583
0,507
0,339
0,295
0,954
0,767
0,911
0,732
a = - ln[Ф(t2)/ Ф(t1)]/ J*(t2- t1)
(4.5.)
где:
Ф(t1) – световой поток через время наработки t1
Ф(t2) – световой поток через время наработки t2
J-плотность тока, А/cм2;
Ф(t)= 1,0*exp((-J)* a *tn)
(4.6.)
247
Ф(t)= [Ф(tстаб)/ Ф(0ч)]*exp((-J)* a *tn)
(4.7.)
На рисунке 4.25. приведены ВАХ подгрупп 1, 3 и 4 группы 1, а также расчётная ВАХ
(красные точки), полученная моделированием соотношения прямых напряжений
площадей сегментов активного слоя с различным содержанием индия относительно х =
0,2 по указанному гауссовскому распределению с помощью программы «SimWindows».
Хорошо заметно, что расчётная кривая практически совпадает с усреднённой ВАХ для
образцов подгруппы 4, имеющих наибольшее начальное прямое напряжение, однако
также заметно, что ВАХ светодиодов подгруппы 1 с наименьшим Uf(0ч) отличается
крутизной характеристики как на самых малых токах, так и при самых больших
плотностях, в некоторой части, при средних значениях тока, пересекая расчётную кривую
(этот эффект также хорошо заметен на рисунке 4.30, и будет дополнительно обсуждаться
в параграфе 4.4). Такое поведение характеристики однозначно указывает на наличие
центров безизлучательной рекомбинации, в совокупности имеющих нелинейную ВАХ, и
при параллельном включении с участками без дефектов, существенно влияющих на
наклон (крутизну) общей ВАХ структуры в областях с экстремумами плотностей токов.
При
расчётах
смоделированной
характеристики,
безусловно,
наличие
центров
безизлучательной рекомбинации не учитывалось: чем и обусловлено такое отличие
модели ВАХ от характеристики приборов подгруппы 1, а также совпадение с кривой
приборов подгруппы 4, в излучающих структурах которых попросту, нет дефектов, или их
количество ничтожно мало. ВАХ светодиодов подгруппы 3 (среднее значение Uf(0h))
приведено для сравнения, из которого видно, что характеристика повторяет модель,
только при более низких напряжениях (вероятно, это обусловлено другой комбинацией
площадей с различными Uf и Eg), и также, не содержит дефектов, вызывающих изменение
крутизны. Однако именно средний участок ВАХ (15 – 30 мA) используется как при
измерениях на сортировочном участке производств, так и при эксплуатации приборов, как
рабочий режим. Поэтому, сходство Uf(0ч) всех подгрупп на этом участке не позволяет
достоверно определить истинную разницу в характеристиках светодиодов, что и
происходит на производстве при существующей методике сортировки (параграф 4.4.).
Предполагается, что в процессе деградации распределение общей площади фрагментов с
различным содержанием индия будет тяготеть к преобладанию сегментов с более
высоким его содержанием, что будет соответствовать увеличению суммарного прямого
напряжения при больших плотностях тока (это можно заметить на полученных графиках
4.1 – 4.3) и увеличению максимальной длины волны излучения (рисунки 4.28. – 4.29.). В
то время как при малых плотностях тока, прямое напряжение наоборот уменьшается.
248
100
If,mA
90
80
Образец с большим U(0h)
Модель
Образец со средним Uf(0h)
Образец с малым Uf(0h)
70
60
50
40
30
20
10
Uf,V
0
2,4
2,6
2,8
3
3,2
3,4
3,6
3,8
4
4,2
4,4
4,6
4,8
5
5,2
5,4
5,6
5,8
6
а)
100
If,mA
10
Образец с большим Uf(0h)
Модель
Образец со средним Uf(0h)
Образец с малым Uf(0h)
1
Uf,V
0,1
2,5
2,75
3
3,25
3,5
3,75
4
4,25
4,5
4,75
5
5,25
б)
Рисунок 4.25. а - ВАХ светодиодов группы 1 с разными прямыми напряжениями в
начальный момент и модель ВАХ, рассчитанная по гауссовскому распределению
площадей микро – p-n переходов с различным содержанием индия. б - те же ВАХ в
полулогарифмическом масштабе. Видно отличие крутизны характеристик на самых
малых и самых больших токах, свидетельствующее о большом содержании дефектов,
которые отсутствуют как в образцах с большим Uf, так и в расчётной ВАХ.
5,5
249
Хорошо иллюстрируют это предположение приведённые ВАХ на рисунке 4.26, на
которых видно, что при малых токах (до 10 мА, где последовательное сопротивление
оказывает минимальное влияние на ход ВАХ) в начальный момент, имеются
существенные расхождения в крутизне характеристик с кривыми, снятыми на
последующих стадиях наработки. Это происходит из – за наличия шунтирующих центров
безизлучательной рекомбинации, самое большое содержание которых заметно при самых
низких прямых напряжениях в начале наработки (изменение наклона кривой ВАХ
происходит при меньших напряжениях смещения, она становится линейной гораздо
раньше других подгрупп, стремясь к характеристике линейного сопротивления). Это
также подтверждают диаграммы на рисунке 4.27, на которых представлены семейства
обратных ВАХ группы 1, где можно заметить увеличение значения обратного тока со
временем наработки, который является причиной увеличения площади покрытия
центрами дефектов, области пространственно заряда, продолжая ход линейной ВАХ с
отрицательной стороны смещения. Подгруппам 1 и 2 (с минимальным Uf(0ч)) некоторых
групп будет всегда присущ наибольший обратный ток и градиент его увеличения со
временем. При больших плотностях тока доминирующее влияние на ход ВАХ будет
оказывать уже последовательное сопротивление светодиода и шунтирующее действие
дефектов будет не столь различимо на среднем участке этой характеристики, становясь
вновь заметным лишь на самых больших допустимых плотностях тока, где оно становится
причиной существенно большей крутизны характеристики (рисунки 4.25, 4.30). Именно
этот участок ВАХ и будет в дальнейшем выбран для применения при сортировке
светодиодов на производстве, о чём будет сказано в параграфе 4.4. Изменение
спектрального состава излучения со временем наработки (рисунок 4.28.) указывает на
тенденцию
увеличения
числа
длинноволновых
составляющих
спектра,
которые
соответствуют увеличению площади сегментов с более низким по сравнению с исходным,
Uf, что хорошо объясняет существенно меньший градиент увеличения напряжения при
наработке у светодиодов с небольшой степенью деградации светового потока. Динамика
изменения спектрального состава отражена также в рисунке 4.29., на котором хорошо
видно, что центральная длина волны не только всегда больше максимальной, но и ещё
больше увеличивается относительно неё в процессе наработки, что происходит, также на
фоне растущей ширины спектра. Подобные результаты были также получены в [32].
Однако увеличение значения интеграла спектра за счёт длинноволновой части, должно
привести к пропорциональному увеличению светового потока из – за большей световой
эффективности излучения на большей длине волны(формула 2.9., методика расчёта
2.3.1.3.). Этот подъём (рисунки 4.1. – 4.6., диаграммы слева) мы и наблюдаем практически
во всех подгруппах, особенно групп 1 и 2 при стабилизации параметров.
250
100
If,mA
0h
100h
300h
500h
1000h
5000h
10000h
10
Uf,V
1
2,6
2,7
2,8
2,9
3
3,1
3,2
3,3
3,4
3,5
3,6
Подгруппа 1
100
If,mA
0h
100h
300h
500h
1000h
2000h
5000h
10000h
10
Uf,V
1
2,6
2,7
Подгруппа 2.
2,8
2,9
3
3,1
3,2
3,3
3,4
3,5
3,6
251
100
If,mA
0h
100h
300h
500h
1000h
5000h
10000h
10
Uf,V
1
2,6
2,7
2,8
2,9
3
3,1
3,2
3,3
3,4
3,5
3,6
Подгруппа 3.
100
If,mA
0h
100h
300h
500h
1000h
5000h
10000h
10
Uf,V
1
2,6
2,8
3
3,2
3,4
3,6
3,8
Подгруппа 4.
Рисунок 4.26. ВАХ светодиодов группы 1 в полулогарифмическом масштабе
4
4,2
252
10
Ur,V
0
-10
-9
-8
-7
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
-10
0h
100h
-20
300h
500h
-30
1000h
5000h
10000h
-40
-50
Ir,mA
-60
а)
5
Ur,V
0
-10
-9
-8
-7
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
-5
0h
100h
-10
300h
500h
1000h
-15
5000h
10000h
-20
-25
Ir,mA
-30
б)
Рисунок 4.27. Обратные ВАХ светодиодов группы 1. а – подгруппа 1, б – подгруппа 4.
Остальные подгруппы занимают промежуточное значение.
253
1
463nm
I(hn)/I(hn)max
465nm
521nm
518nm
0,9
0h
0,8
3000h
10000h
0,7
Зелёные
Синие
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
Wavelength (nm)
0,1
0
420
440
460
480
500
520
540
560
580
600
Рисунок 4.28. Спектры излучения светодиодов на основе InGaN/AlGaN/GaN при
различном времени наработки.
27
471
Wavelength (nm)
SLHW (nm)
470
26
469
25
468
24
467
23
Lodm(T)
Lcen(T)
Lmax(T)
SLHW (T)
466
22
465
21
464
20
463
19
Time, h x 100
462
10
Рисунок
20
30
4.29.
40
Колориметрические
50
60
характеристики
70
80
светодиодов
InGaN/AlGaN/GaN синего цвета свечения при различном времени наработки.
18
100
90
на
основе
254
В работе [32] этот эффект связан с увеличением концентрации заряженных акцепторов в
области пространственного заряда из – за дополнительной активации Mg при распаде
остаточных комплексов Mg – H. Далее динамика изменения параметров значительно
уменьшается, что подтверждается высокой стабильностью суммарного светового потока
(изменение не более 3 – 5 %), сохраняя лишь его перераспределение (изменение
максимальной силы света – до 10 %), а рост прямого напряжения уже практически
полностью становится зависимым от факторов, описанных в п. 4.2. Последующее, очень
медленное
уменьшение
светового
потока
при
незначительном
росте
Uf
и
продолжающемся сдвиге спектрального распределения в область длинных волн, тем не
менее, может быть связано с перераспределением и миграцией дефектов структуры в виде
центров безизлучательной рекомбинации с малым сопротивлением (являющихся
каналами утечки), которые также оказываются параллельно включёнными во всю
структуру в виде элементарных площадок со своими Eg и Uf, шунтирующих соседние
сегменты, в которых происходит излучательная рекомбинация, и прямое смещение
которых существенно выше. Другими словами, растекание токов утечки вызывает
значительное падение напряжения на соседних участках, интенсивность излучения
которых
становится
менее
эффективной
вследствие
недостаточности
внешнего
приложенного к ним электрического поля для полноценной инжекции носителей заряда,
чем тех, что удалены от дефекта. При этом перераспределении суммарное прямое
напряжение структуры изменяется незначительно (общая площадь каналов утечки
остаётся постоянной: изменяется только их дислокация), что видно из полученных
характеристик, а шунтирующее действие этих площадок существенно увеличивается,
уменьшая суммарный световой поток что также заметно из графиков. Такое
предположение также хорошо объясняет и значительное перераспределение светового
потока по объёму излучающей структуры, увеличивающееся с деградацией и полученное
при исследовании. Вероятно, такое предположение объясняет и результаты, полученные в
работе [9] при качественном исследовании перераспределения излучения в области
омических контактов.
Однако в данном исследовании выявлено также, что при производстве пластин
кристаллов, всегда существует некоторая их часть, изначально содержащая в себе такое
распределение центров безизлучательной рекомбинации, и такую функцию распределения
площадок с различными характеристиками, которые будут существенно доминировать
при наработке и приводить к значительной деградации параметров относительно
остальной массы образцов. Причём, все характеристики, свойственные исправным
светодиодам на основе этих кристаллов будут присутствовать в начальный момент, и
такие светодиоды будут признаны годными на производстве. Расчёты, сделанные по
255
результатам эксперимента показали, что наиболее подвержены указанному эффекту
светодиоды групп 1 и 2. При рассмотрении деградационных характеристик можно
заметить, что световые потоки подгрупп 1 и 2 имеют наибольшую степень деградации.
4.4. Практическое применение результатов эксперимента на
производстве светодиодов
Результаты измерений указывают на небольшое относительное изменение прямого
напряжения в ходе деградации во всех подгруппах. Разница в начальном его значении, как
и отличие большинства характеристик, среди светодиодов, собранных на кристаллах с
одной пластины определяется равномерностью процессов эпитаксии, легирования и
нанесения контактов по площади этой пластины. Результаты эксперимента позволили
связать степень деградации параметров, в частности, светового потока и силы света, с
начальным значением прямого напряжения. Такая зависимость в той или иной степени
имеется у всех групп светодиодов, однако наиболее явно она проявилась у групп 1 и 2.
Этот факт лёг в основу проведения эксперимента по статистическому исследованию
описанной зависимости на производстве светодиодов с участием не менее 100000
образцов каждого типа, собранных на основе исследуемых в данной работе кристаллов
групп 1, 2 и 6.
Используемые на производствах сортировальные машины не имеют возможности
измерять значение светового потока, и сортировка на ранки происходит по значению
осевой силы света, прямого напряжения и доминирующей длины волны. Однако в схеме
измерения силы света применяется фотометр с большой площадью окна (S = 100 мм2) и
расстоянием фотометрирования «А» (10 см) [13], что существенно увеличивает угол, с
которого происходит энергетическая освещённость окна фотометра тестируемым
светодиодом и большая часть его светового потока интегрируется. При измерении
индикатрисы излучения это, безусловно, вызвало бы большую ошибку (параграф 3.3.1.4),
но при единичном измерении значения силы света с предварительным применением
специально откалиброванных в лаборатории образцов светодиодов, вполне возможно. А в
некоторой степени это является необходимостью – значительно снижаются требования к
точности позиционирования светодиода относительно оси фотометра автоматом
сортировки при измерении, которое должно длиться минимальное время. Это
обстоятельство позволяет с большой вероятностью делать вывод не только о силе света
светодиода, но и о его потоке. Для ещё большей достоверности измерений, для
исследования были взяты светодиоды с широкоградусной оптикой (2 W
0,5Iv
= 110
градусов) и значительной степенью диспергации материала линзы. Такая конструкция
светодиода сводит к минимуму внешние проявления эффекта перераспределения
светового потока по диаграмме излучения в процессе деградации из – за многократных
256
внутренних переотражений в диспергаторе, делая индикатрису равномерной, а измерения
сортировочной машиной наиболее достоверными и приближёнными к результатам
измерения светового потока. Описанные выше факты стали поводом для разработки
критериев отбора диодов непосредственно с помощью сортировочной машины с учётом
сделанных из исследования выводов:
-
отсортировать все образцы по начальному значению прямого напряжения (с
одновременным измерением силы света), после чего подвергнуть наработке и
вновь произвести сортировку и измерение силы света.
-
данные сравнить и получить зависимости деградации силы света и начального
напряжения, как это было сделано в описанном выше эксперименте по
исследованию механизмов деградации.
Исследования проводились в 2 этапа.
На основании лабораторного эксперимента по изучению деградации был рассчитан
примерный
прогноз
поведения
осевой
силы
света
отдельных
групп
диодов,
сформированных по признаку различия наклонов ВАХ (как функций прямого напряжения
от тока), и разработан план проведения первого этапа исследования по проверке
возможностей сортировочной машины дифференцировать описанные группы диодов, и
соответствию поведения светового потока во времени отсортированных образцов по
рассчитанным в лаборатории зависимостям.
В качестве образцов были выбраны для производства светодиоды описанной выше
конструкции (рисунок 1.5.-а) на основе кристаллов, применённых в группе 1, 2 и 6.
Производство светодиодов и эксперимент по сортировке проводились на разных
предприятиях, расположенных в южной промышленной части Китая. В качестве примера
будет описан результат исследования по светодиодам синего цвета, как наиболее
показательного, однако все типы указанных светодиодов были изучены по точно такой же
методике с получением идентичных результатов, хорошо сочетающихся с итогами
эксперимента. Стоит упомянуть, что для данного исследования были отобраны
светодиоды, предварительно уже отсортированные на выходе из производства, и
имеющие по показаниям начальной (0h наработки) сортировки, одинаковые параметры Iv,
Uf, Ldom, не имеющие обратного тока, и признанные годными. Также, всё количество
(более 100000 образцов каждого типа) было произведено одной сменой персонала, из
комплектующих одной партии и в одно время. Эта сортировка проводилась по
стандартной методике на одном значении тока – 20 мA. Однако значения прямого
напряжения на этом токе не имеют достаточного разброса для разделения светодиодов на
группы из –за специфического хода ВАХ (рисунки 4.30, 4.31), и как говорилось в п. 4.3,
существенное отличие может быть замечено лишь при больших плотностях тока.
257
Выявление этого факта стало возможным только при исследовании большого числа
светодиодов по предложенной методике, и позволило обнаружить очень важный
недостаток в принятой мировой практикой производства системе сортировки готовых
светодиодов, и тем самым объяснить причину появления потенциально дефектных
приборов в общей массе признанных годными. Поэтому, было принято решение об
измерении всех возможных параметров приборов всей партии на пяти точках значения
тока If = 10, 20, 40,
100
If,mA
90
80
Зона 1
Зона 3
Зона 2
70
60
50
40
30
20
Uf,V
10
3,0
3,2
3,4
3,6
3,8
4,0
4,2
4,4
4,6
4,8
5,0
5,2
5,4
Рисунок 4.30. Вольт – амперные характеристики светодиодов, исследовавшихся на
производстве при нуле часов наработки (результаты сортировки п. 1 методики).
Диаграмма включает не менее 100000 образцов.
80,
100
mA (что
возможно
реализовать в
подавляющем
большинстве
типов
сортировочных машин без увеличения затрат времени на измерение одного образца) в
импульсном режиме, с временными параметрами импульсов токов, рекомендованных
производителем светодиодов. А сортировку по прямому напряжению после расчёта
критерия, произвести на токах не менее 60 мA.
Первый этап состоял из следующих частей:
1. Сортировка светодиодов с целью измерения Iv, Uf, Ldom при нескольких значениях If –
10, 20, 40, 80, 100 мA для получения статистики и расчёта критерия сортировки по
признаку наклонов ВАХ. Результаты этой сортировки выглядят так, как показано на
5,6
258
рисунке 4.30. Диаграмма рисунка содержит не менее 100000 ВАХ светодиодов.
Распределение количества образцов получилось в следующей пропорции:
- с большой крутизной (зона 1 рисунка 4.30) ВАХ – 18 %
- со средней крутизной (зона 2 рисунка 4.30) ВАХ - 75 %
-с меньшей крутизной (зона 3 рисунка 4. 4.30) ВАХ – 7 %
2.
Сортировка
по
рассчитанному
критерию
с
предварительной
калибровкой
сортировочной установки по калиброванным в лаборатории образцам светодиодов.
3.
Испытание
термотоковой
тренировкой*
светодиодов,
отсортированных
по
рассчитанному критерию: предположительно надлежащего качества (зона 2 на рисунке
4.30) и с повышенной деградацией (зоны 1, 3 на рисунке 4.30).
* Термотоковая тренировка светодиодов применяется на производстве для создания
искусственных условий старения (деградации), как наиболее эффективный способ.
Применяется высокая (часто предельно возможная) температура работы прибора при
определённом прямом токе. Как вариант, может использоваться просто хранение
светодиодов при высоких температурах. Независимо от способа, условия его реализации
рассчитываются исходя их такой степени воздействия на светодиод, которая идентична
1000 часам наработки (что в наилучшем виде подтвердилось экспериментом по
исследованию деградации). Принудительное ускоренное старение выводит потенциально
качественный светодиод на участок работы со стабильными характеристиками, и в то же
время катализирует деградационные процессы в тех светодиодах, чьи неисправности
могли бы при штатном использовании выявиться только через некоторое время [6].
4. Сортировка светодиодов с целью измерения Iv, Uf, Ldom при нескольких значениях If –
10, 20, 40, 80, 100 мA после термотоковой тренировки и сравнение результатов с п. 1.
Предварительные результаты, полученные из исследований 1 – 4 первого этапа.
Отсортированные по рассчитанному признаку диоды (3 группы по наклону ВАХ) при
нулевой наработке имели следующий разброс по силе света от максимального значения
всей партии:
- с большой крутизной (зона 1 рисунка 4.30) ВАХ - 94-95 %
- со средней крутизной (зона 2 рисунка 4.30) ВАХ – 100 %
-с меньшей крутизной (зона 3 рисунка 4.30) ВАХ - 95-96 %
После проведения п. 3 и 4, были получены следующие результаты по силе света от
максимального значения всей партии:
- с большой крутизной (зона 1 рисунка 4.30) ВАХ - 84-86 %
- со средней крутизной (зона 2 рисунка 4.30) ВАХ – 100 %
- с меньшей крутизной (зона 3 рисунка 4.30) ВАХ - 94-95 %.
259
Как видно из представленных результатов, предположение об увеличенной деградации
силы света светодиодов группы с большой крутизной ВАХ оправдалось.
Второй этап проводился в лабораторных условиях на двухстах образцах каждого типа
приборов, взятых из числа не отсортированных, с применением обычного метода
наработки – в штатном режиме, при прямом токе 20 мA, нормированном для этого типа
светодиодов (здесь также, как и в описанной в главе 3 (пункт 3.2.2.), была применена
методика наработки с применением особой, раздельной системы стабилизации тока
каждого образца). В ходе исследования выявлено хорошее совпадение с результатами
эксперимента на производстве и замечено также различие в скорости деградации осевой
силы света светодиодов с различными наклонами ВАХ.
110
If,mA
100
90
80
Зона 2
Зона 1
Зона 3
70
60
50
40
30
20
10
Uf,V
0
3,2
3,4
3,6
3,8
4
4,2
4,4
4,6
4,8
5
5,2
5,4
5,6
5,8
6
6,2
Рисунок 4.31. Вольт – амперные характеристики светодиодов, исследовавшихся в
лаборатории. Диаграмма включает 200 образцов. Верхние части двухцветных линий при
каждом значении тока – прямое напряжение в начальный момент, нижние при 1000 часов
наработки.
На приведённой в рисунке 4.31. характеристике показано отличие в наклонах вольт амперных характеристик светодиодов, которые разделились на группы по указанному
признаку. Далее был проведён анализ этих групп на предмет различия по степени
деградации по методике, реализованной в главе 2. Этот анализ показал, что наиболее
подвержены деградации также светодиоды группы ВАХ с наибольшим наклоном (зона 1
6,4
260
на графике рисунка 4.31), который имеют 20 % исследуемых образцов данного
множества.
0,57
0,56
Iv,cd
0,55
0,54
0,53
0,52
0,51
0,5
0,49
0,48
0,47
0,46
0,45
0,44
0,43
0,42
0,41
0,4
0,39
0,38
0,37
0,36
0,35
0,34
Uf,V
0,33
0,32
3,35
3,4
3,45
3,5
3,55
3,6
3,65
3,7
3,75
3,8
3,85
3,9
а)
1,01
Iv/Iv(0h)
0h
100 h
0,99
1000 h
0,97
0,95
0,93
0,91
0,89
0,87
до 3,5
3,5 - 3,7
более 3,7
Uf(0h),V
б)
Рисунок 4.32. а) - распределение значений силы света исследуемых образцов. Зелёным –
0ч, синим – после наработки 100 ч, красным – после наработки 1000 ч. б) – гистограмма,
составленная по усреднённым значениям силы света различных групп Uf(0ч), цвета
столбцов соответствуют времени на рисунке а).
3,95
261
Уменьшение их светового потока составило за 1000 часов работы 7-13% (среднее
значение – 10%), один прибор из этой группы вышел из строя (рисунок 4.32 а). Значение
деградации светового потока в период до 1000 час. наработки при исследовании группы
светодиодов со средним (на графике рисунка 4. 31 – зона 2.) наклоном ВАХ составило не
более 2%, с наибольшим наклоном - не более 1,5%,. Общее число светодиодов с такими
наклоном ВАХ составляет примерно 73-75 %, и около 5 %, соответственно. Рисунок 4.32 а
показывает динамику изменения осевой силы света во времени, которая приведена в связи
с прямым напряжением. Можно заметить, что наибольшее количество деградировавших
светодиодов расположено в зоне малых прямых напряжений, о чём говорит так же,
гистограмма на этом же рисунке, рассчитанная при разбиении ВАХ светодиодов,
показанных на рисунке 4.31. на 3 группы по Uf(0ч) при рабочем токе 20мA. В дополнение,
необходимо добавить, что данный эксперимент по сортировке проводился дважды.
Второй раз были также исследованы светодиоды трёх цветов свечения такой же
конструкции, только на основе кристаллов на подложке Al2O3 (подобных группам 3, 5,
производства UEC, пример на рисунке 4.33.), и с меньшим количеством образцов
(приблизительно 35000 – 40000 каждого типа). Результаты сортировки по разработанной
методике и соответствующие показатели деградации в различных группах практически
повторили предыдущий результат. Это позволило сделать вывод о том, что различные
конструкции кристаллов имеют общие зависимости, определяющиеся в гораздо большей
степени материалом гетероструктуры, чем материалом подложки.
Рисунок 4.33. Кристаллы производства фирмы UEC типа 4713DC – EPX8.
Однако представленный в этом параграфе эксперимент по исследованию промышленных
образцов проводился, как говорилось выше, при наработке светодиодов в штатном
режиме, на токе 20 мA. Исследования же основного эксперимента по изучению
деградации, были сделаны при гораздо большей плотности тока при использовании тех же
кристаллов, хотя и в другой конструкции светодиодов.
262
Для связи этих двух экспериментов параллельно им, вёлся ещё один, в котором
исследовалась зависимость скорости деградации светового потока при различных
плотностях тока (рисунок 4.34.). Использовалась стандартная конструкция светодиодов на
основе кристаллов различных конструкций, как при экспериментах на производстве.
Сравнивая ход деградационных характеристик светового потока рисунка 4.34. и рисунков
4.1. – 4.6., можно заметить, что в основном эксперименте, несмотря на значительно
большую плотность тока через кристалл, ни в одной из групп не наблюдается таких
высоких показателей деградации за приведённое на графике время (кривые для 40 мA на
рисунке 4.34), свидетельствующих о превышении эффективности теплоотводящей
функции кристаллодержателя [1] и преобладании механизмов деградации, связанных с
температурой. Этот факт подтверждает корректность выбора режима работы исследуемых
в эксперименте образцов в процессе наработки, и правильность расчётов конструкции
светодиода [21]. Следовательно, можно считать применение полученных результатов на
практике полностью оправданным.
25
If,mA
r,A/cm2
15
16,7
Al2O3
25
27,8
15mA, SiC
If,mA
15
SiC
25
40
80
25mA, SiC
r,A/cm2
24,0
40,0
64,0
128,0
Ф/Ф(0h),%
15mA, Al2O3
20
25mA, Al2O3
40mA, Al2O3
15
40
44,4
80
88,9
40mA, SiC
10
5
Time,h
0
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
5500
-5
-10
-15
-20
-25
-30
Рисунок 4.34. Зависимость показателей деградации светового потока светодиодов синего
цвета свечения на основе кристаллов различных конструкций от различной плотности
тока. Переход к плотности тока приведён на сноске, сверху.
6000
263
4.5. Анализ результатов прогнозирования деградации параметров светодиодов и
сравнение результатов исследований по фактической наработке образцов в течение
50000 ч
В приведённом анализе показаны результаты исследования излучающих кристаллов на
основе InGaN с плотностями тока до 130 А/см2, для чего применялся кристаллодержатель,
описанный в п. 3.3. с дополнительным теплоотводом (рисунок 4.35.а-в), однако для
удобства измерений фотометрических характеристик, такие образцы были оформлены в
светодиоды с оптической системой. При изготовлении образцов использовался опыт
выявления и классификации дефектов, описанных в [25]. Процесс наработки и внешний
вид исследуемых образцов показан на рисунке 4.35. г,д.
Полученные параметры представлены в таблице 4.10. В ней содержатся 2 типа синих
кристаллов
CREE
и
сине-зелёный
Epistar
ES-CEBHV13.
Все
группы
имеют
приблизительно равное количество часов непрерывной наработки, которое насчитывает 45 лет. Можно заметить, что все образцы имеют различное значение результирующего
изменения светового потока и максимальной силы света. Это является показателем не
только самого деградационного процесса светового потока, но и значительного его
перераспределения по пространственной диаграмме излучения в процессе наработки.
а)
г)
б)
в)
264
д)
Рисунок 4.35. а,б,в)-различные конструкции кристаллов: а) – кристалл CREE EZRTM , б) –
кристалл CREE MBrightTM, в) – кристалл Epistar ES-CEBHV13, г,д) –образцы в процессе
наработки.
Причём не имеет значения, каков градиент взаимного изменения (у кристалла Epistar он
имеет противоположный знак: сила света изменилась больше, чем поток). Показатели
деградации энергетических характеристик излучения у всех образцов находятся в
зависимости от плотности тока, а их значения свидетельствуют о высоком качестве
выращенных гетероструктур. Можно сделать вывод о том, что несмотря на увеличенную
плотность тока (рекомендация производителя – вдвое меньше), излучающие кристаллы
потеряли около четверти светового потока почти за 5 лет непрерывной работы, что по
мнению производителей, и по теоретическим прогнозам является нормальной величиной.
В то время как если бы плотность тока была штатной при таком же теплоотводе,
показатели деградации были бы существенно ниже.
Таблица 4.10.
Результаты исследований параметров излучающих кристаллов на основе InGaN при
непрерывной наработке в течение 4-5 лет.
Тип кристалла
Параметр
Длина волны доминирующая, nm
Полуширина спектра,nm
Мощность излучения, W
Световой поток, lm
Сила света максимальная, cd
Плотность тока, А/cm^2
Потребляемый ток, A
Прямое напряжение, V
Потребляемвя мощность, W
Световая эффективность, lm/W
CREE EZR-27 C460EZR260-0127
до наработки
35 000ч.
CREE MB-10 C470MB290-0209
изменение единица до наработки
461,4
19,5
0,031
1,51
0,47
39,14
0,04
3,229
0,129
11,66
Epistar ES-CEBHV13
40 000ч. изменение единица до наработки
466,94
24,5
1,39
0,46
-7,46
-3,95
%
%
0,04
3,201
0,128
10,88
-0,028
-0,001
-6,65
V
W
%
0,01
0,63
0,11
64,00
0,04
3,613
0,145
4,36
41 000ч. изменение единица
503,6
27
0,48
0,10
-23,81
-8,39
%
%
0,04
3,672
0,147
3,27
0,059
0,002
-25,03
V
W
%
0,009
2,59
5,18
44,44
0,04
3,521
0,141
18,42
1,97
3,51
-24,13
-32,20
%
%
0,04
3,572
0,143
13,77
0,051
0,002
-25,21
V
W
%
265
Несмотря на самую высокую плотность тока, кристаллы CREE – MВ имеют одинаковые
характеристики изменения светового потока с кристаллами Epistar. Это объясняется
большей подверженности такому изменению материалов с большим содержанием индия в
активной области. Также наглядно проявили себя и кристаллы CREE EZR. Имея меньшее
напряжение смещения при одинаковом прямом токе (что является одним из основных
преимуществ малой толщины применённой подложки SiC) и обладая гораздо большей
световой эффективностью, образцы работают в существенно лучших температурных
условиях при равнозначном теплоотводе. Также можно сказать и о конструктивных
особенностях кристалла (в виде прямоугольника) – его площадь больше, соответственно
плотность тока меньше. Все эти факторы положительно сказываются на ходе
деградационных характеристик, и можно заметить, что световой поток у этих кристаллов
изменился втрое меньше, чем у остальных при прочих равных условиях. И это, прежде
всего, подтверждение эффективности применения усовершенствованной технологии
производства кристаллов, начатой в предыдущей серии CREE XThin.
Общим итогом полученных результатов в этой части эксперимента может стать вывод о
подтверждении предположения независимости хода деградационных характеристик
излучающих структур от материала подложки, на которой они выращены при
преобладающем влиянии состава материала самой гетероструктуры. Также стоит
отметить
высокую
степень
соответствия
полученных
результатов
результатам
моделирования поведения таких характеристик на основе данных по первым 1000 – 3000
часов наработки, описанных в [38]. Некоторые примеры применения методов
прогнозирования изменения светового потока во времени на срок до 100 000 ч.
представлены на примере результатов исследования аналогичных кристаллов с ещё
большей плотностью тока в течение не менее 50 000 ч. Для этого следует перейти к
таблице 4.11.
Таблица 4.11.
Результаты исследований параметров излучающих кристаллов на основе InGaN при
непрерывной наработке в течение не менее 6 лет (50 000 ч.) с повышенной плотностью
тока.
Тип кристалла
Параметр
CREE MB-8 C460MB290-0207
CREE MB-10 C470MB290-0206
до наработки
50 000ч.
изменение единица до наработки
Длина волны доминирующая, nm
460,37
461,68
1,31
nm
468,88
469,59
0,70
nm
Полуширина спектра,nm
Мощность излучения, W
Световой поток, lm
Сила света максимальная, cd
Плотность тока, А/cm^2
Потребляемый ток, A
Прямое напряжение, V
Потребляемвя мощность, W
Световая эффективность, lm/W
26,50
0,012
0,61
3,73
128
0,08
4,311
0,345
1,76
29,00
2,50
nm
27,00
1,00
nm
0,45
1,61
-25,30
-56,97
%
%
0,90
3,30
-20,72
-58,13
%
%
0,08
4,864
0,389
1,16
0,553
0,044
-33,79
V
W
%
26,00
0,015
1,14
7,88
128
0,08
5,455
0,436
2,60
0,08
5,970
0,478
1,88
0,515
0,041
-27,56
V
W
%
50 000ч.
изменение единица
266
В этой части исследования изучалось поведение характеристик кристаллов CREE – MВ
различных ранков по мощности излучения и по длине волны. Ввиду большой плотности
тока (128 А/см2 ) был применён кристаллодержатель, показанный на рисунке 4.35.б. Такие
условия в ещё большей степени смогли катализировать процессы деградации, если
расположенность образцов к ним имелась, даже в небольшой степени.
По представленным результатам в таблице 4.11. можно заметить, что изменение светового
потока оказалось таким же, как и у предыдущих образцов с вдвое меньшей плотностью
тока. Лишь существенно увеличилось его перераспределение по диаграмме излучения, о
чём свидетельствует значительно большее уменьшение максимальной силы света. Для
наглядности представления сказанного приведём пример из расчётов параметров на
отдельных этапах эксперимента. На рисунке 4.36. показаны семейства диаграмм углового
распределения силы света, измеренные в различные моменты в течение срока наработки.
По ним можно заметить, что у данного образца уменьшение светового потока
наблюдалось преимущественно в средней части кристалла, где находится омический
контакт. Это обусловлено неравномерным распределением тока по объёму кристалла, и,
соответственно самому высокому его значению в непосредственной близости от контакта.
Отсюда и наибольшая деградация излучательных свойств структуры. Данный эффект был
усилен оптической системой образца, сформировавшей представленную диаграмму. На
рисунке 4.36.б. показаны относительные диаграммы углового распределения силы света,
на которых хорошо видно как меняется форма диаграммы в зависимости от времени
наработки, что и определяет не только изменение интегрального светового потока, но и
его перераспределение. Стоит добавить, что на рисунке показана только одна плоскость
излучения, другие могут иметь совершенно отличающиеся зависимости изменения,
поэтому в таблице приведены интегральные значения не только по разным плоскостям
излучения образца, но и по всем образцам в этой группе. Такой подход к анализу
результатов позволяет достоверно выявить причины появления изменения указанного
параметра, которые оказываются привязанными к геометрии светодиода или отдельного
кристалла [114].
Возможность проверить достоверность выбранного пути для работы над методиками по
определению потенциальной степени деградации параметров представилась по мере
появления результатов эксперимента. По истечении определённого времени наработки
образцов, составлялся прогноз дальнейшего хода изменения их светового потока на
основе данных, получаемых к тому моменту времени. Как только время наработки
достигало прогнозируемой точки, появлялась возможность реально проверить расчёты, и,
соответственно, достоверность метода.
267
2,5
Iv,cd
2,25
2
0h
100h
300h
1,75
500h
1000h
2000h
5000h
1,5
10000h
50000h
1,25
1
0,75
0,5
0,25
W,deg
0
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
25
30
а)
1,1
Iv/Ivmax
1
0,9
0h
100h
300h
500h
1000h
2000h
5000h
10000h
50000h
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
Q,deg.
0
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
25
б)
Рисунок 4.36. Диаграммы углового распределения силы света образца, измеренные через
различные промежутки времени наработки а) – абсолютные, б)-относительные.
268
1,05
Ф/Ф(0h),Iv/Iv(0h)
1
F(T)
Iv(T)
0,95
0,9
0,85
0,8
0,75
0,7
0,65
0,6
0,55
0,5
0,45
Time,h
0,4
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
35000
40000
45000
50000
а)
1,05
Ф/Ф(0h),Iv/Iv(0h)
1
Ф(T)
Iv(T)
Прогноз Ф по 10000ч
0,95
Прогноз Ф по 50000ч.
Прогноз Ф по 1000ч.
0,9
0,85
0,8
0,75
0,7
0,65
Time,h
0,6
0
б)
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
80000
269
Рисунок 4.37. а) - Деградационная характеристика светового потока группы кристаллов
CREE MB-8 C460MB290-0207, приведённых в таблице 4.11. б) - наложенные на неё
теоретические расчётные кривые по результатам измерений светового потока за
различный период наработки.
Далее приведён пример такого сравнения, показанный на рисунке 4.37 и выполненный на
основе методов, описанных в [114,117]. На графике рисунка 4.37.а можно заметить уде
обсуждавшееся различие в градиентах изменения светового потока и силы света. Видно,
что период стабилизации параметров длится около 2000 ч, что, несмотря на высокую
плотность тока, является обычным явлением. На рисунке 4.37 б на кривую изменения
светового потока наложены расчётные зависимости, в получении которых были
использованы данные об изменении светового потока за разное время наработки. Можно
заметить, что наибольшая точность, как и предполагалось, соответствует кривой с самым
большим сроком использованных данных, что, однако не снижает эффективности других
расчётных зависимостей, достоверность которых незначительно меньше, зато у них есть
самое важное достоинство – ранний срок определения прогноза [136,137].
270
Глава 5.
Разработка и внедрение полупроводниковых излучающих устройств высокой
степени надёжности для нужд РЖД
5.1. Оценка используемых приборов световой сигнализации на РЖД и новых
разработок, претендующих на внедрение
Значительный прогресс в подвижной части ЖД техники определяет существенный
рост скоростей движения составов и соответственно, транспортных потоков по ЖД
магистралям. Увеличение скорости движения повышает требования к средствам световой
сигнализации, светофорам, где верность и скорость распознавания цвета сигнала играет
определяющую роль в принятии решения о характере движения. Детальное исследование
фотометрических и колориметрических характеристик существующих светофоров на
лампах накаливания, спроектированных с учётом прежних стандартов и светодиодных,
показало существенную разницу в восприятии данных сигналов глазом человека.
Некоторые физические аспекты зрительного процесса нельзя игнорировать при
формировании технических требований на светосигнальные светодиодные устройства,
такого уровня как ЖД светофоры потому как, их учёт при проектировании существующих
в настоящее время линзовых комплектов (ЛК) ограничивался в основном возможностью
ламп. В этом также и причина начавшегося с появлением светодиодов пересмотра
фотометрических норм и колориметрических границ ЖД светофоров, обозначенных в
[18]. Предупреждение ошибок в нормативных документах и технических требованиях,
можно избежать, лишь детально сопоставив механизмы восприятия и параметры
излучения полупроводниковых источников света.
Комплекс
измерений
фотометрических
и
колориметрических
параметров,
проведённых на самом современном оборудовании, позволил спрогнозировать пути
возможной замены ламповых источников света на светодиодные, обозначил важные
факторы,
как
тормозящие,
так
и
оправдывающие
применение
светодиодов
в
светосигнальных устройствах. Определено, что квазимонохроматическое излучение
светодиодов не может рассматриваться как эквивалент ламповому со светофильтромлинзой (в ЖД светофоре) с точки зрения сравнения восприятия глазом, соответственно,
пороговые освещённости (минимальная чувствительность глаза), являющиеся исходными
цифрами для формирования ГОСТ, для светодиодных светофоров не являются
однозначными. Общая тенденция применения светодиодов – это увеличение дальности и
уменьшение времени обнаружения сигнала наблюдателем. Стоит отметить также
существенную (в разы) экономию электроэнергии и затрат на обслуживание. Однако ряд
271
проблем, вызванных особенностями работы полупроводниковых излучающих структур,
не позволяет применять их «в лоб».
Энергетические характеристики излучения источников
Поскольку
самым
распространённым
и
наиболее
изученным
является
квазимонохроматический полупроводниковый свет, в отличие от белых светодиодов с
применением люминофора, сравнение его восприятия с классическими источниками –
лампами накаливания и люминесцентными, будет максимально показательным и
объясняющим различия в этом восприятии. Однако для такого сравнения необходимо
взять узкополосный источник, сформированный на основе ламп, но с близкими
характеристиками по признаку монохромности. Как никуда лучше, для таких целей
подойдут ЖД светофоры, замена ламп на светодиоды в которых стоит на грани массового
применения. Также, данные светофоры работают во всём приемлемом температурном
диапазоне и существующем промежутке соотношений контрастностей и яркостей,
наиболее полно используя как динамические возможности глазного аппарата, так и его
способность воспринимать цвета в различных фотометрических условиях наблюдения.
Большинство фотометрических характеристик ЖД светофоров на основе ламп и
линзовых комплектов (ЛК) зависят и определяются только параметрами исходных
источников - ламп накаливания. В самых общих случаях применения наиболее
распространены лампы мощностью 15 Вт, которые при штатном напряжении питания (12
В), обладая известной эффективностью преобразования – 9 – 11 лм/Вт, излучают порядка
150 лм светового потока с цветовой температурой около 2400 К. Все цвета сигналов
светофоров
формируются
оптической
системой
–
линзовым
комплектом
(ЛК):
светофильтром – линзой, «вырезающей» нужный участок спектра излучения лампы и
определяющей цвет (об этом будет подробно сказано ниже) и второй линзой Френеля,
имеющей большую оптическую силу (рисунок 5.1) [8, 9]. Лампа, а точнее - её тело накала,
расположено в фокусе обеих линз ЛК. Оптическая система светодиода, как известно,
представлена излучающим кристаллом и линзой. Преобразование электрической энергии
в световую (излучательная рекомбинация) происходит в полупроводниковом кристалле и
изначально имеет необходимые цветовые характеристики, определяющиеся материалом
гетероструктуры, на которой построена активная область p-n перехода, поэтому в
светодиоде нет нужды в светофильтрах.
В таблице 5.1. приведены энергетические характеристики светофоров на ЛК и на
основе светодиодов.
272
Линза Френеля
Светофильтр-линза
Рисунок 5.1. К пояснению работы оптических систем ЛК и светодиодов.
Таблица 5.1.
Световой поток
Энергопотребление,Вт
Доля
1
Доля
излучения
излучения Светодиод, ЛК Светодиод Отношение
ЛК,лм
относительно
лм
от
лампы без
лампы,%
фильтра,%
Цвет
К
расный
Жёлтый
Зелёный
Синий
Л-б
2,7
9,85
4,8
0,58
10,4
22,9
83,5
40,7
4,9
88,1
1,9
6,8
3,3
0,4
7,2
3
3,5
4,5
0,6
4
15
15
15
15
15
0,08
0,24
0,15
0,15
0,45
187,5
62,5
100,0
100,0
33,3
В первых трёх колонках таблицы приведены характеристики светового потока
различных цветов светоблоков на лампах. Параметры работы светофильтров видны при
рассмотрении доли излучения, используемой для формирования необходимого спектра
соответствующего
цвета
относительно
светового
потока,
собранного
ЛК
без
светофильтра. Очевидно, что при использовании одинаковых ламп, эти цифры (от 5 до
88%) не могли и не могут быть другими: это всё, на что способна лампа в таком варианте
оптической схемы. Поэтому, если рассмотреть эти значения относительно всего светового
потока лампы, то можно заметить, что всего лишь единицы процентов исходного
излучения лампы используются для формирования полезного сигнала светофора. В то же
время, все 100% производимого светодиодом светового потока направляются на
наблюдателя. Поэтому, по своей эффективности в большинстве случаев один единственный светодиод на основе кристалла размером всего 0,25 х 0,25 мм может с
сохранением фотометрических параметров светофора, заменить целый линзовый
273
комплект с лампой в 15 Вт. При этом он будет потреблять в сотни раз меньше
электрической энергии, что также видно из таблицы 5.1. Однако совершенно понятно, что
никто не будет строить светофор на одном или нескольких таких светодиодах хотя бы из
конструктивных соображений (хотя предложения уже разработаны и имеются, и они
оправданы своими параметрами) – здесь обсуждалась лишь световая эффективность
полупроводниковых источников в сравнении с ламповыми.
Все указанные характеристики в части светового потока и формирования
необходимого значения осевой силы света и пространственного распределения светового
потока имеют лишь один смысл: создать нужную освещённость сетчатки глаза машиниста
с целью верного распознания цвета сигнала на максимально большом расстоянии. В
соответствии с существующим ГОСТ 25695–91 это расстояние составляет 1000м для
прямых перегонных участков магистрали.
Таблица 5.2
Цвет
Пороговая
освещённость лк*10-3
Iv по ГОСТ, кд
Iv реальная, кд
Iv на светодиодах, кд
1,20
2,49
1,49
0,09
1,43
2100
4350
2600
150
2500
1330
3890
2510
252
4100
6000
15000
12000
5000
10000
Кр
асный
Жёлтый
Зелёный
Синий
Л-б
В таблице 5.2 представлены данные о пороговой освещённости (минимальной
необходимой
энергии
света,
вызывающей
такую
фотохимическую
реакцию
чувствительного аппарата глаза, при которой цвет источника будет верно воспринят с
максимальной вероятностью) на разных цветах сигналов, нормируемые и полученные для
ЛК, а также значения осевой силы света светодиодных ЖД светофоров. Пороговые
освещённости были получены исходя из условий достоверного определения машинистами
цвета сигнала, сформированного светоблоком на основе ЛК светофора на расстоянии
1000м. Предписанные ГОСТ 25695–91 значения осевой силы света создают на таком
расстоянии освещённость, приблизительно в 1,5 – 2 раза большую, чем пороговая [111].
Однако самые современные исследования физики работы глаза [105-108] показали, что
для требуемой вероятности верного определения цвета сигнала с угловым размером,
соответствующим светофорному, требуется освещённость в 5-10 раз превосходящая
указанную пороговую, и одинаковая для всех цветов. Такой вывод обусловлен большим
разбросом параметров светочувствительных элементов глаз и существенной разницей в
объёме аккомодации глаза в зависимости от возраста машиниста (отличие в объёме
аккомодации составляет до 10 раз при возрасте 17 и 60 лет) [105]. Также принято во
274
внимание и время правильного опознания цвета, которое в нормальном режиме
составляет около 1с [3], а в условиях плохой видимости или ночного режима, а также при
возрастных изменениях, может составить до 3-4 с, что при скорости поезда около 200 км/ч
сократит дистанцию до светофора примерно на четверть и машинист просто не успеет
предпринять какие-либо действия, тем более, что последние решения, принятые на ЖД
говорят об увеличении скорости движения поездов до 250 км/ч. В работе [106]
указывается на независимость значения минимально обнаруживаемой яркости глазом от
размера источника при пороговых значениях освещённости, которые характерны для
достоверного выделения светящегося объекта без определения цвета на тёмном фоне. С
указанными в ГОСТ 25695–91 значениями пороговой освещённости и последними, не
может не иметься соответствующей пропорциональности. Принято считать, что при
яркости фона 10-6кд/м2 (практической темноте) пороговый блеск для центрального зрения
равен 2·10-8 лк, а для периферического -2·10-9 лк. Обратим внимание, что для наблюдения
очень слабых источников света необходимо, чтобы их изображение на сетчатке
получалось не в ее центре, а на периферии, где чувствительность выше. Специальное
исследование этого вопроса установило, что максимум световой чувствительности темно
адаптированного глаза приходится на десятый градус периферии. Эта зона сетчатки
соответствует максимальной чувствительности колбочек и плотности палочек.
Увеличение размера светового пятна вызывает неполное суммирование энергии. С
дальнейшим увеличением размера пятна суммирование может полностью отсутствовать.
Математически это может выглядеть как (5.1):
Lgn = const
(5.1)
где:
L-освещённость
g – размер объекта, при малом размере объекта (меньше 50’), g=2.
Показатель степени n выражает способность глаза суммировать по площади световое
воздействие внутри углового размера пятна γ. Несмотря на такую зависимость,
значительное расширение площади апертуры светящегося светоблока при условии
применения светодиодов относительно проекции нити накала (рисунок 5.2.), приводит к
существенному увеличению вероятности верного распознавания цвета сигнала при
прочих равных условиях [3,111]. Вероятно, здесь в сумме эффектов, может сказываться и
квазимонохроматическое свойство излучения светодиодов. Абсолютный световой порог
зависит также и от длительности предъявления объекта, то есть от времени экспозиции.
Все упомянутые характеристики восприятия являются параметрами адаптации
зрительного аппарата глаза. Глаз обладает чрезвычайно важной биологической
275
способностью приспосабливаться – адаптироваться к различным режимам работы.
Благодаря этому свойству зрительная система работает в широком диапазоне яркостей:
10-6 – 105 кд/м2. При изменении уровня яркости поля зрения автоматически включается
целый ряд механизмов, которые и обеспечивают перестройку зрения. Адаптацию следует
рассматривать как развитие во времени процесса перехода от одного уровня яркости к
другому.
Если уровень яркости длительное время не изменяется, то состояние адаптации
приходит в соответствие с этим уровнем. В таких случаях говорят уже не о процессе
адаптации, а о состоянии адаптации к данному уровню яркости. При резком изменении
яркости происходит разрыв между яркостью и состоянием зрительной системы. Он и
служит сигналом для включения адаптационных механизмов.
Перепад яркостей объектов, с которыми работает глаз, очень велик – 1011 раз.
Различают две разновидности адаптации:
1) темновую адаптацию, возникающую при уменьшении яркости фона от
некоторого значения Lпp, называемой яркостью предадаптации, до значительно более
низкого уровня яркости (в пределе до 10-6 кд/м2, т.е. практической темноты);
2) световую адаптацию, возникающую при увеличении яркости от малого ее
значения (10-6 кд/м2) до некоторого высокого уровня La.
Уменьшение пороговой яркости при темновой адаптации объясняется несколькими
причинами:
1) переходом от колбочкового зрения к палочковому;
2) расширением зрачка;
3) увеличением площадки, по которой происходит суммирование воздействия света
на сетчатку;
4) увеличением времени суммирования световых воздействий;
5) увеличением концентрации светочувствительных веществ в зрительных
рецепторах;
6) увеличением чувствительности мозговых центров зрения.
Однако при решении задач с помощью светофоров, или светотехнических устройств, где
основной функцией является цветовое различие (табло, экраны, подсветка), возникает
необходимость не только заметить источник света, но и правильно опознать его цвет [12,
14]. Это возможно лишь в том случае, если блеск источника выше порога
цветовосприятия, т.е. хроматического порогового блеска Ес. Зависимость Ес = f(λ) при
наблюдении на темном фоне приведена на рисунок 5.2. Из рисунка видно, что кривая
имеет два максимума в синей и желто-зеленой областях.
Хроматический порог, так же как и ахроматический, зависит от яркости фона.
Зависимость Ес = f(L) представлена на рисунке 5.3. При любых яркостях фона величина
хроматических порогов выше, чем ахроматических.
276
-5,5
400
lgE, lx
425
450
475
500
525
550
575
600
625
650
675
700
L,nm
-5,7
-5,9
-6,1
-6,3
-6,5
-6,7
-6,9
-7,1
-7,3
-7,5
Рисунок 5.2. Зависимость хроматического порога от длины волны при наблюдении на
темном фоне.
-4
lgEc, lx
-4,5
#6
#5
-5
#4
#1
#2,3
-5,5
-6
-6,5
-7
-7,5
lgL, lx
-8
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
Рисунок 5.3. Зависимость хроматических порогов от яркости фона: 1 – желтый №2 ( λ =
565 нм); 2 – зеленый (λ = 520 нм); 3 – желтый №1 (λ = 590 нм); 4 – синий (λ = 410 нм); 5 –
красный (λ = 610нм); 6 – ахроматический
277
Однако поскольку цвет – величина трехмерная, то и различия в цвете могут быть трех
родов: по яркости L, по цветовому тону λ и по чистоте (насыщенности) цвета Р. Различие
по яркости определяется контрастом К, а пороговое различие по яркости – пороговым
контрастом Кп. Пороговые различия по цветовому тону обозначаются как Δпλ, а по
чистоте – ΔпР.
Чувствительность глаза к различению цветового тона неодинакова в различных областях
спектра (табл. 5.3). В таблице указаны границы спектральных участков, интервал каждого
участка Δλ, значение порогов Δпλ в данном интервале, число порогов nΔ в каждом
интервале и число порогов n от крайней границы спектра до данного интервала. Значение
n, равное 129,6, показывает, что во всем интервале видимого спектра мы можем различать
около ста тридцати градаций цветового тона. Итак, можно принять n =130. На рисунке 5.4.
показана зависимость порогов цветоразличения Δпλ глаза от длины волны излучения.
Таблица 5.3.
Зависимость числа порогов цветоразличения от спектрального диапазона длин волн
Границы
спектральных
участков, нм
760 – 700
700 – 678
678 – 665
665 – 659
659,0 – 649,5
649,5 – 620,0
620,0 – 595,9
585,9 – 575,2
575,2 – 549,1
549,1 – 521,4
521,4 – 505,4
505,4 – 483,2
483,2 – 475,0
475,0 – 427,0
427,0 – 405,8
Δλ,нм
Δпλ,
nΔ
нм
n
–
22,0
13,0
6,0
9,0
29,5
24,1
20,7
26,1
27,7
16,0
22,2
8,2
48,0
21,2
–
22,0
13,0
6,0
5,17
3,09
2,08
1,23
2,04
3,04
2,0
1,25
1,6
2,07
3,05
1,0
2,0
3,0
4,0
5,8
15,4
17,0
44,0
56,8
65,8
73,8
91,6
96,7
119,9
129,6
1,0
1,0
1,0
1,0
1,8
9,6
11,6
17,0
12,8
9,0
8,0
17,8
5,1
23,2
7,0
Чувствительность глаза к изменению чистоты цвета обычно характеризуют не порогом
ΔР, а числом nр, показывающим: сколько цветов от чисто белого до спектрально чистого
способен глаз различать при данном цветовом тоне λ. График зависимости nр от λ
приведен на рисунке 5.5. Как видно из графика, для разных длин волн значение nр весьма
различно, однако для жёлтого, оно минимально, что подтверждает описанные ранее
выводы о наихудшем для восприятия условии. Среднее значение nр ≈ 15.
278
6
dпL, nm
5
4
3
2
1
L,nm
0
420
440
460
480
500
520
540
560
580
600
620
640
660
Рисунок 5.4. Зависимость порогов цветоразличения от длины волны излучения.
23
np
21
19
17
15
13
11
9
7
L, nm
5
425
450
475
500
525
550
575
600
Рис. 5.5. Зависимость числа ступеней чистоты nр от длины волны λ.
625
650
675
279
С пороговым контрастом Кп связано число градаций m, зависящее от от яркости L или
светлоты S.
Также значение Кп зависит от углового размера ω объекта и от яркости фона L. Общее
число различимых цветов М можно получить, перемножив n, nр и число градаций m: М ≈
200 000. Однако это значение явно преувеличено, так как пороги по λ, Р и L связаны друг
с другом. Так, чем меньше яркость (светлота), тем выше становится порог Δпλ, т.е. тем
меньше различий по цветовому тону способны мы уловить. По-видимому, реальное
значение М нужно сократить раз в 10 и истинное число различаемых цветов будет
примерно 20 000. В то же время, по мнению Д. Джадда [2], нормальный человеческий глаз
в оптимальных условиях наблюдения может различить более 10 млн. цветов, а с
коммерческой точки зрения различимыми можно считать примерно полмиллиона
цветов.Стоит напомнить также, что хорошо различаются цвета только частью сетчатки,
где преобладают колбочки. Для колбочкового зрения требуются и достаточные яркости:
20 кд/м2 и выше. Уменьшение углового размера тестового поля (светящегося объекта)
тоже приводит к повышению порогов, значительное уменьшение поля может приводить и
к искажению цветовых восприятий. В колориметрии принято проводить измерения на
поле менее 2°, что соответствует стандартному колориметрическому наблюдателю МКО31.
Исходя из описанных процессов, и было принято ранее упомянутое общее значение
пороговых освещённостей для уверенного цветоразличия. Данные значения могут быть
использованы при проектировании любых светотехнических устройств, но наиболее
актуальны при применении узкоспектрального излучения светодиодов. В этом случае,
эффект, ожидаемый от проектируемого устройства, будет достигнут.
Учитывая сказанное, из таблицы 5.2. также можно заметить, что светофоры на
основе светодиодов обладают значительным потенциалом для создания осевой силы света
светоблока, который может быть использован для формирования необходимой
освещённости и на большем, чем 1000м расстоянии, что, безусловно, скажется на
выигрыше времени для принятия решения, и, как следствие на повышении безопасности
движения транспортных средств в целом. В то время как, линзовые комплекты на лампах,
как мы выяснили ранее в таблице 5.1., работают на пределе возможности и не имеют
запаса по осевой силе света, тем более что световой поток ламп уже через 1000 часов
работы уменьшается примерно на треть. Светодиоды не имеют такого недостатка, и, как
хорошо известно, их продолжительность работы с сохранением 95 % светового потока
может продолжаться до 20000 - 25000 часов.
280
Height
H = 1000 m
а)
Height
б)
H = 1000m
Distance,
Lx D, m
D = 2.99
m
281
Height
H = 1000 m
Distance,
Lx D, m
D = 2.99
m
в)
Рисунок 5.6. Распределение освещённости красного – а, зелёного – б, светоблоков
на основе ЛК, в - красного на основе светодиодов на расстоянии 1000м от наблюдателя.
На рисунке 5.6. наглядно показано распределение освещённости от светофора на основе
ЛК и светодиодного в плоскости, отстоящей от него на 1000м.
Прецизионные измерения углового распределения силы света в большом количестве
плоскостей пространства, выполненные с помощью двухкоординатного гониофотометра с
угловым разрешением поворота в 0,02о, позволили с высокой точностью воссоздать
картину распределения освещённости в плоскости наблюдения машиниста и определить
фотометрические условия восприятия сигнала. Здесь стоит напомнить, что данный метод
высокоточного измерения пространственного распределения светового потока с успехом
используется
при
полупроводниковых
изучении
излучающих
деградационных
структур
характеристик
[24,114].
светодиодов
Исследование
изменений
и
в
диаграммах пространственного распределения плотности светового потока излучающих
кристаллов на основе гетероструктур или светодиодов, измеренных в различное время,
при различных условиях или режимах наработки, позволяет делать выводы об изменениях
в работе самой структуры, причины которых могут быть объяснены на уровне физики
работы кристалла. Суть метода состоит в измерении большого числа диаграмм
пространственного распределения силы света в различных плоскостях с последующим
расчётом интегрального светового потока и его плотности в различных точках диаграмм.
282
Сравнение полученных зависимостей, измеренных в различное время наработки, даёт
картину изменения светового потока в каждой точке диаграммы в процессе наработки.
Точность измерения диаграмм будет определять точность установления как самой
разницы в световом потоке, так и места в диаграмме, и, следовательно, соответствующего
сектора
излучающей
структуры,
нити
накала
лампы
или
сегмента
горелки
металлогалогенной лампы. Таким образом, предложенный метод может использоваться
для изучения характеристик распределения светового потока в пространстве любых
устройств светотехники, а также высокоточных расчётов освещённости от них (рисунок
5.6).
На рисунке 6 также можно заметить, что пятно засветки выглядит в виде явно
выделяющейся по значению большей освещённости линии шириной 5-7м и длиной 3035м. Это проекция нити накала лампы на расстоянии 1км. Следует добавить, что пятно
засветки от светодиодного светоблока всегда будет представлено распределением
освещённости в виде размытых концентрических колец диаметром до 40м (на расстоянии
1км) по уровню 0,5Еmax, как правило, с максимумом в центре. Это обстоятельство создаст
большую по сравнению с нитью накала лампы площадь с пороговой освещённостью, что
также хорошо заметно при сравнении графиков на рисунке 5.6., и что может существенно
облегчить настройку светофора на нужную точку восприятия.
Спектральные характеристики чувствительности глазного аппарата и источников
света.
Помимо энергетической характеристики (освещённости) излучения, необходимого
для восприятия глазом, крайне важны его спектральные параметры, определяющие
цветность сигнала. Свет, генерируемый светоблоком светофора должен иметь такое
спектральное распределение плотности энергетической яркости, которое обеспечивало бы
однозначное присвоение ему того или иного цвета [2]. В случае с другими
светотехническими устройствами – от осветительных приборов и светильников подсветки
до больших полноцветных экранов и световых устройств отображения информации,
восприятие цвета будет отражать цветопередачу и оттенки цветов увиденного.
Рассмотрим далее более подробно, как осуществляется восприятие цвета глазом человека.
Каждая палочка или колбочка сетчатки глаза содержит пигмент, поглощающий
излучение в каком-то участке спектра лучше, чем в других. Поэтому, если бы можно было
собрать достаточное количество такого пигмента и посмотреть на него, он выглядел бы
окрашенным. Согласно современным представлениям, зрительный пигмент обладает
особым свойством: при поглощении им светового фотона он изменяет свою
молекулярную форму и при этом высвобождает энергию, запуская таким образом цепь
283
химических реакций, которые в конце концов приводят к появлению электрического
сигнала. Пигментная молекула в своей новой форме, как правило, обладает совсем иными
светопоглощающими свойствами, и если, как это обычно бывает, она поглощает свет
хуже, чем в исходной форме, то говорят, что она «выцветает» под действием света. Затем
сложный химический механизм глаза восстанавливает первоначальную конфигурацию
пигмента.
Сетчатка содержит своего рода мозаику из рецепторов четырех типов: палочек и
трех типов колбочек. Каждый тип рецепторов содержит свой особый пигмент. Разные
пигменты отличаются друг от друга в химическом отношении, а в связи с этим и
способностью поглощать свет с различной длиной волны. Палочки ответственны за
способность человека видеть при слабых освещенностях без восприятия цвета объектов.
Палочковый пигмент родопсин обладает наибольшей чувствительностью в области –
около 510 нм, в зеленой части спектра. Кстати, палочковый пигмент родопсин, имея
максимум поглощения в зеленой области, отражает синие и красные лучи и поэтому сам
выглядит пурпурным.
Восприятие цвета осуществляется колбочковым аппаратом сетчатки, тремя типами
колбочек, со времён Гельмгольца, определённых как воспринимающие синий, зелёный и
красный цвета. Пигменты колбочек трех типов имеют максимумы поглощения в области
560, 530 и 430 нм. Каждый тип колбочек имеет широкие зоны чувствительности со
значительным перекрытием, особенно для красных и зеленых колбочек. Относительные
спектральные чувствительности колбочек разных типов приведены на рисунке 5.7.
Отметим, что свет с длиной волны, например, 600 нм вызывает наибольшую реакцию
красных колбочек, пик чувствительности которых расположен при 560 нм, он же
вызывает также некоторую, хотя и более слабую, реакцию колбочек двух других типов.
Таким образом, «красная» колбочка, реагирует не только на длинноволновый свет, она
лишь реагирует на него лучше других колбочек. Сказанное относится и к колбочкам
других типов. Совершенно очевидно, что наибольшая вероятность верного восприятия
цветового стимула возможна лишь тогда, когда в работе участвуют лишь колбочки одного
типа, либо одновременная работа других минимальна. Такое положение дел возможно
лишь при облучении сетчатки узкополосным источником света (рисунок 5.7), плотность
энергии которого сосредоточена в узком диапазоне энергий квантов или, по-другому длин
волн (lmax = 650 нм), что хорошо видно в приведённом примере. Другими словами,
действие такого источника получается «точечным», направленным только в узкую
область спектральной чувствительности глазного аппарата, что и формирует в мозге
отклик об однозначности цвета, и в зависимости от этого совершение дальнейших
действий или соответствующую обработку изображения. И если продолжать говорить о
284
светофорах, исходя из рисунка 7 также понятно, что, наиболее проблемным цветом
является жёлтый (доминирующая длина волны около 590нм), при восприятии которого не
удаётся избежать смешанной работы различных типов колбочек, да и собственно,
который изначально является плодом смешения основных цветов. Именно по этой
причине требуемая пороговая освещённость на жёлтом максимальна, и, соответственно
требуемая сила света светоблока должна быть существенно больше, чем у других цветов
при условии сохранения одинаковой вероятности верного восприятия цвета
1,1
1
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
R
G
B
Светофор R на светодиодах
0,2
0,1
L, nm
0
380
400
420
440
460
480
500
520
540
560
580
600
620
640
660
680
700
Рисунок 5.7. Относительная спектральная чувствительность фотометрического аппарата
глаза и пример наложения спектра красного светофора на светодиодах с
max = 650nm.
Переходя к узкополосности спектра энергий сигналов, обратимся к таблице 4, в
которой приведены данные о спектральном составе излучения светоблоков на ЛК и
светодиодах, а на рисунке 8 – наглядный пример табличных данных.
720
285
Normalized Intensity vs. Wavelength.
Normalized Intensity
1
0,9
0,8
Spatial radiation pattern
Lmax
Lcentroid
L1(SLHW)
L2(SLHW)
Level 0,5
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
Wavelength (nm)
0
300
325
350
375
400
425
450
525
550
575
600
625
650
675
700
Normalized Intensity
0,8
500
725
750
775
800
Normalized Intensity vs. Wavelength.
1
0,9
475
Spatial radiation pattern
Lmax
Lcentroid
L1(SLHW)
L2(SLHW)
Level 0,5
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
300
Wavelength (nm)
325
350
375
400
425
450
475
500
525
550
575
600
625
650
675
700
725
750
775
Рисунок 5.8. Деталировка диаграмм спектрального распределения излучения красного
светоблока ЖД светофора на светодиодах (вверху) и ЛК (снизу).
800
286
Chromaticity coordinates
0.9
x1
x2
Test source
0.8
X = 0.713
Luminous Efficacy
0.7
K = 9.782
0.6
Y = 0.285
-3
lm
Z = 1.531´ 10
W
ldom = 636.04 nm
0.5
0.4
y1
y2
0.3
D-65
0.2
0.1
0
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
0.45
0.5
0.55
0.6
0.65
0.7
0.75
Spatial radiation pattern
1
Integral part
0.9
test/base
V( l)
D = 13.746%
0.8
0.7
Relative to V(l)
D Vbase = 9.32%
D Vtest = 1.432%
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
nm
0
350
384.29 418.57 452.86 487.14 521.43 555.71
test
base
V(L)
source test
source base
а)
590
624.29 658.57 692.86 727.14 761.43 795.71
830
287
Chromaticity coordinates
0.9
x2
x1
Test source
0.8
X = 0.219
0.7
Luminous Efficacy
Y = 0.45
lm
K = 339.023
W
Z = 0.331
0.6
ldom = 508.326nm
y2
0.5
0.4
y1
0.3
D-65
0.2
0.1
0
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
0.45
0.5
0.55
0.6
0.65
0.7
0.75
Spatial radiation pattern
1
Integral part
0.9
test/base
V( l)
D = 35.917%
0.8
0.7
Relative to V( l)
D Vbase = 9.32%
D Vtest = 49.637%
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
nm
0
350
384.29 418.57 452.86 487.14 521.43 555.71
test
base
V(L)
source test
source base
590
624.29 658.57 692.86 727.14 761.43 795.71
830
б)
Рисунок 5.9. Спектральные характеристики светоблоков светофоров на основе линзовых
комплектов и механизм их формирования из исходного излучения ламп накаливания. а) –
красный, б) – зелёный. Координаты цветности и другие характеристики спектров
приведены на сносках диаграмм.
288
Таблица 5.4.
Полуширина относительного
спектрального распределения излучения
по V(l),нм
ЛК
Светодиоды
Цвет
Красный
36,5
82,3
62,0
106,0
Жёлтый
Зелёный
Синий
Интеграл абсолютного спектра
излучения по V(l)
10,0
15,5
28,0
18,5
ЛК
Светодиоды
5,3
29,7
56,6
2,4
2,15
13,2
18,6
1,5
Распределение плотности энергетической яркости характеризуется полушириной
спектра, и, соответственно, чем она меньше, тем уже спектр. Из таблицы видно, что
ширина спектра по уровню половины интенсивности у светодиодов меньше в 3-6 раз по
сравнению с ЛК. Что также подтверждается значениями интегралов спектров,
характеризующих не только полуширину, но и всю площадь под кривой спектрального
распределения по всем уровням энергий. Как можно заметить, интеграл также в 2-3 раза
меньше у светодиодного варианта светофора.
Пояснением к описанному может стать полная иллюстрация спектрального распределения
некоторых светоблоков на основе ламп, представленная на рисунке 5.9., из которой видно
как работает светофильтр (кривая source test) линзового комплекта и как с его помощью из
исходного спектра лампы (кривые base и source base) формируется необходимый спектр
соответствующего цвета сигнала (кривая test).
Из сказанного следует очевидный вывод о том, что светодиодный светофор будет
существенно выигрывать по верности восприятия цвета у ЛК с точки зрения
спектрального
состава
излучения
при
прочих
равных
условиях.
Однако
полупроводниковые источники излучения значительно проигрывают в этой части
характеристик при изменении температурных условий работы
[15]. Изменение
доминирующей длины волны более чем на 10 нм в требуемом диапазоне температур (-60 +55 град), может оказаться для жёлтого и красного сигнала неприемлемым для
применения. Эта проблема в данное время решается как технически, так и
законодательно: в первом случае разрабатываются средства обеспечения минимальных
изменений
параметров
светодиодов,
совершенствуются
сами
излучающие
полупроводниковые структуры, а во втором случае – проводятся эксперименты по
изменению существующих стандартов в части расширения границ цветности с учётом
вышеупомянутых важных преимуществ в восприятии цвета.
Существующий на ЖД ночной (питание светофора снижается на 25 %) и
маскировочный (1 % значения силы света в дневном режиме) режимы работы светофоров
являются
хорошим
примером,
демонстрирующим
преимущество
динамических
289
характеристик светодиодов. Ночной режим выполняется при напряжении питания 9 – 10,5
В переменного тока (номинальное напряжение – 12В, 50 Гц). При понижении питания у
лампы накаливания не только изменяется интенсивность излучения, но и на 300-400К
снижается температура нити накала. Спектр излучения сдвигается в сторону длинных
волн по закону Вина (5.2):
lmax= 0,002898/T
(5.2)
где где T — температура в Кельвинах, а λmax — длина волны с максимальной
интенсивностью в метрах.
Происходит не только пропорциональное изменение амплитуды составляющих по всему
спектру, но и нелинейное (из-за сдвига спектра) – особенно в области коротковолновых
составляющих. Это приводит к существенному уменьшению исходных длин волн для
формирования синего и зелёного (рисунок 5.9.) в ночное время, и, несмотря на увеличение
чувствительности в этом диапазоне благодаря темновой адаптации и включению
доминирования палочкового зрения, существенно ухудшает чистоту цвета: он становится
«разбавленным», особенно зелёный. А в условиях применения различных источников
света для освещения станций (натриевые, ртутные лампы), сигналы светофоров могут
быть спутаны с ними. Очевидно, что говорить о качестве цвета в маскировочном режиме
вообще нет смысла. В то время как зависимость спектральных характеристик светодиодов
от прямого тока выражается в нескольких нанометрах при изменении тока на 90 %, а если
система управления позволяет модулировать интенсивность излучения не питанием, а
например, ШИМ, как это с успехом используется в системах отображения информации, то
изменение колориметрических характеристик будет полностью отсутствовать.
К показанным выше характеристикам светофоров, обобщив их, можно добавить
следующие факторы, дополняющие объективную картину технического состояния
светосигнальных устройств на светодиодах:
- Наработка не менее 50 000 часов без обслуживания и значимого изменения
характеристик.
- Высокая механическая прочность.
- Значительное снижение энергопотребления.
- Отсутствие изменения характеристик в различных электрических режимах
работы.
- Существенное увеличение дальности и уменьшение времени верного восприятия
цвета сигнала.
-
Значительное уменьшение времени включения сигнала светофора.
К следующим факторам можно отнести проблемы применения светодиодов:
290
- Стыковка с существующей системой управления режимами, например, из-за
низкого энергопотребления.
- Изменение цветовых и характеристик и значений силы света при изменении
температуры.
- Чувствительность к воздействию наводок и импульсных помех.
- Существенный катафотный эффект.
Подводя итог приведённым рассуждениям, можно сделать вывод о том, что применение
светодиодов в светосигнальной аппаратуре имеет ряд проблем. Однако существенный
совокупный качественный эффект, который непременно будет иметь место в случае
применения светодиодов, оправдывает многие средства достижения этого эффекта,
результатом которого станет максимальная безопасность движения автомобилей, поездов,
кораблей и сохранённая жизнь человека, имеющая наивысшую ценность.
Спектральные
характеристики
светодиода,
построенного
по
системе
синий
кристалл-люминофор.
Однако
отличительным
квазимонохромность
и
приоритетным
с
некоторого
качеством
времени
светодиодов.
перестала
быть
Полупроводниковые
излучающие приборы внедрились в освещение и открыли доселе неведомый класс
источников света, используемых в привычных нам светильниках для различного
освещения. Качество света, излучаемого комбинацией кристалл – люминофор оказалась
заметно лучше излучения люминесцентных ламп, при этом сравнимая световая
эффективность уже достигнута светодиодами. И если говорить об этом качестве с точки
зрения восприятия такого света глазным аппаратом, то, стоит снова обратиться к рисунку
5.7. и сравнить спектральные составляющие излучения светодиодов на основе
люминофора и используемых в освещении ламп: люминесцентных, накаливания и др. С
одной стороны, совершенно понятно, что здесь как обычно, принято говорить о том или
ином индексе цветопередачи, и это не будет лишним, потому как у светодиодов он
доходит до 90-93, а с другой – этот параметр годится лишь при условии привязки к
стандартному источнику с близкой коррелированной цветовой температурой, что не
корректно с таким неравномерным спектральным распределением энергии как, например
у люминесцентной лампы, явно не являющейся планковским источником, с которым
должно происходить сравнение. Другими словами, индекс цветопередачи, как и
координаты цветности слишком оторваны от физического смысла излучения и тем более
от физики восприятия его глазом, поэтому предлагается провести сравнение этих
источников по интегральному составу энергий излучения в восьми участках видимого
спектра, кстати, рекомендованных для этого ГОСТ 23198-94. Это обстоятельство позволит
сопоставить все источники света при равных условиях.
291
Таблица 5.5.
Отношение интегральных энергий различных диапазонов спектра относительно V(λ).
Диапазоны по ГОСТ 23198-94, нм
Солнце в 14ч, июль,Т=6150К
Лампа накаливания с Т=2560К
Люминесцентная лампа с Т=2700К
Люминесцентная лампа с Т=4000К
Люминесцентная лампа с Т=6300К
Металлогалогенная лампа с Т=6700К
Белый светодиод с Т=3300К
Белый светодиод с Т=6300К
380-420
68,82
3,15
0,53
1,66
0,84
13,17
2,12
3,67
Отношения интегралов в диапазонах по V(L),%
420-440 440-460 460-510 510-560 560-610
68,66
82,66
89,30
94,90
93,72
4,93
7,19
13,53
22,12
33,72
5,32
0,42
1,50
6,44
3,37
10,12
3,83
3,52
8,65
3,63
5,17
0,34
1,43
6,19
3,31
9,36
6,78
6,66
11,08
6,62
28,10
83,29
35,81
73,66
95,26
47,10
75,49
22,89
50,95
48,64
610-660
88,58
46,66
13,61
12,46
13,68
5,75
87,74
28,73
660-760
83,62
60,95
0,91
0,94
0,89
5,61
46,14
10,94
Приведённые в таблице 5 значения следует трактовать так. За 100% взята условная
энергия, ограниченная указанными диапазонами, которая имеется у кривой видности
глаза V(l). Ниже помещаются соответствующие условные энергии (интегралы под
функциями относительного спектрального распределения плотности энергетической
яркости) различных источников излучения, название которых приведено в левом столбце,
чьи спектры излучения свёрнуты с V(l) и пересчитаны в процентном отношении к
энергиям тех же диапазонов длин волн у V(l). Таким образом получается довольно
подробная картина распределения энергий источников по длинам волн, по которой можно
судить о полноте заполнения всего видимого диапазона энергией излучения, а по
отдельным его участкам, о том насколько близко это излучение к идеальному,
содержащему максимум энергии в спектре. Как можно заметить, наибольшую близость с
точки зрения распределения энергий к кривой видности глаза проявляет солнечный свет.
Это говорит о том, что он содержит все компоненты излучения, способные быть
увиденными глазом и именно с нужной интенсивностью. Поэтому, на всех участках
видимого диапазона, у него имеется высокий процент соответствия энергий V(l). Стоит
отметить, что солнечный свет с более высокой цветовой температурой, чем приведено в
таблице (6500 К), будет ещё больше приближаться к V(l), особенно в области
коротковолнового участка. Это также заметно и по отношению общих интегралов,
указанных в последней колонке таблицы 6.
Таблица 5.6.
Отношение
интегралов
относительного
спектрального
распределения
энергетической яркости различных источников Ea(l) к интегралу V(l).
Типы источников излучения
Солнце в 14ч, июль,Т=6150К
Лампа накаливания с Т=2560К
Люминесцентная лампа с Т=2700К
Люминесцентная лампа с Т=4000К
Люминесцентная лампа с Т=6300К
Интеграл Ea(l)*V(l)dl в % от V(l)
92,96
28,55
5,54
6,64
5,41
плотности
292
Металлогалогенная лампа с Т=6700К
Белый светодиод с Т=3300К
Белый светодиод с Т=6300К
4,70
79,31
44,68
Однако обратим внимание на другие источники. Лампа накаливания, например,
«недобирает» практически половину диапазона, и эта информация была в более общей
форме рассмотрена в предыдущих примерах с ЖД светофорами. Металлогалогенная
лампа имеет высокий индекс цветопередачи только благодаря тому, что обладает
довольно равномерным, хотя и низким по весовой доле, распределением энергий во всём
диапазоне. Большое отличие её излучения от солнечного, состоит в очень узких, пиках
высокой интенсивности, вместе с тем, обладающих малой интегральной энергией, что
видно из таблицы. Такое же положение дел имеется и у люминесцентных ламп, спектр
которых ещё скуднее и на количество пиков (полос) и по распределению их относительно
V(l). Для наглядности, некоторые функции спектрального распределения энергии
излучения источников приведены на рисунке 5.10.
И только лишь у светодиодов, построенных по схеме синий кристалл-люминофор, можно
наблюдать значительное приближение описанных величин к кривой видности глаза, по
крайней мере, относительно других источников света.
0,9
0,8
Normalized Intensity
1
Spatial radiation pattern
Lmax
Lcentroid
L1(SLHW)
L2(SLHW)
Level 0,5
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
300
Wavelength (nm)
325
350
375
400
425
450
475
500
525
550
575
600
625
650
675
700
725
750
775
800
825
850
875
900
925
950
293
1
A.U.
0,9
0,8
Ф(L)/V(L)
V(L)
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
nm
0
350
400
450
500
550
600
650
700
750
800
Люминесцентная лампа с Т= 6300 К
0,9
0,8
Normalized Intensity
1
Spatial radiation pattern
Lmax
Lcentroid
L1(SLHW)
L2(SLHW)
Level 0,5
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
Wavelength (nm)
0,1
0
300
350
400
450
500
550
600
650
700
750
800
850
900
950
1000
294
1
A.U.
0,9
0,8
Ф(L)/V(L)
V(L)
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
nm
0
350
400
450
500
550
600
650
700
750
800
Металлогалогенная лампа с Т=6700 К.
0,9
0,8
Normalized Intensity
1
Spatial radiation pattern
Lmax
Lcentroid
L1(SLHW)
L2(SLHW)
Level 0,5
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
Wavelength (nm)
0
300
350
400
450
500
550
600
650
700
750
800
850
900
950
295
1
A.U.
0,9
0,8
Ф(L)/V(L)
V(L)
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
nm
0
350
400
450
500
550
600
650
700
750
800
Белый светодиод с Т= 3300 К
Рисунок 5.10. Примеры характеристик спектрального распределения энергии (светового
потока) некоторых источников излучения Ea(l). Каждой диаграмме распределения
соответствует график функции Ea(l)*V(l), расположенный ниже её.
Как видно из таблиц 5.5., 5.6. и рисунка 5.10., спектр излучения белых светодиодов с
различными коррелированными цветовыми температурами имеет очень высокий процент
соответствия V(l) на протяжённом участке видимого диапазона, достигая 95% в области
жёлтого, что говорит о его непрерывности и высокой степени подобия основному
естественному источнику. Это обстоятельство могло быть выявлено лишь подобным
исследованием, потому как расчёт индекса цветопередачи исходя из координат цветности,
не отражает качественного показателя спектрального распределения энергий, хотя и
относительного.
Из
данного
утверждения
можно
сделать
вывод о
том,
что
полупроводниковый свет на основе белых светодиодов, используемый для освещения, не
только достиг своей эффективности относительно традиционных ламп, но и превосходит
их в части комфортности восприятия глазным аппаратом, открывая куда большие
перспективы по его применению, чем когда-то были у ламп относительно свечей и
керосиновых фонарей.
296
Опорной зависимостью для оценки качественного показателя спектрального
распределения энергии источников может служить только кривая видности V(l), которая
и определяет, какая доля излучения будет восприниматься глазом. Чувствительность глаза
к излучению различных длин волн характеризуется функцией видности V(λ) –
относительной спектральной световой эффективностью излучения. Эта величина
нормирована: за единицу принята чувствительность V(λ) при длине волны λ,
соответствующей максимальной чувствительности глаза. Значения относительной
спектральной световой эффективности излучения стандартизованы Международной
комиссией по освещению (МКО) [13] как для дневного зрения (яркость около 100 кд/м2),
так и для тёмноадаптированного (яркость менее 10-4 кд/м2) глаза. При промежуточных
значениях яркости адаптации в зрительном процессе участвуют и палочки, и колбочки
Форма кривой видности глаза имеет большое значение для оптимального
проектирования осветительной аппаратуры. Если задаться вопросом: какова должна быть
температура абсолютно черного тела, при которой доля энергии видимого излучения
будет максимальной, то расчеты покажут, что энергия видимого излучения абсолютно
черного тела с различной температурой – 2000, 4000, 6000, 8000, 12000 К – составляет
соответственно такую часть от полной энергии излучения, которая показана в таблице 5.7.
Таблица 5.7.
Доля видимого излучения в спектре АЧТ с разной температурой.
Доля энергии видимого излучения
Температура источника
T,K
d(V(l)), a.u.
2000
0,017
4000
0,318
6000
0,497
8000
0,477
12000
0,186
Следовательно, наивыгоднейшей температурой будет 6000 К, при которой половина всей
энергии приходится на видимое излучение. Это обстоятельство, а также данные расчётов,
приведённые в таблицах 5.5. и 5.6., свидетельствуют о том, что спектральная
чувствительность глаза в процессе эволюции сформировалась под влиянием солнечного
излучения.
5.2. Конструкция и основные принципы построения светодиодной лампы ЖСС для
использования в линзовых комплектах.
297
Наличие большого количества электронных компонентов и связанные с этим
технологические проблемы, не позволили довести проект разработки ССС, описанные в
Главе 1 до логического завершения. Одновременно появились светодиодные источники
света
достаточной
мощности излучения
в
диапазоне длин
волн
450-470
нм,
представляющие из себя основу для построения излучателей по системе кристалл –
люминофор. Применение подобных полупроводниковых излучателей, очень слабо
зависимых по физическим параметрам от изменения внешней температуры (рисунок 5.4.),
позволяет решить проблему изменения координат цветности и значения силы света
светосигнальных устройств на их основе в заданном интервале температур. Поэтому
единственным, в настоящее время, рациональным решением проблемы применения
полупроводниковых источников света для ЖД светофоров, является применение
полупроводниковых излучателей диапазона 450-460 нм, как описано в [116,126]. Именно
таким устройством является представленная на рисунке 5.8. лампа для ЖД светофоров на
основе светодиодных источников света. Эта российская разработка, защищенная
патентами [85-88,91,92], являющаяся гораздо менее дорогой и при этом более
эффективной альтернативой как ССС [7,8], так и RAILED от компании «Сварко-Футурит»
(Глава 1, п.1.4.) – лампа прямой замены лампы накаливания в стандартных линзовых
комплектах КЛМ и КЛК на основе белых светодиодов, универсальная для всех пяти
цветов сигналов, используемых на сети РЖД. Лампа полностью совместимая со всеми
интерфейсами СЦБ, уже при 5 Вт потребляемой мощности полностью соответствует всем
требованиям [18] по силе света.
Помимо стабильности координат цветности и интенсивности излучения во всем диапазоне
рабочих температур, она обладает следующими особенностями:
-
полностью взаимозаменяема с используемой в настоящее время в линзовых
комплектах
лампой
накаливания
ЖС12-15+15
по
геометрическим
и
электрическим параметрам;
-
позволяет использовать весь комплект применяемого в настоящее время с
линзовым комплектом оборудования (например, отклоняющие вставки, и т.п.)
- позволяет получить более высокую (в 2-3 раза) силу света линзового комплекта
(таблица 5.2.);
- полностью совместима с существующими интерфейсами управления (не
требует дополнительных адаптеров или модернизации и замены существующих устройств
СЦБ);
- менее чем традиционная лампа накаливания, чувствительна к наводкам,
обусловленным междужильной емкостной связью в цепях управления;
298
- выполнена в «двухнитевом» варианте - имеет резервную «нить», по всем
параметрам полностью равноценную основной;
-Т-образная форма излучателя позволяет получить более широкую по сравнению
с лампой накаливания диаграмму распределения силы света в вертикальном направлении
для визуализации на близком расстоянии - порядка 20м, что является преимуществом
данной конструкции перед лампой накаливания (рисунок 5.6.);
- в конструкцию лампы может быть интегрирован элемент, который позволит
производить юстировку светофорных головок в эксплуатации, с применением доступного
(дешевого) высокоэффективного оборудования;
а)
б)
Рисунок 5.11. Светодиодная лампа а) и линзовый комплект ЖД светофора с её
применением в нём вместо лампы ЖС 12-15+15 б).
- конструкция лампы обеспечивает точное геометрическое позиционирование
«нити» накала в линзовом комплекте, что исключает необходимость дополнительной
юстировки линзового комплекта при смене лампы (сейчас - обязательная операция);
- контакт с электродами держателя лампы является плоскостным, а не точечным,
как у ламп накаливания, что значительно снижает вероятность отказа светофора по
причине плохого контакта;
- стоимость лампы существенно меньше стоимости применяемой лампы
накаливания за эквивалентный период эксплуатации;
- огромная экономия ресурсов (трудовых и финансовых) при эксплуатации:
количество выездов на обслуживание светофоров может быть снижено в 5 раз;
299
- возможность в перспективе не менее чем в 3 раза снизить энергопотребление
светофоров;
- дополнительный экономический эффект может быть получен в случае
использования ламп с вышедшей из строя основной «нитью», на участках дорог, где
применяются однонитевые лампы ЖС 12-15, за счет равноценного срока эксплуатации
резервной «нити» (т.е. лампа служит два срока);
- возможно изготовление ламп для прожекторных светофоров (в настоящее время
такие лампы не выпускаются);
- является экологически чистым продуктом, подлежащим практически 100 %
утилизации (корпус лампы выполнен из алюминиевого сплава).
Высокие требования по надёжности и безопасности (критерии опасных отказов) к любым
устройствам СЦБ ЖД не позволяют использовать в светодиодной лампе какие-либо
дополнительные электронные устройства, помимо излучающих кристаллов, диодов и
сопротивлений. Следует напомнить, что лампы светофоров ЖС-12-15 имеют напряжение
питания 12 В через трансформатор от сети переменного тока с частотой 50 Гц и
напряжением 220 В. Поэтому было предложено использовать в лампе ЖСС питание
излучающих кристаллов непосредственно переменным током. При параллельнопоследовательном
соединении,
шесть
кристаллов
образуют
однополупериодный
выпрямитель, оптический отклик которого имеет форму пульсирующего светового потока
с частотой 50Гц. Понятно, что глазу не заметна такая пульсация, а кристаллы работают в
импульсном режиме со временем импульса t=20 мс. В таком режиме с синусоидальной
формой питающего напряжения наиболее выгодным будет применение излучающих
кристаллов с минимальным динамическим сопротивлением (5.3.). Были использованы
кристаллы, изготовленные из AlInGaN гетероструктур, выращенных на сапфировых
подложках, и перенесённых на медное основание. При размерах кристаллов в плоскости
p-n перехода 1мм*1мм и плотности тока 30 А/см2 его динамическое сопротивление
составляет не более 1 Ом
Rd = dU/dI
(5.3.)
Светящие поверхности лампы ЖСС имеют геометрические размеры, идентичные
размерам нитей накала лампы ЖС-12-15¸ на которую рассчитана вся оптическая система
действующих светофоров, благодаря близкой установке излучающих кристаллов друг к
другу в ряд. Таким образом, штатная оптика светоблока светофора формирует световой
сигнал от источника на полупроводниковых излучающих кристаллах с пространственным
распределением
силы
света,
идентичным прежнему.
Благодаря специфическому
спектральному распределением светового потока системы кристаллов
InGaN +
люминофор, обладающему гораздо большей интенсивностью излучения в большинстве
300
необходимых для сигналов светофора участков спектра, чем лампа накаливания, удалось
получить существенно большие значения силы света линзовых комплектов при
значительно меньшей потребляемой мощности. Это позволяет с большим запасом
выполнять все соответствующие требования стандарта по силе света всех пяти цветов
сигналов.
Из сказанного следует очевидный вывод о том, что светодиодный светофор будет
существенно выигрывать по верности восприятия цвета у ЛК с точки зрения
спектрального состава излучения при прочих равных условиях [3,4,8]. Однако
полупроводниковые источники излучения значительно проигрывают в этой части
характеристик при изменении температурных условий работы [15,48]
Изменение доминирующей длины волны более чем на 10 нм в требуемом
диапазоне температур (-60 - +60 град), может оказаться для жёлтого и красного сигнала
неприемлемым для применения. Эта проблема в данное время решается как технически,
так и законодательно: в первом случае разрабатываются средства обеспечения
минимальных изменений параметров светодиодов, совершенствуются сами излучающие
полупроводниковые структуры, а во втором случае – проводятся эксперименты по
изменению существующих стандартов в части расширения границ цветности с учётом
вышеупомянутых важных преимуществ в восприятии цвета [107,111,112].
Ещё 10 лет назад, так близко расположенное от цели техническое решение с применением
монохромных светодиодов в светофорах, устраняющее все проблемы восприятия цвета,
долговечности и надёжности оказалось не таким простым в его воплощении и до сих пор
не нашло массового применения на железной дороге. Однако параллельно ему
вынашивалась мысль о применении в качестве опорных источников света светодиодов
белого цвета свечения, построенных по системе кристалл-люминофор с использованием
штатного линзового комплекта с соответствующим светофильтром. Успехи в технологии
производства мощных белых светодиодов позволили не только обеспечить заданную силу
света светофоров, но и цветовые характеристики, которые в первую очередь подвергались
сомнению.
Современные белые светодиоды имеют широкий выбор различного спектрального состава
излучения, как оказалось, в больших пределах подходящего для использования в составе
светофоров и штатной линзовой системе. На рисунке 5.12. приведён пример работы
линзового комплекта зелёного сигнала, показанного на рисунке 5.11.б, но с применением
белого светодиода в качестве источника света. Можно заметить, что в этом случае,
световой поток источника используется почти в 2,5 раза эффективнее (сноска test/base в
левом верхнем углу графиков рисунков 5.9.б и 5.12., показывающая процентное
отношение светового потока полученного сигнала и исходного). Это говорит о том, что
при условии равенства потоков лампы и светодиода, из-за особенности спектрального
301
распределения излучения последнего, сила света сигнала будет приблизительно во
столько же раз больше при полной идентичности «весовой» доли спектра относительно
V(l) (сноски DVtest на рисунках 5.9. и 5.12.).
Spatial radiation pattern
1
Integral part
0.9
test/base
D = 88.034%
0.8
0.7
Relative to V(l)
ldom = 519.23 nm
D Vbase = 78.852%
D Vtest = 49.607%
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
V(l)
0.1
nm
0
300
337.86 375.71 413.57 451.43 489.29 527.14
565
602.86 640.71 678.57 716.43 754.29 792.14
test
base
V(L)
source test
source base
Рисунок 5.12. Пример спектральных характеристик светоблока светофора на основе
линзового комплекта и механизм их формирования из исходного излучения светодиода
белого цвета свечения с ССТ=4500К. Светофильтр линзового комплекта (кривая source
test), исходный спектр светодиода (кривые base и source base), спектр зелёного цвета
сигнала (кривая test), показанного также на основе лампы накаливания на рис. 5.9.б.
А если учесть, что, как говорилось ранее, лампа ЖС 12-15+15 излучает около 110 лм, а
светодиодная – не менее 450-500 лм, то можно предположить, что сила света отдельных
сигналов будет в 5-7 раз больше, о чём свидетельствует таблица 5.8. и последняя колонка
таблицы 5.1., из которой видно, что световой поток некоторых сигналов существенно
больше даже, чем поток лампы ЖС 12-15+15 без фильтра и оптики.
830
302
Таблица 5.8.
Значения силы света различных светоблоков и нормируемых стандаротом.
Цвет
Красный
Жёлтый
Зелёный
Синий
Л-б
С.С. ЛК на лампе
накаливания ЖС 12С.С.по ГОСТ,кд 15+15 реальная,кд
2100
4350
2600
150
2500
С.С. ЛК на светодиодной
лампе,кд
1330
3890
2510
252
4100
2100
20500
14500
1025
25800
5.2.1. Обоснование параметров применяемых излучающих кристаллов
для лампы ЖСС, схемы их включения и доказательство безопасности.
5.2.1.1. Краткое описание принципов работы RSL
На Рис. 5.13. представлена лампа RSL, состоящая из следующих основных
функциональных узлов [126]:
а)
печатной
высокоэффективными
платы
с
установленными
излучающими
элементами,
на
на
ней
основе
светодиодными
эпитаксиальных
гетероструктур (InGaN —синего цвета свечения, покрытых люминофором);
б) печатной платы с резисторами, емкостями, супрессорами, твердотельными
оптоэлектронными реле, полупроводниковыми мостами и предохранителями;
в) монолитного корпуса-радиатора с защитным стеклом.
печатная плата с
установленными на ней
излучающими
кристаллами
монолитный корпусрадиатор с защитным
стеклом
печатная плата со схемой
питания
Рис.5.13. Конструкция лампы RSL.
Схема принципиальная электрическая
RSL. показана на рисунке 5.14. Светодиодные
излучающие элементы объединены в две группы – основную и резервную, по
303
функциональному назначению аналогичные основной и резервной нити лампы
накаливания ЖС 12-15+15.
Рисунок 5.14.. Схема электрическая принципиальная лампы RSL.
Конструктивное оформление представлено на Рис. 5.15.
специальный гель
стекло
излучающие элементы
светодиодов
Рисунок 5.15. Конструкция части лапы RSL, где расположены излучатели.
Конструктивно излучающие элементы светодиодов расположены на печатной плате с
алюминиевой основой. Печатная плата помещена в корпус радиатор. Спереди световой
модуль закрыт стеклом, совмещающим в себе характеристики корригирующего фильтра,
расчёт параметров которого описан в главе 5.2.2. Пространство между стеклом и печатной
платы заполнено специальным гелем.
Выбор электрических параметров излучающих кристаллов основан на принципе
обеспечения ими минимального динамического сопротивления цепи. На рисунке 5.16.
304
представлена зависимость дифференциального сопротивления применённых кристаллов
от тока. При значениях рабочего тока в лампе порядка 350 мА, значение этого
сопротивления составляет 0,5-0,4 Ом, что обеспечивает высокую крутизну вольтамперной и соответственно, люмен-амперной характеристики светодиодной сборки.
500
1300
Rdyn,Ohm; R,Ohm
Pdis,mW
1200
450
1100
400
1023,75
1000
350
900
800
300
700
250
600
200
R vs.If
Rdyn vs If
Pdis vs. If
150
500
400
130,15
300
274,10
100
66,28
200
106,04
50
27,41
1,9
52,06
0
0
20
40
0,7
1,4
60
80
100
120
140
160
180
200
220
240
260
280
300
100
8,36
0,6
320
340
0,4 360
0,2
If,mA
380
Рисунок 5.16. Зависимость динамического сопротивления и потребляемой мощности
излучающего кристалла от прямого тока.
5.2.1.2. Доказательство безопасности лампы RSL
1 Условия эксплуатации и технического обслуживания:
–- предназначены для работы в условиях умеренного и холодного климата (УХЛ)
категория исполнения 1 по ГОСТ 15150-69 при рабочих температурах от минус 60 до
плюс 55°С. По допускаемым климатическим воздействиям относятся к
классификационной группе К3 по ОСТ 32.146-2000;
– RSL - по допускаемым механическим воздействиям относится к классификационной
группе МС3 по ОСТ 32.146-2000;
–
RSL - является необслуживаемым устройством.
2 НОРМАТИВНЫЕ ДОКУМЕНТЫ
Нормативные документы, используемые для доказательства безопасности:
·
ГОСТ 27.002-89. “Надежность в технике. Основные понятия. Термины и
определения”
·
ГОСТ 11946-78 “ Линзы и комплекты линз сигнальных приборов
железнодорожного транспорта. Методы измерений силы света и фокусного расстояния”
0
400
305
·
ОСТ 32.17-92 “Безопасность железнодорожной автоматики и телемеханики.
Основные понятия . Термины и определения”.
·
ОСТ 32.18-92 “Безопасность железнодорожной автоматики и телемеханики.
Выбор и общие правила нормирования показателей безопасности”.
·
ОСТ 32.19-93 “Безопасность железнодорожной автоматики и телемеханики.
Общие требования к программам обеспечения безопасности”.
·
ОСТ 32.27-93 “Безопасность железнодорожной автоматики и телемеханики.
Организация сбора и обработки информации о безопасности систем железнодорожной
автоматики и телемеханики”.
·
ОСТ 32.41-95 “Безопасность железнодорожной автоматики и телемеханики.
Методы доказательства безопасности систем и устройств железнодорожной автоматики и
телемеханики”.
·
РТМ 32 ЦШ 1115843.02-94 “Безопасность железнодорожной автоматики и
телемеханики. Методы расчета безотказности и безопасности СЖАТ”.
·
РТМ 32 ЦШ 1115842.03-94 “Безопасность железнодорожной автоматики и
телемеханики. Правила и методы обеспечения безопасности релейных схем”.
·
РТМ 32 ЦШ 1115842.01-94 “Безопасность железнодорожной автоматики и
телемеханики. Методы и принципы обеспечения безопасности микроэлектронных
СЖАТ”.
·
РД 32 ЦШ 1115842.01-93 “Безопасность железнодорожной автоматики и
телемеханики. Методы испытаний на безопасность”.
·
РД 32 ЦШ 1115842.02-93 “Безопасность железнодорожной автоматики и
телемеханики. Порядок и методы контроля показателей безопасности, установленных в
нормативно-технической документации”.
·
РД 32 ЦШ 1115842.03-93 “Безопасность железнодорожной автоматики и
телемеханики. Критерии опасных отказов”.
·
РД 32 ЦШ 1115842.04-93 “Безопасность железнодорожной автоматики и
телемеханики. Методы расчета норм безопасности”.
·
СТО РЖД 1.19.009―2009 «Системы и устройства железнодорожной автоматики
и телемеханики. Доказательство безопасности»
3 ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТА
3.1 Концепция обеспечения безопасности
RSL - строится на электронных средствах обеспечивающих безопасность
функционирования. Одиночные дефекты не должны приводить к опасным отказам.
Сочетание дефектов, приводящих к опасным отказам, не должно возникать с
интенсивностью, более заданной.
306
3.2 Критерии опасных отказов
Критерием опасного отказа в соответствии с ОСТ 32.17-92 является признак или
совокупность признаков опасного состояния системы, установленные в нормативнотехнической документации.
Критерии опасных отказов для RSL – являются:
а) изменение цветовой температуры свечения RSL, приводящее к изменению сигнала
светофора на более разрешающий (красного на жёлтый, зелёный, жёлтого на зелёный,
двух жёлтых на один жёлтый);
б) переход сигнального показания из непрерывного режима в мигающий;
в) несанкционированное свечение RSL, вследствие утечек переменного тока через
межжильную ёмкость кабеля из цепей управления другими устройствами при удалении
системы от источника электропитания;
г) – необнаруживаемое снижение силы света, с учетом выхода из строя излучающих
элементов, на 30% и более от минимально нормированных значений, указанных в табл. 4.
ТЗ на RSL.
3.3 Нормы безопасности
Расчет норм безопасности основывался на концепции приемлемого риска и
производился на основе достигнутого уровня безопасности. При этом норма
безопасности определена приемлемой, если ее значение соответствует достигнутому
уровню безопасности, признанному достаточным на данный момент.
Интенсивность опасных отказов оп ≤2,4 10-10 1/ч.
3.4 Нормы надежности
В соответствии с ГОСТ 27.003-90 RSL - должны иметь следующие показатели
надёжности:
-
средняя наработка на отказ должна быть не менее 100 000 часов;
средний срок службы до списания должен быть не менее 15 лет.
4 ДОКАЗАТЕЛЬСТВО РАБОТОСПОСОБНОСТИ
Положительные результаты испытаний:
·
предварительных,
·
на воздействие механических нагрузок,
·
на воздействие климатических факторов,
·
на электромагнитную совместимость,
·
во время проведения опытной эксплуатации,
подтверждаемые соответствующими протоколами (Приложение Б), являются
доказательством работоспособности RSL.
307
5 МЕТОДЫ ДОКАЗАТЕЛЬСТВА БЕЗОПАСНОСТИ
Для доказательства безопасности RSL - используются следующие методы:
-
экспертные;
-
расчетные;
-
стендовые испытания;
-
испытания в условиях эксплуатации.
5.1 Экспертные методы
Экспертные методы применяются на всех стадиях разработки RSL.
В качестве экспертов
привлекаются специалисты из НИИ
Стандартизации и
сертификации безопасности ЖАТ при ПГУПС, Специалистами ПГУПС проводятся
экспертизы технических решений, проверяются и согласовываются программы и
методики испытаний и др.
5.2 Расчетные методы
Применяются для расчета сочетаний дефектов, приводящих к опасным отказам.
5.3 Стендовые испытания
Стендовые испытания проводятся для проверки работоспособности и соответствия
параметров заявленных в ТЗ.
Проводятся следующие испытания:
– испытания на безопасность
– испытания на ЭМС
– климатические испытания
– испытания на механические воздействия
5.4 Испытания в условиях эксплуатации:
Испытания в условиях эксплуатации применяются для выявления возможных недостатков
в реальных условиях эксплуатации. Испытания проводятся в соответствии с проектом,
утвержденном в установленном порядке.
6 РЕАЛЬНЫЕ ОГРАНИЧЕНИЯ
В отношении границ применения каждого из используемых методов доказательства
безопасности следует отметить следующее.
6.1 Экспертные методы
При проведении анализа рассматривались следующие типы отказов элементной базы:
- резистор – обрыв или увеличение сопротивления,
- твердотельное реле – обрыв, увеличение сопротивления канала,
- излучающий элемент светодиода - обрыв, короткое замыкание, снижение силы света,
- емкость - обрыв, короткое замыкание,
308
- супрессор – обрыв, короткое замыкание,
- полупроводниковый мост - обрыв, короткое замыкание,
- предохранитель – отсутствие обрыва при заданном токе испарения проволоки,
-
не
рассматриваются
короткие
замыкания
проводников
на
плате,
вследствие
некачественного изготовления платы или некачественной сборки элементов.
6.2 Расчетные методы
Расчетные методы применялись для расчета параметров безопасности RSL. При расчете
показателей безопасности использовались справочные параметры элементов и были
приняты следующие допущения:
- в начальный момент времени аппаратура исправна;
- поток отказов является простейшим;
- распределение времени возникновения опасного отказа подчиняется экспоненциальному
закону;
- при расчетах применялся военный стандарт США MIL-HDBK-217F;
- расчеты проводились исходя из наихудшего сочетания параметров
- при расчете отказов принимаются справочные значения параметров элементов,
прилагаемые производителем,
для отсутствующих
данных применялись данные
справочника “Электронстандарт” как заведомо худшие;
- если производителем не заявлена интенсивность отказов, интенсивность считается как
величина обратно пропорциональная средней наработки на отказ;
- наработка на отказ считается как величина обратная интенсивности отказа.
При проведении анализа рассматривались типы отказов элементной базы, рассмотренные
в предыдущем пункте.
6.3 Эксплуатационные испытания
При проведении эксплуатационных испытаний основными ограничивающими факторами
являлись:
- привязка к одному конкретному объекту управления;
- сроки проведения испытаний на действующей станции внедрения;
- отказы специально не имитировались;
- сбор статистических данных об отказах в процессе эксплуатации производится путем
отметок в журнале испытаний в период эксплуатационных испытаний.
7 ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ИСПЫТАНИЙ
Испытания проводятся по программам и методикам предварительных ПМ (Приложение
В), эксплуатационных ПМ1 (приложение Г) испытаний, и испытаний на безопасность,
разработанным ИЛ ЖАТ ПГУПС и утвержденным в установленном порядке:
309
·
ГОСТ Р 50656-2001 - Совместимость технических средств электромагнитная.
Технические средства железнодорожной автоматики и телемеханики. Требования и
методы испытаний.
·
ГОСТ Р 51317.4.11-99 — Совместимость технических средств электромагнитная.
Устойчивость к динамическим изменениям напряжения электропитания. Требования и
методы испытаний.
·
ГОСТ Р 51317.4.5-99 - Совместимость технических средств электромагнитная.
Устойчивость к микросекундным импульсным помехам большой энергии. Требования и
методы испытаний.
·
ГОСТ Р 51317.4.2-99 - Совместимость технических средств электромагнитная.
Устойчивость к электростатическим разрядам. Требования и методы испытаний
8 ХАРАКТЕРИСТИКА ИСПЫТАТЕЛЬНОЙ АППАРАТУРЫ
Перечень контрольно-измерительной аппаратуры и вспомогательного оборудования,
применяемого при испытаниях, приведен в Таблице 5.9.
Таблица 5.9.
Наименование
испытательного
оборудования,
средств измерений,
инструментов
Установка для
измерения
пространственного
распределения силы
света
Спектрометр или
колориметр
фотоэлектрический
Весы
Штангенциркуль
Линейка
измерительная
металлическая
Вибростенд
Ударный стенд
Тип
«Флакс»
Нормативнотехнический
документ
ЛИС001.44410802
. РЭ
«Спекорд»
ЛИС002.44410802
. РЭ.
ГОСТ 2932992
ШЦ-II- 250- ГОСТ 166-89
0,1-1
ГОСТ 427-75
ВЭДС-400
СУ-1
4277-003535197942005 ТУ
Характеристика
Погрешность 3 %.
динамический
диапазон
измерения силы
света от 0,1 до 80
000 000 кд.
Погрешность
измерения коорд.
цветности £ 0,005
Погрешность
измерения ± 5 %
Погрешность ±
0,1мм
Погрешность 0,2
мм
Определяемый
показатель, диапазон
измерений
Сила света до 30000
кд.
Координаты
цветности
Масса: 0,001 – 1,0 кг
Размеры: 0 – 250 мм
Размеры 0 – 1000 мм
Масса нагрузки до Вибростойкость: F= 5
– 100 Гц; G=до 2 g
90 кг.
Расширенный
диапазон частот от
5 до 3500 Гц.
Максимальное
ускорение до 40g
Грузоподъемность Стойкость к ударам:
50кг
длительность
импульсов: 5-40 мс,
ускорение до 6 g
310
Погрешность
поддерживания
температуры ±3°С
Диапазон
температур от
минус 70 до плюс
120°С
Погрешность 2 %
Камера тепла и
Холода
TBV1000/2
или
PG-4G
Климатическая
Камера
KTLK
или
PR-3GM
Испытательный
генератор
электростатических
разрядов (ЭСР)
Испытательный
генератор
наносекундных
импульсных помех
(НИП)
ИСР8000
ГОСТ Р
51317.4.2-99
ИПП4000
ГОСТ
Р 51317.4.4-99
Емкостные клещи
связи
ГОСТ Р
51317.4.4-99
Устройство
связи/развязки
ГОСТ
Р 51317.4.4-99
Комбинированный
испытательный
генератор МИП
Устройство
связи/развязки
ИИП4000
ГОСТ
51317.4.5-99
ГОСТ Р
51317.4.5-99
Стойкость к
воздействию тепла и
холода. Диапазон
температур от минус
60 до плюс 65 °С
Стойкость к
воздействию верхнего
значения
относительной
влажности до 100 %
при t от 25 до 40 0С
Контактный разряд Устойчивость к ЭСР.
Контактный разряд - 6
до 8 кВ;
воздушный разряд кВ; воздушный разряд
- 8 кВ
до 15 кВ
Погрешность
Устойчивость к НИП.
установки
Выходное напряжение:
выходного напр.
2 кВ. Частота
+10%. Длит.
импульсов: 2,5 - 5кГц
импульса. 50нс
+30%. Длит. пачки
импульсов. 15нс
+20%. Период
следования
импульсов 300нс
+20%
Емкость связи: 20- Устойчивость к НИП
50пФ. Проб. Напр.
Изоляции 5кВ
Устойчивость к НИП
Затухание в цепи
связи менее 2 дБ.
Затухание в цепи
развязки более 20
дБ. Диапазон
частот 1 – 100 МГц.
Проб. Напряжение
изоляции не менее
5 кВ
Погрешность.
Устойчивость к МИП.
установки
Пиковое значение
выходного
вых. напр. 2 кВ.
напряжения +10%. Длит. импульса 50 мкс
Интервал между
импульсами не
менее 1 мин
Устойчивость к МИП
Емк. 9-18 мкФ;
индуктивность 1,5
мГн
311
Испытательный
генератор
динамических
изменений
напряжения (ДИН)
сети электропитания
ИП-2
Вольтамперметр
М 1108
Источник питания
постоянного тока
Б5-47
ГОСТ Р
51317.4.11-99
Значение пикового Устойчивость к ДИН.
нагрузочного тока Нагрузочная
не менее 200А.
способность до 3 А
Время нарастания
(спада)
ступенчатого измен.
напр. 1 – 5 мкс.
Период повторения
динамического
изменен. напр. 1 –
20
Предел основной
Ток 0,3 – 30 А;
погрешности ±0,2 напряжение 1,5 – 300
В
%
Выходное
Выходное
напряжение 30 В,
напряжение 11,5 +-10,,05
выходной ток 3 А
В, выходной ток до 1
А
9 ПОДТВЕРЖДЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ
9.2 Подтверждение безопасности RSL
9.2.1 Изменение цвета сигнала
Нормами безопасности, установленными в ТЗ и проекте ТУ, являются границы цветовой
температуры для чипов светодиодов белого цвета.
Критерием опасного отказа является изменение цветовой температуры светодиодной
лампы, приводящее к выходу за границы допустимой области координат цветности для
каждого цвета секции светофора, что может привести к неправильному восприятию
сигнала и уменьшению силы света. Обеспечение безопасности функционирования RSL
за счет изменения координат цветности, достигается малым коэффициентом изменения
доминантной длины волны синего чипа светодиода фирмы Osram Δλ=0,0255 нм/°С, на
основе которого получен белый цвет. Аспект дрейфа цветовой температуры состоит в
следующем.
Критерием опасного отказа является изменение цветовой температуры светодиодной
лампы, приводящее к выходу за границы допустимой области координат цветности для
каждого цвета секции светофора, что может привести к неправильному восприятию
сигнала. Обеспечение безопасности функционирования RSL, достигается малым
коэффициентом изменения доминантной длины волны синего чипа светодиода Δλ=0,0255
нм/°С, на основе которого получено излучение белого цвета (рисунок 1.5.17.).
312
470
Доминирующая длина
волны, нм
469
Ldom
468
Dldom=0,0255 нм/град.C.
467
466
465
Температура,град.C.
464
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
60
Рисунок 5.17. Зависимость диминирующей длины волны синего кристалла светодиода от
температуры окружающей среды.
1
Отн. ед.
0,9
0,8
+55 deg. C
0,7
+20 deg.C
-60 deg.C
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
Длина волны, нм
0
400
412,5
425
437,5
450
462,5
475
487,5
500
512,5
525
Рисунок 5.18. Спектральный состав излучения синего кристалла в зависимости от
температуры окружающей среды.
537,5
550
313
Таким образом, в интервале температур от минус 60 °С до плюс 55 °С, диапазон
изменения доминантной длины волны составит 2,9 нм, что не приведёт к изменению
коррелированной цветовой температуры белого светодиода на его основе. Цветовая
температура белого цвета RSL определяет цветность всех формируемых линзовым
комплектом сигналов, соответственно ни один из сигналов не изменит свою цветность.
Это подтверждается крайне малым изменением спектрального состава излучения
основополагающего синего кристалла при изменении температуры, показанного на
рисунке 5.18.
Графики на рис. 5.18. представлены для одного и того же тока через один излучающий
элемент 270 мА.
В то же время, хорошо известно, что у светодиода с длиной волны в максимуме
спектра 455- 465 нм при плотности тока 20 А/см2 при увеличении плотности тока до 100
А/см2 длина волны в максимуме спектра уменьшается на 3-4 нм. Таким образом, если ток
через диод увеличивается, то одновременно имеют место два эффекта:
1. длина волны в максимуме спектра увеличивается за счёт увеличения температуры
излучающей области элемента;
2. длина волны в максимуме спектра уменьшается за счёт увеличения плотности тока
через элемент.
Эти эффекты взаимно компенсируют друг друга, в результате обеспечивая значение
максимальной длины волны излучения кристалла практически неизменной.
Изложенное подтверждается экспериментальными данными в работе R. Mueller-Mach ,
G. Mueller, M. Krames and T. Trottier, High – Power Converted Light-Emitting- Diodes Based
on lll- Nitrides, на рис.5.19., взятом из этой работы, показано, что при изменении тока
через светодиод в 10 раз (от 100 мА до 1А) спектр белого излучения и, следовательно,
коррелированная
цветовая
температура
не
изменяются.
При
этом,
требуются
воспроизводимые геометрические и оптические характеристики (толщина, состав)
люминофорного покрытия.
314
В
настоящей
разработке
RSL
используются
излучатели,
поставляемые
производителем с уже нанесённым люминофорным покрытием строго определённого
состава и с фиксированной толщиной [129]. Гарантируется, что эффективность
преобразования синего излучения кристалла в излучение люминофора и спектр излучения
люминофора не зависят от температуры окружающей среды в диапазоне рабочих
температур RSL.
Рис.5.19. При правильной конструкции излучающего элемента, его спектр излучения не
изменяется при изменении рабочего тока в широких пределах.
Таким образом, диапазон изменения коррелированной цветовой температуры RSL за
время наработки на отказ во всем диапазоне рабочих температур не приведёт к выходу
цветностей сигналов за пределы, регламентируемые ГОСТ 11946-7
Следовательно, в интервале температур от минус 60 °С до плюс 55 °С, диапазон
изменения доминантной длины волны составит минус 2,17 нм для отрицательных
температур и плюс 0,77 нм для положительных температур, относительно значения длины
волны соответствующего температуре 25 °С, что не приведёт к изменению цветовой
температуры белого светодиода на его основе. Цветовая температура белого цвета RSL
определяет цветность всех формируемых линзовым комплектом сигналов, соответственно
ни один из сигналов не изменит свою цветность. Это подтверждается крайне малым
изменением спектрального состава излучения основополагающего синего кристалла при
изменении температуры (приложение Е). При этом, диапазон изменения цветовой
температуры RSL за время наработки на отказ во всем диапазоне рабочих температур не
приведёт к выходу цветностей сигналов за пределы, регламентируемые ГОСТ 11946-78.
315
9.2.2 Переход сигнального показания из непрерывного режима в мигающий
Несанкционированный переход сигнального показания RSL из непрерывного режима в
мигающий, невозможен, так как RSL не содержит активных или пассивных электронных
компонентов связанных отрицательной обратной связью.
9.2.3 Несанкционированное свечение RSL вследствие утечек переменного тока через
межжильную ёмкость кабеля из цепей управления другими устройствами при удалении
системы от источника электропитания
Поскольку явление емкостных наводок в кабельных сигнальных сетях оказывает
достаточное влияние из-за большой протяженности (более 1000 метров), данный аспект
проблемы
решается
схемотехнически.
Светодиоды
при
наводках
управляются
подключением шунта с помощью твердотельного ключа.
9.2.4 Рассмотрим сценарии возможных отказов элементов RSL.
9.2.4.1 Выход из строя светодиодных излучающих элементов:
1.1. Применяемые светодиодные излучающие элементы.
Светодиодные излучающие элементы фирмы Осрам [2] изготовлены из гетероструктур в
системе GaN с квантоворазмерной активной областью, состоящей из квантовых ям
состава InXGa(1-X)N и барьеров GaN. Гетероструктуры выращены на подложках кремния.
На поверхность светодиодных излучающих элементов нанесено монолитное покрытие из
люминофора на стадии их изготовления. Типичная величина цветовой температуры
генерируемого белого излучения составляет 2400-3500 K.
Величина прямого рабочего тока через светодиодный излучающий элемент, по
требованиям производителя, при температуре 25 0С окружающей среды, должна быть не
более 350 мА. Это значение допускается при условии, что конструкция RSL обеспечивает
требуемый отвод тепла от светодиодных излучающих элементов наружу.
Конструкция корпуса RSL, предлагаемая в настоящей работе, обеспечивает требуемый
отвод тепла во всём рабочем диапазоне температур окружающей среды от минус 60 0С до
плюс 55 0С при токе через светодиодный излучающий элемент 350 мА в нормальных
климатических условиях.
1.2
Особенности
схемы
электрического
соединения
светодиодных
излучающих
элементов.
Основная группа излучающих элементов состоит из 5 светодиодных излучающих
элементов, соединенных параллельно. Резервная группа излучающих элементов состоит
также из 5-ти светодиодов включенных таким же способом (Приложение А). Питание
осуществляется от вторичной обмотки трансформатора переменным напряжением с
частотой 50 Гц. Действующее значение напряжения
на обмотке трансформатора
316
составляет 11,5. В, максимальное обратное значение напряжения на мосту составляет 17
В. Электрическая схема лампы, RSL приведена на рис.5.14.
1.3. Сценарии выхода из строя светодиодных излучающих элементов.
Сборка
излучающих
проволокой
проволоки
элементов
проводится
методом
термокомпрессии
золотой
диаметром 30 мкм. Предельная температура испарения для данной
составляет
1100
что
°C,
предполагает
потребление
определенной
электрической мощности. Превышение потребляемой мощности приводит к испарению
золотой проволоки и излучающий элемент выходит из строя. Допустимое значение
величины тепловой энергии Q доп.=1,5 Дж, выделяемой в светодиоде при его работе в
прямом направлении. Уравнение для перегрева проволоки [3] следующее (5.4.):
∆T = t0/2*(M ρe /cp ρ)*(I0/S)2
(5.4.)
где:
I0 – амплитуда импульса тока;
t0 – длительность импульса тока;
cp – молярная изобарная теплоемкость материала провода;
M – молярная масса материала провода;
ρ– плотность материала провода;
ρe – удельное электрическое сопротивление материала провода;
S – площадь поперечного сечения провода;
Таблица 5.10.
O
Х
О
Х
I,
Х
O
I,
O
I, ток
I, ток
D1
220
50
0
0
0
0
0
0
0
0
D2
220
50
265
62
0
0
0
0
0
0
D3
220
50
265
62
366
80
0
0
0
0
D4
220
50
265
62
366
80
475
104
0
0
D5
220
50
265
62
366
80
475
104
820
125
I,
ток mA
Ток через лампу,
mA.
Суммарный
световой поток
лм
mA
mA
ток
mA
ток
mA
Световой
поток лм
X
5
Световой
поток лм
O
4
Световой
поток лм
Светодиодные
излучающие
элементы
3
Световой
поток лм
O
2
Световой
поток лм
1
1100
1060
1098
950
820
250
248
240
208
180
317
При синусоидальных импульсах частотой 50 Гц и токах на уровне 3-4 А, превышение
температуры для золотой проволоки диаметром 30мкм, может составить около 1450 °C.
Воздействие на RSL нано-секундных импульсов с амплитудным значением 4 кВ не может
вызвать изменений в параметрах RSL, поскольку превышение температуры материала
проволоки составляет порядка 100 °C. Микросекундные импульсы с амплитудным
значением до 4 кВ вызывают испарение золотой проволоки, как и резкое изменение тока
до 2 А синусоидальных колебаний частотой 50Гц. Поэтому основной причиной выхода из
строя излучающих элементов, можно считать «обрыв» проволоки, Таблица 5.10.
Примечание. За единицу светоотдачи взята сила света при токе 350 мА через излучающий
элемент, Х - отказавшие элементы. Так как световой модуль представляет систему
параллельных связей светодиодов, то выход из строя отдельных светоизлучающих
элементов не может изменить общий ток и светоотдачу в целом, и как следствие этого,
данный тип отказа не может быть обнаружен огневым реле. Неконтролируемая потеря
свечения, соответствует выходу из строя четырех из пяти элементов находящихся в
нагрузке моста, а выходная мощность светового излучения светодиодной матрицы
изменится на 30 % от начальной мощности излучения.
9.2.4.3 Прогнозирование срока службы.
Теоретическое обоснование прогнозирования срока службы светодиодов на основе GaN
гетероструктур было предложено в работе [8], и в дальнейшем развито в кандидатской
диссертации [9]. Экспериментально в
работах многих исследователей [10-14], было
установлено, что на начальном временном интервале наработки GaN светодиодов,
длящимся от нескольких сотен до нескольких тысяч часов, световой поток Ф, как правило,
монотонно возрастает, а затем монотонно падает. Монотонный рост Ф, по-видимому,
обусловлен частичным отжигом дефектов гетероструктуры, возникающих в процессе её
эпитаксиального выращивания. Монотонное падение величины светового потока со
временем наработки светодиода обусловлено увеличением концентрации центров
безизлучательной рекомбинации в активной квантоворазмерной области. Это падение
сопровождается увеличением обратного тока светодиода. Зависимость светового потока
Ф(t) от времени наработки в часах хорошо описывается выражением:
Ф(t)= Ф(0h)*exp((-J)*µ*t)
(5.5.)
где: J-плотность тока, А/cm2; t-время наработки, h – постоянная Планка; µ- коэффициент,
описывающий скорость деградации, см2*А-1*ч-1, Ф(t)-световой поток через время
наработки t, Ф(0h)- световой поток в начале падающего участка зависимости , lm.
Величина µ зависит от трёх принципиальных факторов: специфики технологии эпитаксии
гетероструктуры, конструкции светодиода и температуры окружающей среды при
318
наработке. Экспериментально фактор деградации светодиода µ можно определить по
формуле:
µ = - ln [Ф (t2)/ Ф (t1)]/ J*(t2- t1)
(5.6.)
где: Ф(t1) – световой поток через время наработки t1, Ф(t2) – световой поток через время
наработки t2 ,J-плотность тока, А/cм2.
Таким образом, зная величину µ для светодиодов данной конструкции, изготовленных
из данных исходных гетероструктур по формуле (5.4.) можно рассчитать прогнозируемый
срок службы.
Для иллюстрации изложенного можно привести следующие данные: у синих светодиодов
MBrightTM Direct Attach DA1000™ LEDs
на гетероструктурах, выращенных на
подложках карбида кремния [13] (фирма Cree), величина µ =(0.1-0.3)10-7см2*А-1*ч-1, что
обеспечивает при плотности рабочего тока
J=100. А/cм2 и температуре окружающей
среды 25 °С уменьшение светового потока за 50000 часов наработки всего лишь на 1520%.
У
светодиодов
на
гетероструктурах,
выращенных
на
подложках
сапфира,
теплопроводность которых значительно меньше, чем теплопроводность карбида кремния,
величина µ =(2-3) 10-7см2*А-1*ч-1 и при тех же условиях наработки уменьшение светового
потока за 50000 часов составляет 40-50 %.
Светодиоды в разрабатываемой лампе на основе чипов, в которых гетероструктура
выращена на кремниевой подложке с теплопроводностью 149 Вт/мК,
плотность тока
составляет всего лишь J = I/S p-n = 35 А/cм2 при рабочем токе 350 мА. Следовательно,
следует ожидать, что срок службы лампы будет значительно выше при токах 220мА
через чип предусмотренных в ТЗ.
9.2.4.4 Возможные виды и причины опасных отказов.
9.2.4.4.1 Потеря выпрямляющих и излучающих свойств прямо смещённых светодиодов,
включённых в цепочку параллельно
Возможная причина – возникновение закоротки между выводом к верхнему контакту чипа
и нижним контактом к чипу (золотая проволока касается медной подложки или слоя
токопроводящего клея /эвтектики). Эта причина является следствием некачественной
сборки чипов в конструкции лампы и не должна быть допущена на стадии её
изготовления.
В целом можно считать, что при условиях качественной сборки чипов в лампе и
соблюдении требуемых режимов её эксплуатации этот вид отказа крайне маловероятен.
9.2.4.4.2 Тепловой (необратимый) пробой светодиодов.
В процессе наработки, как указывалось в пункте 9.2.4.3.,
происходит медленная
деградация светодиодов, сопровождающаяся увеличением обратного тока. Предположим,
319
что у одного из диодов величина обратного тока Iобр. становится значительно меньше,
чем у остальных диодов в цепочке. Тогда именно на этом светодиоде будет падать
основная часть обратного напряжения Uобр., приложенного к цепочке. Если тепловая
мощность Р = Uобр.× Iобр., выделяемая на светодиоде, превысит допустимую величину
Рдоп. (для предлагаемой конструкции лампы Рдоп.=1,5Вт на чип), диод выйдет из строя.
9.2.4.4.3 Воздействие внешнего электростатического заряда.
Считается, что выход светодиода из строя происходит только при попадании
электростатического заряда смещающего светодиод в обратном направлении [15].
Проведём оценку эффекта при следующих условиях:
- напряжение электрического пробоя Uэ..пр.=4000 В;
- последовательное сопротивление диода в режиме пробоя Rпосл.=1ом;
- длительность разряда t=50нс.
Тогда выделяемая тепловая энергия составит:
Q = (U2эл.пр./ R 2посл.) × t=16*106×50*10-9=8*10-1 Дж.
При допустимой величине тепловой энергии Qдоп.=1,5Дж, выделяемой в светодиоде при
его работе в прямом направлении, выход его из строя крайне маловероятен.
Для
микросекундных импульсов выделяемая тепловая энергия составит:
Q = (U2эл.пр./ R 2посл.) × t=16*106×10*10-6=160 Дж.
При допустимой величине тепловой энергии Qдоп.=1,5 Дж, выделяемой в светодиоде при
его работе в прямом направлении, выход его из строя гарантирован. Предусмотренное
схемой применение супрессоров должно предохранить линейку светодиодов и всю схему
в целом от выхода из строя.
Определим вероятность безотказной работы элементов схемы RSL за время
t.
Основными элементами схемы RSL - являются излучающие элементы светодиодов,
резисторы, конденсаторы, твердотельные реле, супрессора и предохранители (таблица
5.11.). В представленной схеме электронные элементы соединены как параллельно, так и
последовательно.
Таблица 5.11.
Перечень элементов лампы RSL
Позиционное Наименование
обозначение
Предохранитель
FU1
157000.1.5
Резисторы
R1,
1,5кОм±5%
R2R3,
3,9Ом±5%
R4
4,7Ом±5% 25Вт
Конденсаторы
Количество
1
1
2
1
320
C1,C2
D1
VD2
VD3-VD7
VD1
47μFX5R16V
Оптореле
LCD710S
Диоды
DI208S
LEDB-5170
Супрессор
5KP15CA
2
1
1
5
1
1
Переменное или постоянное питания 11,5+0,5-1,0 Вольт, подается на входные клеммы
лампы RSL. Супрессор VD1 ограничивает выбросы напряжения, на входе лампы начиная
от 18,5В, а также служит для защиты при воздействии наносекундных и микросекундных
импульсных помех. Предохранитель FU1 обеспечивает защиту от перехода лампы в
предельное состояние, которое может приводить
к последствиям катастрофического
характера, при любом выходе из строя элементов схемы. Переменное входное напряжение
выпрямляется диодным мостом VD2. Светоизлучающая линейка, состоящая из чипов пяти
светодиодов включенных параллельно и имитирующая нить накала лампы. Резистор R4
ограничивает ток через лампу на уровне 1,2 А при напряжении на лампе 11,5 Вольт. При
снижении входного напряжения до 8,4 В ток через лампу снижается до 0,72 А, что
обеспечивает устойчивую работу реле АОШ2-180/0,45. Резисторы R2,R3 являются
шунтами обеспечивающие отсутствие свечения лампы RSL, включенных последовательно
с оптореле D1, вследствие утечек переменного тока через межжильную ёмкость кабеля из
цепей управления другими устройствами при удалении от источника электропитания до 3
км.
9.2.4.4.4 Перечень возможных опасных отказов RSL.
1.Пробой увеличение сопротивление резисторов R1,R2,R3, R4 и одновременное
несрабатывание плавкого предохранителя FU1.
2. Пробой (короткое замыкание) моста VD2 и одновременное несрабатывание плавкого
предохранителя FU1.
3.Пробой (короткое замыкание) конденсаторов C1,C2 и одновременное несрабатывание
плавкого предохранителя FU1.
4. Пробой (короткое замыкание) светодиодов и одновременное несрабатывание плавкого
предохранителя FU1.
5. Пробой (короткое замыкание) оптореле D1 и одновременное несрабатывание плавкого
предохранителя FU1.
6. Пробой (короткое замыкание) супрессора VD1
плавкого предохранителя FU1.
и одновременное несрабатывание
321
9.2.4.4.5 Расчет вероятности опасных отказов и надёжность RSL.
Исходная формула для определения вероятности безотказной работы P(t)RSL имеет вид:
P(t)RSL = 1 – ПNk(1 – e-λRSL*t)
(5.7.)
Где λRSL интенсивность опасного отказа лампы RSL в целом, и определяется формулой:
λRSL = λ1 + λ2 + λ3 + λ4 + λ5+ λ6
(5.8.)
где λ1 – λ6 - интенсивности опасных отказов соответствующих событий. Значения
интенсивности опасных отказов элементов схемы приведены в Приложении Ж.
Расчет λ1
P(t)R = e- λ1*t = 1- {1 – P(t)R4}*{1 – P(t)FU1}
(5.9.)
где P(t)R4 – вероятность безотказной работы за время t, резистора R4,
P (t)FU1 - вероятность безотказной работы за время t, плавкого предохранителя FU1.
Преобразуем (5.9.) в вид:
P(t)R = 1- {1 –e- 1,4*10-8*5*10 4}*{1 –e-1,0*10 -8*5*10 4}
Откуда
(5.10.)
λ1 = 1,4*10-12 1/час
Соответственно расчетам интенсивности опасных отказов соответствующих событий
равны:
λ2 = 2,55*10-13 1/час
λ3 = 9,50*10-15 1/час
λ4 = 6,55*10-14 1/час
λ5 = 7,00*10-13 1/час
λ6 = 2,55*10-13 1/час
Общая интенсивность опасных отказов равна λRSL = 2,68*10-12 1/час,
что соответствует заданному уровню безопасности.
10 ВЫВОДЫ
Светодиодная
лампа
соответствуют
RSL
требованиям
технического
задания,
обеспечивают необходимый уровень безопасности и может быть использована для
применения в устройствах
железнодорожной автоматики и телемеханики систем
безопасности движения поездов.
5.2.2. Расчёт корригирующего фильтра лампы ЖСС
Как было указано ранее, линзовый комплект (ЛК) ЖД светофора состоит из оптической
системы
из
2-х
линз
Френеля
(одна
из
которых
является
светофильтром
соответствующего цвета) и источника света, находящегося в фокусе системы. И если
322
производить замену источника без каких – либо доработок этой системы, то новый
источник света должен иметь абсолютно идентичный первому спектр излучения, потому
как светофильтры сигнальных цветов рассчитаны с учётом его и в противном случае
будет нарушена результирующая цветность сигнала, что абсолютно неприемлемо.
Поэтому, соблюдая условие прямой замены одного источника (лампы накаливания)
другим (ЖСС) без иных усовершенствований оптической системы, необходимо
скорректировать спектр излучения последнего до такого вида, когда не будет иметь
значения, в ЛК какого цвета сигнала будет установлена лампа ЖСС, как это сейчас
происходит с лампой накаливания [116]. Однако также не имеет смысла корректировать
спектр ЖСС до такой степени, чтобы он полностью совпадал со спектром лампы
накаливания (хотя, это вполне возможно), иначе спектр излучения светодиодов ЖСС
потеряет некоторые преимущества по значительно большей силе света отдельных цветов
сигналов. Исходя из сказанного, был рассчитан специальный светофильтр, характеристика
пропускания которого обеспечивала все указанные функции и позволила лампе ЖСС быть
установленной в любой вариант существующего ЖД светофора (мачтового, карликового,
любого цвета сигнала), и, что самое важное, не изменять свои характеристики во всём
диапазоне температур эксплуатации в течение длительного времени (десятки лет),
поскольку и данный фильтр, и линзовый комплект являются исключительно пассивными
элементами, в которых нет изнашиваемых деталей. Одновременно, в процессе расчёта
был скорректирован выбор такого сочетания системы излучающий кристалл –
люминофор, которое наиболее удачно подходило бы для данной задачи. По сути,
результаты расчёта корректирующего фильтра и определили выбор колориметрических
(спектральных) характеристик необходимого для ЖСС источника в виде синего
кристалла, покрытого люминофором с заданными параметрами излучения.
Порядок расчёта подразумевал следующую последовательность.
1. Измерение характеристик пропускания
 с ветофильтров линзового комплекта, а также
всего ЛК в сборе в диапазоне 300 – 830нм. Выполняется с помощью установки «Спекорд»
с разрешением 0,5 нм.
2. Измерение спектральной характеристики Ф(l) излучения светодиодов ЖСС с заливкой
кремнийорганическим гелем и без неё.
3. Свёртка полученных функций спектрального распределения и оценка результирующей
цветности и силы света сформированных сигналов (5.11.):
X(l) = Ф(l)*r(l)
(5.11.)
4. Поскольку характеристики пропускания фильтров синего, и зелёного сигналов мало
пересекаются с характеристиками красного и жёлтого, а значит, взаимное влияние вида
323
этой характеристики на эти группы цветов будут минимальны, определение формы
корректирующего фильтра было разбито на 2 поддиапазона: 1-ый: 360 – 550 нм и 2-ой:
550 – 830 нм.
5. Далее, из соображений максимальной световой эффективности системы кристалл –
люминофор, было определено, что базовым для формирования необходимого спектра
излучения светодиодов лампы ЖСС должен быть излучающий кристалл с пиковой длиной
волны порядка 440 нм. Это обстоятельство особенно важно для корректного
формирования цветности сигналов 1-го поддиапазона. Анализ рынка излучающих
кристаллов такого диапазона показал, что наиболее приемлемыми для такого
использования будут кристаллы компании «Osram» выращенные на подложках из карбида
кремния и покрытые люминофорной смесью, формирующей коррелированную цветовую
температуру излучения порядка 2700 – 2900 К. Вид спектрального распределения показан
на рисунке 5.20.
Normalized Intensity vs. Wavelength.
0,9
0,8
Normalized Intensity
1
Spatial radiation pattern
Lmax
Lcentroid
L1(SLHW)
L2(SLHW)
Level 0,5
Ряд7
Ряд8
0,7
0,6
0,5
432,5
664
0,4
0,3
0,2
0,1
Wavelength (nm)
0
300 325 350 375 400 425 450
475 500 525
604,00591,50
550 575 600 625 650 675 700 725 750 775 800 825 850
875 900 925
950
Рисунок 5.20. Спектральное распределение выбранного кристалла с люминофором
компании «Osram».
Однако из-за большой разницы коэффициентов преломления кристалл – воздух (3,5-1) и
кристалл – кремнийорганический гель – воздух (3,5-1,4-1), спектральный состав
излучения несколько изменяется при нанесении геля.
324
Увеличивается доля синего, поскольку его часть, излучаемая боковыми гранями
кристалла, хоть и невелика, но при условии изменения коэффициента преломления
кристалла относительно воздуха через гель, свободно выходит в направлении основного
потока излучения. Отсюда, показанное спектральное распределение получается таким, как
показано на рисунке 5.21.
0,9
0,8
Относительные ед.
1
Spatial rad iation pattern
Lmax
Lcentroid
L1(SLHW)
L2(SLHW)
Level 0,5
Ряд7
Ряд8
0,7
0,6
0,5
428,5
660,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
437,50
300 325 350 375 400 425 450
Длина волны (nm)
475
500
525
550
575
594,00
600 625 650 675 700 725 750 775 800 825
850
875
900
925
950
Рисунок 5.21. Спектральное распределение выбранного кристалла с люминофором с
нанесённым кремнийорганическим гелем.
Коррелированная цветовая температура результирующего излучения увеличивается
приблизительно на 500 К и становится порядка 3400 К. Это спектральное распределение и
является исходным для расчёта корригирующего фильтра, а изначальное спектральное
распределение – для формирования требований к излучающим кристаллам.
6. В последующем шаге оценивается работа выбранного источника, спектральное
распределение которого показано на рисунке 5.21. совместно с линзовыми комплектами и
формируется обратная задача для устранения полученного несоответствия по цветности.
По (5.12) рассчитывается результирующее спектральное распределение X(l)i каждого i-го
сигнала с учётом характеристики пропускания r(l)i соответствующего цвета.
X(l)i = Ф(l)*r(l)i
(5.12.)
Координаты цветности рассчитываются по методике, изложенной в п. 4.2.3. методики,
описанной в п.5.2. работы. Результат работы лампы в таком виде со всеми цветами
сигналов показан на рисунке 5.22. Здесь и далее – на всех рисунках, где указано
325
положение координат цветности сигналов на равноконтрастном графике МКО-31, зоны
цветности сигналов, регламентированные [35] обозначены мелким пунктиром.
0,5
580
585
0,45
590
495
0,4
595
опорный
источник
4500
600
605
0,35
610
615
620
625
630
635
8000
0,3
490
700
20000
0,25
485
0,2
0,15
480
0,1
475
470
0,05
465
460
455
Рисунок
0
5.22.
0
Положение
400
0,05
0,1
0,15
координат
0,2
0,25
0,3
цветности
0,35
0,4
0,45
полученных
0,5
0,55
0,6
сигналов
0,65
0,7
на
0,75
равноконтрастном графике МКО-31.
Можно заметить, что все цвета или вообще не попали в соответствующую
регламентированную зону, или находятся на её краях. Это ещё раз подтверждает
необходимость указанной коррекции спектра.
7. Далее рассчитывается корректирующая часть сигналов 1-го поддиапазона К(l)1, где для
отправного
множителя
в
(5.12),
определяется
разница
между
спектральным
распределением сигнала светофора, обеспечивающего требуемую цветность Ф(l)ЛН
(например, при использовании штатного для ЛК источника – лампы накаливания - ЛН) и
полученным по (5.13), (5.14):
К(l)1i= Ф(l)ЛН - X(l)i
(5.13.)
После нормирования коэффициента, рассчитанного по (5.13), формула (5.12.) приобретает
вид (5.14.).
Xк(l)i = Ф(l)*К(l)1i *r(l)i
(5.14.)
326
Таким образом, поправка для получения заданной цветности сигнала (это и есть
соответствующий участок характеристики корригирующего фильтра) определяется
решением обратной задачи (5.15.):
r(l)1i = 1/К(l)1i
(5.15.)
Далее рассчитываются коэффициенты и для 2-го поддиапазона. Затем соответствующие
участки диапазонов «сшиваются» с усреднением значений на границах и проверяется
взаимное влияние полученных характеристик пропускания в одном общем светофильтре.
8. Показателем корректности проведённых расчётов оказывается соответствие требуемым
координатам цветности лунно-белого сигнала, светофильтр которого затрагивает
практически весь видимый диапазон. Пример полученного спектрального распределения
этого сигнала с рассчитанным корректирующим фильтром показан на рисунке 5.23.
В результаты описанных расчётов и дополнительных поправок в форму корректирующего
фильтра, полученная характеристика пропускания позволяет использовать в лампе ЖСС
светодиодные источники с коррелированной цветовой температурой в диапазоне 2600 –
3200 К [92]. Её вид показан на рисунке 5.24., а результирующее положение всех
координат цветности сигналов – на рисунке 5.25. Можно заметить, что с применением
указанной характеристики все сигналы соответствуют [18,98] по цветности, а значения
силы света ЛК существенно превышают минимальные, регламентированные в том же
стандарте ввиду значительно большей доле полезного сигнала в спектре светодиода
относительно ЛН.
1,05
1
фильтр л-б ЛК
5306,40
Корр.фильтр
0,95
0,9
0,85
опорн.источник
0,8
0,75
0,7
0,65
0,6
0,55
0,5
0,45
0,4
0,35
0,3
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
0
350
а)
375
400
425
450
475
500
525
550
575
600
625
650
675
700
725
750
775
800
825
850
327
Y
0,44
Цветовой график МКО-31
ЖД лунно-белый
Сигнал
0,42
0,4
0,38
0,36
0,34
0,32
0,3
X
0,28
0,25
0,275
0,3
0,325
0,35
0,375
0,4
0,425
0,45
0,475
0,5
б)
Рисунок 5.23. а) - Спектральное распределение лунно-белого сигнала при условии
применения корректирующего фильтра и лампы ЖСС. Обозначения характеристик
фильтров и кривые результатов свёртки с ними сигналов приведены на сноске. Цифрой
обозначена коррелированная цветовая температура полученного сигнала, б) – положение
координат цветности относительно регламентируемого участка графика МКО-31.
100
%
90
80
70
60
50
40
30
20
10
нм
0
400
450
500
550
600
650
700
Рисунок 5.24. Характеристика пропускания корректирующего фильтра.
750
800
328
575
0,5
580
585
0,45
590
495
0,4
595
4500
опорный
источник
600
605
0,35
Y
610
615
620
625
630
635
8000
0,3
490
700
20000
0,25
485
0,2
0,15
480
0,1
475
470
0,05
465
460
455
Х
400
0
0
Рисунок
0,05
0,1
5.25.
0,15
0,2
0,25
Положение
0,3
0,35
координат
0,4
0,45
0,5
цветности
0,55
0,6
полученных
0,65
0,7
0,75
сигналов
на
равноконтрастном графике МКО-31 с применением фильтра.
Колориметрические параметры полученных сигналов и требуемых по стандарту
приведены в таблице 5.12.
Таблица 5.12.
Колориметрические параметры полученных сигналов
ГОСТ
Лампа
Красный
Зелёный
Жёлтый
Синий
Л-Б
Красный
Зелёный
Жёлтый
Синий
Л-Б
X
0,4613
0,7135
0,2189
0,6343
0,1690
0,3666
X
0,7082
0,2065
0,5782
0,1616
0,3371
Y
0,4106
0,2850
0,4501
0,3653
0,1023
0,3751
Y
0,2894
0,4361
0,4158
0,0754
0,3489
Z
0,1281
0,0015
0,3310
0,0004
0,7287
0,2583
Z
0,0025
0,3573
0,0060
0,7630
0,3140
Ldom/Tc
2669,26
636,01
508,33
592,34
466,55
4373,65
Ldom/Tc
632,34
502,56
591,22
464,31
5306,40
329
5.3. Оценка катафотного эффекта. Разработка методики по определению требований
к отражающим характеристикам светооптических систем
В настоящее время в области железнодорожной сигнализации разработаны, проходят
эксплуатационные испытания и внедряются на сети железных дорог системы
светооптические светодиодные (ССС) мачтовых и карликовых железнодорожных
светофоров.
Эксплуатационные испытания опытных образцов ССС железнодорожных светофоров
[97], проводимые ранее, показали, что у ССС синего и красного цветов карликовых
светофоров при освещении низко стоящим зимним солнцем возможно изменение цвета
запрещающего сигнала на разрешающий сигнал, а у ССС мачтовых светофоров от
освещения ночью лобовым прожектором локомотивов и других подвижных единиц
железнодорожного транспорта возможно свечение отраженным светом.
Эти эффекты квалифицируются как опасные отказы в технических условиях на системы
светооптические светодиодные и в проекте разрабатываемого в настоящее время ГОСТ Р
«Системы
светооптические
светодиодные
для
железнодорожной
светофорной
сигнализации. Технические требования и методы контроля» [98].
В настоящее время нет нормативных документов, регламентирующих светоотражающие
характеристики светооптических систем железнодорожных светофоров.
Основная задача исследований заключается в определении количественных характеристик
светоотражающих свойств ССС для исключения влияния отраженного светооптическими
системами света на изменение цветности запрещающих сигналов.
Разработанные
обеспечить
на
основе
выполнение
исследований
требований
светотехнические
безопасности
при
требования
позволят
производстве
ССС
железнодорожных светофоров.
В процессе проведения исследований должны быть выполнены:
- подготовка исходных данных для применения в расчетах и экспериментах (определение
широт расположения светофоров, интенсивности и цветности солнечного излучения для
этих широт, выбор высоты и азимута расположения солнца и т.д.);
- аналитические расчёты интенсивностей возможных отраженных излучений и изменения
цветности сигналов ССС;
- лабораторные измерения характеристик отражения ССС различных производителей и
исследование влияния отраженного света на изменение цветности их сигналов;
- натурные исследования восприятия изменения цветности запрещающих сигналов
различных ССС при засветке солнечным светом.
1 Общие положения и цели.
330
Целью исследований катафотного эффекта является определение светотехнических
требований к отражающим характеристикам светооптических систем железнодорожных
светофоров, в том числе светодиодных.
Результаты
исследований
могут
быть
применены
при
разработке
стандарта,
регламентирующего технические требования к системам светооптическим напольных
сигнальных приборов железнодорожного транспорта, а также использованы при
разработке и оценке корректности расчётов проектируемых устройств сигнализации.
Внедрение результатов исследований должно привести к повышению безопасности
движения
за
счет
обеспечения
требуемой
дальности
видимости
и
надежного
распознавания цвета сигналов ССС и других светооптических систем железнодорожных
светофоров.
Изменение цветности запрещающего сигнала светодиодной светооптической системы
светофора возможно из-за отражения прямого солнечного излучения от компонентов ССС
(от поверхности кристаллов светодиодов, от элементов оптической системы и др.).
Отраженный солнечный свет, смешиваясь с излучением ССС, может изменить цветность
сигнала ССС, который может неправильно восприниматься машинистом, то есть
возникает ложный сигнал [111,134].
Кроме того, на негорящей ССС может зажечься ложный сигнал из-за отражения
постороннего света от элементов ССС, особенно при наличии цветных светофильтровлинз или защитных стекол.
Возникновение этих эффектов возможно, как правило, при падении солнечного света по
оптической оси ССС или под небольшими углами к ней.
Интенсивность и цветность солнечного излучения, изменяющие цветность сигнала ССС,
зависят от времени года и суток, астрономической широты и расположения солнца
относительно светофора.
Интенсивность и цветность ложного сигнала зависят как от соответствующих
характеристик солнечного излучения,
так и от
интегральных и
спектральных
характеристик коэффициентов отражения элементов ССС.
Исследования влияния отраженного света на цветность сигнала необходимо проводить в
следующей последовательности:
– проанализировать расположение массива железных дорог по астрономическим широтам
и выбрать широты, для которых будут проведены исследования;
– для выбранных широт проанализировать зависимости изменения интенсивности и
цветности солнечного излучения от времени года и суток;
331
– провести аналитические расчёты возможного изменения цветности запрещающих
сигналов ССС в зависимости от сочетания характеристик солнечного излучения и
коэффициентов отражения ССС;
– провести лабораторные исследования характеристик отражения ССС различных
производителей;
– оценить возможные изменения цветности сигналов ССС и дальность действия ложных
сигналов горящих ССС;
– провести натурные исследования восприятия цветности сигналов ССС и дальности
действия ложных сигналов негорящих ССС различных производителей;
– по результатам вышеперечисленных работ сформулировать требования к предельным
значениям коэффициентов отражения ССС.
Предварительно для разработки требований к характеристикам коэффициентов отражения
ССС необходимо задать допустимые пределы дальности действия и цветности ложного
сигнала.
Предел дальности действия должен быть задан для ложных сигналов, возникающих на
негорящих ССС. Предел дальности действия – это максимальное расстояние наблюдения
сигнала, начиная с которого видно свечение негорящей ССС при посторонней засветке, то
есть при наблюдении с большего расстояния свечения негорящей ССС не должно быть
видно. В проводимых исследованиях заданный предел дальности действия будет
определен на этапе предварительных исследований при анализе условий засветки ССС на
железных дорогах.
Предел по цветности должен быть задан для горящих сигналов, цвет которых может
измениться при посторонней засветке. Пределом изменения цветности должно быть такое
изменение координат цветности сигнала ССС, при котором они не выходят из
нормируемых областей цветностей, приведенных в проекте ГОСТ Р «Системы
светооптические
светодиодные
для железнодорожной
светофорной
сигнализации.
Технические требования и методы контроля» и в технической документации на ССС.
В исследованиях должны быть рассмотрены ССС красного, желтого и синего цвета, в том
числе и с цветными защитными стеклами, а также существующие линзовые комплекты с
опытным образцом лампы со светодиодами белого цвета.
Допустимое значение коэффициента отражения должно быть определено для ССС в
целом, с учетом отражения от защитного стекла, от элементов оптики светодиодов, от
поверхности кристаллов светодиодов и т.п.
Предварительные исследования
2
При подготовке к исследованиям должны быть проведены предварительные
работы:
332
- анализ расположения железных дорог России по географическим широтам и
выбор широт, для которых будут проведены исследования;
- определение диапазона углов падения солнечного света на ССС;
- определение диапазона высот солнца, при которых возможна засветка ССС;
- определение зависимости изменения интенсивности и спектрального состава
солнечного излучения от времени года и суток для выбранных высот солнца и
географических широт;
- выбор параметров источников посторонней засветки, создающих наиболее
трудные условия восприятия сигнала ССС;
- измерение силы света и спектрального состава излучения ССС красного, синего и
желтого цвета разных производителей;
- измерение спектральных характеристик отражения элементов ССС разных
производителей;
- измерение спектральных характеристик пропускания цветных светофильтровлинз линзовых комплектов светофоров и защитных стекол ССС.
3
Аналитические расчеты по определению допустимых отражающих
характеристик ССС
В процессе аналитических расчетов должны быть определены предельные
характеристики коэффициентов отражения ССС, при которых фотометрические и
колориметрические параметры сигналов ССС при засветке посторонним светом
соответствуют нормируемым значениям, а дальность видимости ложных сигналов,
возникающих при засветке негорящих ССС, не превышает заданного предела.
Таким образом, должны быть рассмотрены два варианта влияния отраженного
света на восприятие сигналов светофора: при выключенном и включенном сигнале CCC
светофора.
4.1. Порядок проведения расчётов при выключенном сигнале ССС
4.1.1 Для оценки отражающих свойств ССС рассчитывается допустимая сила света
I ложного сигнала с дальностью действия L по формуле:
I=
L2 × E П
t L×10
где
-3
(5.16.),
L - дальность видимости сигнала, равная допустимой дальности
действия, м;
E П - значение пороговой освещенности на зрачке глаза наблюдателя, зависит от
цвета воспринимаемого сигнала и его углового размера, лк; при изменении углового
размера видимого огня значение E П умножается на поправочный коэффициент;
333
t - коэффициент пропускания атмосферы на 1 км.
Расчет должен быть произведен для ССС с разными размерами светового
выходного отверстия, что соответствует системам мачтовых и карликовых светофоров, а
также, в случае наличия цветных линз или защитных стекол, для ССС разных цветов.
Если ССС не содержит цветных оптических элементов, то в расчете используется
значение пороговой освещенности для белого цвета.
4.1.2 Значение функции спектрального распределения силы света отражённого
постороннего излучения
I отр ( λ) рассчитывается по формуле:
I отр (l ) = I пад (l ) × r (l )
I пад (l )
где
-
(5.17.),
спектральное
распределение
силы
света
падающего
излучения,
r (l ) - спектральная характеристика коэффициента отражения элементов ССС.
Интегральный коэффициент отражения
r с учётом нелинейности спектральной
характеристики отражающей поверхности будет иметь вид:
ò
r=
I
(l ) × r (l )dl
ò
I пад (l )dl
830
360 пад
830
360
(5.18.).
4.1.3 В случае неселективности отражательной характеристики ССС сила света
отражённого излучения I отр оценивается по формуле:
I отр = r × I пад
где
I пад - сила света падающего излучения, кд.
Соответственно, коэффициент отражения
r=
(5.19.),
I отр
I пад
r будет равен:
(5.20.).
Максимально допустимое значение коэффициента отражения будет получено при
равенстве силы света отражённого излучения I отр допустимой силе света I ложного
сигнала, рассчитанной по формуле (5.16).
Вышеуказанным способом должны быть определены максимально допустимые
значения коэффициентов отражения ССС с бесцветными оптическими элементами для
любых углов падения света.
334
При наличии в ССС цветных оптических элементов (например, защитных стекол)
необходимо приравнивать I отр = I , рассчитанной по формуле (1) для сигнального огня
соответствующего цвета.
4.1.4 Для линзовых комплектов с опытным образцом лампы со светодиодами
белого цвета также должна быть учтена характеристика пропускания светофильтров-линз
соответствующих цветов линзовых комплектов. При наличии отражения посторонней
засветки от внутренних элементов лампы возможно возникновение ложного сигнала
правильной цветности на негорящем светофоре.
Спектр падающего излучения, преобразованный линзовым комплектом, будет
иметь вид спектрального распределения силы света, определяемого по формуле:
I л (l ) = I пад (l ) ×t 2 (l )
где
(5.21.),
t (l ) - спектральная характеристика коэффициента пропускания
светофильтра-линзы комплекта.
Сила света цветного сигнала, отражённого от источника света и прошедшего через
линзовый комплект будет равна:
I отр. л = r л ò I л (l )dl
830
360
где
(5.22.),
r л - коэффициент отражения поверхности светодиодной лампы.
В результате, сила света суммарного излучения, отражённого от ССС на основе
линзового комплекта, будет:
I = ρлк
I пад + I отр . л
где
r лк - коэффициент отражения поверхности внешней бесцветной линзы
(5.23.),
Френеля комплекта.
Из формулы (8) при равенстве силы света суммарного излучения отражённого от
ССС силе света, рассчитанной по формуле (5.16.) для цветного сигнального огня,
определяют допустимое значение коэффициента отражения поверхности светодиодной
лампы.
4.2 Порядок проведения расчётов при включенном сигнале ССС
4.2.1 Для оценки отражающих свойств ССС в этом случае должны быть заданы
предельные области цветности, в которых должны находиться координаты цветности
излучения ССС при засветке посторонним светом. Как ранее было принято,
колориметрические параметры сигналов ССС не должны выходить из нормируемых
областей цветности, приведенных в проекте ГОСТ Р «Системы светооптические
335
светодиодные для железнодорожной светофорной сигнализации. Технические требования
и методы контроля».
В связи с тем, что излучения с одинаковыми координатами цветности могут иметь
различные спектральные характеристики, определить допустимую форму спектрального
распределения
излучения
не
представляется
возможным.
Поэтому
определение
допустимых значений коэффициентов отражения должно проводиться методом подбора
количественного значения отраженного света.
4.2.2 Значение функции спектрального распределения силы света суммарного
излучения I (l ) ассчитывается по формуле:
I (l ) = I изл (l ) + I отр (l )
(5.24.),
I изл (l ) - спектральное распределение силы света излучения ССС,
где
I отр (l ) - спектральное распределение силы света отражённого сигнала засветки,
рассчитанное по формуле (2), в которой значение коэффициента отражения должно быть
взято из заранее заданного диапазона. Для простоты оценки, если коэффициент отражения
не зависит от длины волны, вместо спектральной характеристики коэффициента
отражения
r (l ) можно задать интегральный коэффициент отражения r .
4.2.3 Координаты цветности суммарного излучения x, y рассчитываются по
формулам:
ò I (l )× X (l )dl
x=
ò I (l )× X (l )dl + ò I (l ) × Y (l )dl + ò I (l ) × Z (l )dl
830
830
360
830
830
360
360
360
ò I (l ) × Y (l )dl
ò I (l ) × X (l )dl + ò I (l ) × Y (l )dl + ò I (l ) × Z (l )dl
(5.25.),
830
y=
где
830
360
830
830
360
360
360
(5.26.),
X (l ) , Y (l ) , Z (l ) - функции сложения МКО 1931.
4.2.4 Значения полученных координат цветности сравниваются с нормируемыми
значениями, и несколькими итерациями, изменяя значение коэффициента отражения,
находятся максимально допустимые значения коэффициентов отражения, при которых от
засветки посторонним излучением цветность сигналов ещё будет соответствовать
нормируемым значениям.
4.2.5 При наличии в ССС цветных защитных стекол характеристики их
коэффициентов пропускания
t (l ) будут учитываться в определяемом коэффициенте
отражения, характеризующем ССС целиком.
336
4.2.6 Для линзовых комплектов с опытным образцом лампы со светодиодами
белого цвета тоже должна быть учтена характеристика пропускания светофильтров-линз
линзовых комплектов, а также возможность изменения цветности из-за блика от внешней
бесцветной линзы Френеля.
Значение функции спектрального распределения силы света суммарного излучения
I (l ) рассчитывается по формуле:
I (l ) = I изл. лк (l ) + r лк × I пад (l ) + I пад (l ) × r л ×t 2 (l )
где
I изл . лк ( λ)
(5.27.),
- спектральное распределение силы света излучения
линзового комплекта;
r лк - коэффициент отражения поверхности внешней бесцветной линзы Френеля
комплекта;
r л - коэффициент отражения поверхности светодиодной лампы;
t (l ) - спектральный коэффициент пропускания светофильтра-линзы комплекта.
Далее аналогично 4.2.3 рассчитываются координаты цветности суммарного
излучения по формулам (10)-(11), сравниваются с нормируемыми значениями и
подбирается значение коэффициента отражения светодиодной лампы
rл .
5
Лабораторные исследования влияния направленной засветки на изменение
цветности сигналов ССС
В процессе лабораторных исследований проводятся измерения спектральных
характеристик ССС различных производителей при посторонней засветке, отражательных
характеристик ССС, а также уточняются предельные значения коэффициентов отражения
ССС, при которых цветность сигналов при засветке посторонним светом будет
соответствовать нормируемым значениям. Как и в аналитических расчетах, должны быть
рассмотрены два варианта влияния отраженного света на восприятие сигналов светофора:
при выключенном и включенном сигнале CCC светофора.
5.1. Методы и условия проведения лабораторных исследований
5.1.1 В зависимости от времени суток в течение года положение солнца по
отношению к ССС, установленной на светофоре, будет различным. Соответственно,
характеристики интенсивности и цветности излучения солнца также будут изменяться. В
лабораторных
исследованиях
необходимо
экспериментальным
путем
определить
максимально допустимые коэффициенты отражения ССС при освещении их источником
337
света, моделирующим солнечную засветку разной интенсивности и цветности в
зависимости от угла падения солнечного света (высоты солнца).
5.1.2 В ходе лабораторных исследований должны быть проведены измерения и
расчет следующих характеристик ССС:
- осевой силы света,
- пространственного распределения силы света,
- спектрального распределения силы света,
- координат цветности излучения,
- коэффициентов отражения.
5.1.3 Измерение силы света должно проводиться методом прямых измерений с
помощью фотометрической головки с известными коэффициентами перехода к
измерениям силы света квазимонохроматических источников излучения или методом
сравнения с силой света рабочих эталонов силы света (светодиодных излучателей или
светоизмерительных ламп накаливания).
5.1.4 Метод измерения пространственного распределения силы света заключается в
измерении силы света под различными углами с помощью
гониофотометра при
постоянном расстоянии между приемником излучения и испытываемым прибором.
5.1.5 Измерения спектральных распределений силы света должны проводиться с
помощью спектрорадиометра, координаты цветности излучения определяются расчетным
способом по формулам (5.24)-(5.25).
Общие указания по измерению спектральных характеристик светодиодных
источников света приведены в рекомендациях [1,101].
5.1.6 Интегральный
r
и спектральный
r (l ) коэффициенты отражения
определяются расчетным способом по следующим формулам соответственно:
r=
I отр
(5.28),
I пад
где
I отр - сила света отраженного излучения, кд,
I пад - сила света падающего излучения, кд;
r (l ) =
где
I отр (l )
I пад (l )
(5.29),
I отр (l ) - спектральное распределение силы света отраженного
излучения,
I пад (l ) - спектральное распределение силы света падающего излучения.
338
5.1.7 Измерения светотехнических параметров должны проводиться в затемненном
помещении, стены, пол и потолок которого должны быть диффузно отражающими и
иметь коэффициент отражения не более 0,1.
При проведении измерений должны соблюдаться следующие нормальные
климатические условия:
- температура окружающей среды (25 ± 1) °С;
- относительная влажность воздуха (60 ± 15) %;
- атмосферное давление в пределах (84,0 – 106,7) кПа.
Температуру следует измерять в точке, отстоящей от ССС не более, чем на 1 м, и
на той же высоте, где расположен объект. Датчик температуры должен быть экранирован
от направленного оптического излучения ССС и любого другого источника.
5.2 Требования к экспериментальной установке
Для
5.2.1
проведения
исследований
необходимо
создать
специальную
экспериментальную установку, с помощью которой должны проводиться измерения
параметров видимого излучения ССС различных типов с учетом влияния постороннего
излучения от источника света, являющегося аналогом солнечного излучения различной
интенсивности и цветности.
5.2.2 Экспериментальная установка должна состоять из:
- гониометра (поворотного устройства), на котором устанавливаются исследуемые
ССС, углы разворота подвижной части гониометра в горизонтальной и вертикальной
плоскостях относительно оптической оси ССС должны быть не менее ±90°;
- фотометрической головки (преобразователя излучения), находящейся на одной
прямой с гониометром на расстоянии не менее 18 м от места установки ССС, в качестве
фотометрической головки применяют полупроводниковые фотоэлементы, относительная
спектральная чувствительность которых с помощью корригирующих светофильтров
приведена
к
функции
относительной
спектральной
световой
эффективности
монохроматического излучения для дневного зрения ГОСТ 8.332;
- спектрофотометра для измерения спектральных характеристик, установленного
рядом с фотометрической головкой или на меньшем расстоянии от ССС;
- осветительного устройства, имитирующего солнце и создающего параллельный
световой поток, равномерно освещающий ССС с диаметром светового отверстия 200±10
мм и 150±10 мм, осветительное устройство в зависимости от требуемого угла освещения
ССС должно располагаться в плоскости, перпендикулярной оптической оси ССС (для
339
засветки по оси ССС), или проходящей через ось ССС (для засветки ССС под различными
углами);
- полупрозрачного зеркала с нейтральным покрытием для видимого света с
равными коэффициентами пропускания и отражения, применяемого для измерения силы
света, отраженной от ССС в направлении оптической оси при засветке посторонним
светом по оси, зеркало необходимо для изменения хода световых лучей осветительного
прибора, имитирующего солнце, для засветки ССС по оптической оси и устанавливается
на пересечении световых лучей от осветительного прибора и ССС.
Установка должна позволять изменять угол падения света на ССС в пределах от 0˚
до 60˚ в вертикальной плоскости, проходящей через оптическую ось ССС. Это
соответствует различной высоте солнца над горизонтом.
Установка должна позволять измерять отраженный свет во всех меридиональных и
сагиттальных плоскостях.
5.2.3 Для питания исследуемых ССС должны быть использованы источники
постоянного и переменного тока.
Система питания постоянным током должна состоять из стабилизированного и
регулируемого
источника
выпрямленного
напряжения
и
иметь
следующие
характеристики:
- погрешность установки и поддержки напряжения – в пределах ±5 %;
- коэффициент пульсации – не более 1 %;
- во время отсчета показаний измерительных приборов напряжение на выводах, к
которым подключается ССС, не должно изменяться более чем на 1 %.
Система питания переменным током должна состоять из стабилизатора сетевого
напряжения, сетевого фильтра помех, защиты от перенапряжения и перегрузки и иметь
следующие характеристики:
- погрешность поддержания напряжения – в пределах ±3 %;
- форма сетевого напряжения – синусоидальная, содержание высших гармоник не
превышает 3 %.
5.2.4 Для контроля параметров питания исследуемых ССС должны использоваться
электроизмерительные приборы (амперметры, вольтметры) с основной погрешностью не
более 1 %.
5.2.5 Средства измерений должны иметь свидетельства о поверке, испытательное
оборудование должно быть аттестовано.
340
5.3. Порядок проведения лабораторных исследований
Измерения должны быть проведены по трем направлениям:
- определение значения отраженной силы света от негорящей ССС,
- определение коэффициента отражения ССС,
- определение цветности суммарного излучения при горящей ССС.
5.3.1 В процессе исследований измерения светотехнических параметров проводят
на образцах ССС мачтовых и карликовых светофоров разных изготовителей, а также на
линзовых комплектах с опытным образцом светодиодной лампы.
5.3.2 Испытываемую ССС (объект испытаний) закрепляют на поворотном
устройстве. Расстояние от объекта испытаний до приемной поверхности фотометрической
головки должно быть не менее расстояния формирования светового пучка испытываемой
светооптической системы.
5.3.3
На
осветительный
прибор
(имитатор
солнца)
подают
напряжение,
выдерживают его во включенном состоянии для стабилизации параметров и проводят
измерения спектрального распределения силы света излучения источника засветки ССС
(осветительный прибор можно развернуть в направлении приемника излучения).
5.3.4 Устанавливают полупрозрачное зеркало под углом 45° к оптической оси
осветительного прибора, перпендикулярной к оптической оси ССС (к направлению
приемника излучения), и проводят повторные измерения спектрального распределения
силы света излучения источника засветки ССС, отраженного от полупрозрачного зеркала.
В
результате
определяют
значения
спектральных
коэффициентов
отражения
полупрозрачного зеркала.
5.3.5 Осветительный прибор направляют на ССС или полупрозрачное зеркало,
осуществляя засветку ССС посторонним светом под углом или по оптической оси, и
проводят измерения спектрального распределения силы света излучения отраженного от
негорящей ССС излучения.
5.3.6 На ССС подаётся питание и устанавливается номинальное значение
напряжения или тока. Для стабилизации параметров и температурного равновесия ССС
выдерживают во включенном состоянии в режиме измерений в течение времени
стабилизации. Время, необходимое для стабилизации, зависит от типа ССС и обычно
колеблется от 30 минут до 2 часов.
5.3.7 Проводят измерения спектрального распределения силы света излучения
исследуемой ССС по оптической оси при отсутствии полупрозрачного зеркала. Измерения
проводятся при полном исключении засветки ССС и измерительных приборов
посторонним источником света.
341
5.3.8 Устанавливают полупрозрачное зеркало под углом 45° к оптической оси ССС
и проводят повторные измерения спектрального распределения силы света излучения
ССС, прошедшего через полупрозрачное зеркало. В результате определяют значение
спектрального коэффициента пропускания
полупрозрачного зеркала.
5.3.9 Осветительный прибор (имитатор солнца) направляют на ССС или
полупрозрачное зеркало, осуществляя засветку ССС посторонним светом под углом или
по оптической оси, и проводят измерения спектрального распределения силы света
суммарного излучения, включающего излучение самой ССС и отраженного от ССС
излучения осветительного прибора.
5.3.10 Определяют значение спектрального и интегрального коэффициента
отражения по формулам (5.28.)-(5.29.), учитывая коэффициенты отражения и пропускания
полупрозрачного зеркала при его использовании.
5.3.11 Рассчитывают координаты цветности суммарного излучения по формулам
(10)-(11) и сравнивают с нормируемыми значениями. Выход цветности суммарного
излучения за пределы допустимой зоны для заданного цвета сигнала ССС свидетельствует
о недопустимой величине коэффициента отражения ССС и необходимости применения
дополнительных мер для исключения изменения цвета запрещающих сигналов ССС.
5.3.12 Для уменьшения отраженного от ССС излучения осветительного прибора
перед ССС устанавливаются нейтральные светофильтры, снижающие отражённую силу
света на коэффициент пропускания в квадрате. При этом силу света самого ССС следует
увеличить на коэффициент пропускания. Затем для этих условий проводят повторные
измерения спектрального распределения силы света суммарного излучения и оценку
координат цветности.
В результате, по возможности, находят такие значения коэффициента пропускания,
при которых координаты цветности суммарного излучения находятся в пределах
допустимой области цветности запрещающего сигнала.
5.3.13 Для подтверждения сделанных выводов по результатам лабораторных
исследований значения спектрального и интегрального коэффициента отражения
сравниваются с предельными значениями коэффициентов отражения, определёнными в
аналитических исследованиях.
5.4. Расчёты коэффициентов отражения
1. Измеряется относительное спектральное распределение мощности излучения ССС
(пример показан на рисунке 5.26.
342
1
Относительная
интенсивность
0,9
Спектральное распределение
Lmax
Lcentroid
L1(SLHW)
L2(SLHW)
Level 0,5
Ряд7
Ряд8
0,8
0,7
0,6
591
0,5
606
0,4
0,3
0,2
0,1
Длина волны (nm)
0
0,00
300
325
350
375
400
425
450
475
500
525
599,00
550 575 600
625
650
675
700
725
750
775
800
825
850
875
900
925
950
Рисунок 5.26. Спектр излучения и колориметрические характеристики (на сноске)
светодиодной ССС жёлтого цвета для мачтового светофора.
580
585
590
595
600
605
610
615
620
Рисунок 5.27. Положение координат цветности жёлтого сигнала, спектр излучения
которого показан на рисунке 5.26. на графике МКО-31 и в соотв. с [97]. Границы
разрешённой зоны показаны пунктиром (далее справедливо для всех подобных диаграмм).
343
2. Определяется спектр излучения Солнца на заданном угле от зенита. Здесь – 86 град.
Относительное распределение мощности излучения и его свёртка с V(l) показаны на
рисунке 5.28.
1,00
Intensity, a.u.
0,90
0,80
0,70
86 град
0,60
+ V(L)
0,50
0,40
0,30
0,20
0,10
Wawelength, nm
0,00
350
375
400
425
450
475
500
525
550
575
600
625
650
675
700
725
750
775
800
825
850
о
Рисунок 5.28. Спектр излучения Солнца при 86 отн. зенита и его свёртка с кривой
видности глаза V(l).
3. Сложение относительных спектров сигнала и Солнца.
За единичный спектр берётся спектр сигнала, его интегральная сила света известна
(измерена). К нему прибавляется такая доля солнечного (относительный и не свёрнутый
спектр по п.2.) (интенсивность подбирается опытно), которая выведет сигнал из стандарта
по цветности.
Сложение ведётся по формуле:
Iv(l)=ISol(l)*n + Itl(l)
Где
n – искомый (подбираемый) коэффициент.
ISol(l) - отн. интенсивность Солнца на каждой длине волны.
Itl(l) - отн. интенсивность сигнала на каждой длине волны.
(5.30.)
344
4. Рассчитываются координаты цветности полученной суммы. Проверяется пограничное
положение координат цветности на графике МКО-31 (рисунок 5.29.). В данном примере
найденный коэффициент: n=0.0055
1
Относительная
интенсивность
0,9
Спектральное распределение
Lmax
Lcentroid
L1(SLHW)
L2(SLHW)
Level 0,5
Ряд7
Ряд8
0,8
0,7
0,6
591
0,5
606
0,4
0,3
0,2
0,1
Длина волны (nm)
0,00
0
300
325
350
375
400
425
450
475
500
525
550
599,00
575 600
625
650
675
700
725
750
775
800
825
850
875
900
925
950
а)
580
585
590
595
600
605
610
615
620
б)
Рисунок.5.29. а)-суммарный спектр по (5.30), б)- полученные координаты на краю
разрешённой зоны цветности по [97].
345
5. Полученное спектральное распределение ISol(l)*n сворачивается с V(l) (п. 2) и
интегрируется. Полученный интеграл умножается на значение силы света ССС и таким
образом, находится сила света Солнца, которая, подмешиваясь к сигналу, выводит
последний из допустимой зоны по цветности [97]. Пример показан на рисунке 5.30
(Солнце при 80о относительно зенита).
В данном случае: ISol = 6855кд(сигнал)*Интеграл ((ISol(l)*n) * V(l)) = 3223кд.
6. Полученная сила света Солнца (являясь продуктом отражения при прямом падении на
ССС) относится к силе света сигнала, и это отношение будет искомым предельным
коэффициентом отражения.
1
Относительная
интенсивность
0,9
Спектральное распределение
Lmax
Lcentroid
L1(SLHW)
L2(SLHW)
Level 0,5
Ряд7
Ряд8
0,8
0,7
0,6
591
0,5
606
0,4
0,3
0,2
0,1
Длина волны (nm)
0,00
0
300
325
350
375
400
425
450
475
500
525
599,00
550 575 600
625
650
675
700
725
750
775
800
825
850
875
900
925
950
а)
580
585
590
595
600
605
610
615
620
б)
Рисунок.5.30. а)-суммарный спектр по (5.30), б)- полученные координаты на краю
разрешённой зоны цветности по [97] (Солнце при 80о относительно зенита).
346
1,00
Intensity, a.u.
0,90
0,80
0,70
80 град
0,60
+ V(L)
0,50
0,40
0,30
0,20
0,10
Wawelength, nm
0,00
350
375
400
425
450
475
500
525
550
575
600
625
650
675
700
725
750
775
800
825
о
Рисунок 5.31. Спектр излучения Солнца при 80 относительно зенита и его свёртка с
кривой видности глаза V(l).
585
590
595
600
4500
605
610
8000
X
0,3771
615
620
Y
0,3852
Z
0,2377
Tc,К
4133,96
Рисунок.5.32. Полученные координаты цветности лунно-белого сигнала светофора (ССС)
при освещении Солнцем при 80о относительно зенита и их положение отн. разрешённой
зоны цветности по [97] при условии превышения значения коэффициента отражения.
Освещённость от падающего солнца можно найти из данных о мощности, падающей на
площадь светоблока (ССС) (соотнеся её с 1 кв.м.). Однако если считать
площадку
светоблока точечной (а это так и есть), то освещённость при условии большого
850
347
расстояния от источника – это ни что иное, как сила света (т.к. телесный угол стремится к
0, а световой поток вырождается в силу света). Так, например, при 80 град. к горизонту
падающего излучения, его мощность – 68 Вт. Люмен-эквивалент (спектральная световая
эффективность) – 186 лм/Вт. Отсюда освещённость поверхности ССС составит 11700
лм/м2 или 11700 лк. Тогда сила света будет 11700 кд. Далее, при условии её отражения от
светоблока, последний будет вторичным источником с некоторой яркостью (кд/м2). Эта
яркость определяется найденной силой света (по описанной выше методике),
подмешанной к работающему сигналу, отнесённой к площади светоблока. Но можно и без
этого: коэффициент отражения будет 11700 кд/силу света доли Солнца в светоблоке. В
представленном ниже варианте – она 5960кд для мачтового жёлтого сигнала с силой света
6855кд. Тогда коэффициент отражения = 5960/11700 = 51 %
По описанной методике найдено.
Для красного мачтового сигнала :
Сила света = 4290 кд. Найденная доля: 300кд. Коэффициент отражения = 300/11700 =
2,6%
1
Относительная
интенсивность
0,9
Спектральное распределение
Lmax
Lcentroid
L1(SLHW)
L2(SLHW)
Level 0,5
Ряд7
Ряд8
0,8
0,7
X
0,2797
Y
0,5764
Z
0,1439
Ldom
544,09
0,6
508
0,5
549
0,4
0,3
0,2
0,1
Длина волны (nm)
0,00
0
300
325
350
375
400
425
450
475
524,00
500 525
550
575
600
625
650
675
700
725
750
775
800
825
850
875
900
925
950
Рисунок.5.33. Суммарный спектр зелёного мачтового сигнала, найденный по (5.30).
Для зелёного мачтового сигнала (суммарный с Солнцем спектр показан на рисунке 5.33.):
Сила света = 5000 кд. Найденная доля: 65220 кд
Коэффициент отражения = 65220/11700=556% то есть, он никогда не выйдет за границы
348
допустимой зоны по [97] при положении Солнца 80о относительно зенита.
Для синего мачтового сигнала:
Сила света 3900 кд. Найденная доля: 6783 кд. Коэффициент отражения = 6783/11700=58 %
7. Пример расчёта коэффициента отражения по отношению мощностей излучения Солнца
(отражённого от поверхности) и светоблока (ССС).
Для красного мачтового сигнала :
Световой поток Ф = 23,2 лм
Спектральная световая эффективность. К=70,43 лм/Вт
Мощность излучения при этом: Р= Ф/К = 0,33 Вт
n(l) (доля) = 0,0008
Отсюда мощность излучения Солнца (отражённого) (n*P) = 0,000264 Вт
Сумм освещённость от Солнца - 68 Вт/м2. Площадь светоблока – 0,0314 м2
Мощность излучения Солнца, приходящегося на эту площадку = 0,0314*68=2,13Вт
Отношение мощностей (искомый коэфф. отражения) = 0,000264/2,13=0,000124 или
0,012%
По расчёту по силе света получилось 2,6 %.
8. Пример расчёта по абсолютным спектрам сигнала и Солнца.
Для красного мачтового сигнала :
Световой поток рассчитывается по (5.31.).
q
ó кр
I( q )× sin (q ) × sr dq
F 2 := 2p× ô
õ
0
(5.31.)
Световой поток Ф2 = 23,2 лм
Спектральная световая эффективность. К=70,43 лм/Вт
Мощность излучения: Р= Ф/К = 0,33 Вт
Разложение мощности сигнала на спектр приобретает вид (рисунок 5.34.):
В этом примере также придётся опираться на площадь ССС, так как в программе расчётов
параметров излучения при различных положениях Солнца относительно горизонта
(зенита) рассчитывается спектральное распределение энергетической освещённости в
Вт/м2, а не интегральной мощности излучения. А это значит, что можно определить
мощность, приходящуюся на (излучённую при отражении площадкой) площадку только
зная площадь её поверхности, обладающей такой, как описано ренее, интегральной
энергетической освещённостью. Отсюда, также как и в примере п.7:
Суммарная освещённость от Солнца - 68 Вт/м2 (из программы - интеграл). Площадь
светоблока – 0,0314 м2
349
Мощность излучения Солнца, приходящегося на эту площадку = 0,0314*68=2,13Вт
0,009
W
0,008
0,007
0,006
0,005
0,004
0,003
0,002
0,001
L,нм
0
200
250
Рисунок
300
350
400
450
Абсолютное
5.34.
500
550
600
спектральное
650
700
750
800
распределение
850
900
950
мощности
1000
излучения
светодиодной ССС красного цвета для мачтового светофора.
0,03
80 град
Intensity, W.
0,03
0,02
80 град
0,02
0,01
0,01
Wawelength, nm
0,00
350
375
400
425
450
475
500
525
550
575
600
625
650
675
700
725
750
775
800
825
850
Рисунок 5.35. Абсолютное спектральное распределение мощности излучения Солнца при
80о относительно зенита
350
Разложив полученные 2,13 Вт по спектру, получим абсолютную характеристику
спектрального распределения мощности излучения, показанную на рисунке 5.35. Далее,
складывая абсолютные спектры находим предельную долю умножением солнечного на ni.
Координаты цветности находятся как свёртка относительного спектра суммы с кривыми
сложения по (5.25.), (5.26).
Отсюда ni получился 0,023%. Это значение очень близко к расчёту, приведённому в п.7
(0,012%). Следует отметить, что для Солнца установлено условие: ni=1 площадка излучает
2,13 Вт и является абсолютным отражателем без потерь.
Для расчёта отражённой силы света Солнца, будем пользоваться интегральной
мощностью отражённого излучения, которое было найдено ранее, спектральное
распределение которого свёрнуто с V(l). Т.е.:
Фe(l)=Фe отр(l)*V(l)
(5.33)
Интеграл функции I(l), умноженный на 683 будет равняться значению светового потока
отражённого Cолнца:
Фотр = 683ò Фе (l )V (l )dl
830
(5.34)
360
Имея в виду то обстоятельство, что форма углового распределения силы света
отражённого солнца и сигнала светоблока одинаковы абсолютно, можно считать, что
отношение световых потоков отражённого света и излучения светоблока также относятся
как и их силы света. Поэтому, искомая сила света :
Iотр= Imin(Фотр/ Ф)
(5.35)
где Ф – световой поток светоблока, рассчитанный по формуле, описанной в начале п.8, и
основанный на угловом распределении его силы света, приведённом к минимальной силе
света Imin, определённой ГОСТ.
Из показанных выше примеров, можно сделать вывод о том, что расчёты допустимых
коэффициентов
отражения
светоблоков
(ССС)
корректно
выполнять
лишь
с
использованием радиометрических измерений параметров излучения Солнца и ССС.
5.4. Оценка фотобиологической безопасности излучения лампы ЖСС
Целью
экспериментальных исследований
является оценка фотобиологической
и
гигиенической безопасности длительного воздействия излучения светодиодов на организм
351
человека
при
[105-107,138]
выполнении
трудовых
обязанностей
специалистов
водительских (машинистов и помощников машинистов) и диспетчерских профессий.
По
данным
Йордан
В.,
Халбриттер
В.,
Хорак
В.[109]
основным
радиометрическим параметром при оценке фотобиологической опасности светильников
является спектральное распределение их энергетической яркости. При измерении
радиометрических характеристик светильников должны строго соблюдаться условия,
приведённые в таблице «Сводка требований стандартов CIE S009/IEC 62471» [118].
Измерение радиометрических параметров излучения светильников общего освещения
должно проводиться с расстояния, на которых светильники создают освещенность,
равную 500 лк, при входном (апертурном) угле γ, определяемом конкретным видом
опасности и группой риска.
Энергетическая яркость светильника (L) определялась по следующей формуле (5.36.):
L = P/ SΩ,
Вт/ м2ср
(5.36.)
где Р–измеряемая радиометром интегральная мощность излучения, Вт,
S – площадь светящейся части светильника, вырезанная углом γ, м2;
Ω – телесный угол, в котором заключено измеренное излучение, ср.
При этом (5.37):
S = πr2 = π (tg γ/2• r)2,
м2
(5.37)
где r - расстояние от светильника до измерительной апертуры радиометра, а
телесный угол рассчитывается по (5.38):
Ω = (π • (γ)^2)/4, ср.
(5.38)
Расстояние r предварительно определялось от поверхности лампы до плоскости, на
которой освещенность была равна 500лк.
Для
измерения
интегральной
мощности
излучения
использовалась
радиометрическая головка и гониометр в составе стенда «Флакс 20», для измерения
относительного спектрального распределения мощности излучения использовался
спектрометрический стенд «Спекорд», для измерения пространственного распределения
силы света использовались фотометрический стенд «Флакс 20», включающий гониометр,
радиометрическую и фотометрическую головку [112,128,133].
Измерения мощности излучения исследуемых ламп проводились при диаметре
апертурной диафрагмы радиометрической головки равном 7 мм (приведено к диаметру
зрачка глаза при максимальном его расширении при скотопическом зрении [138]). Для
оценки светильников по требованиям «группы полного отсутствия риска от опасности
«синего» излучения для сетчатки» при измерениях мощности излучения обеспечивался
352
входной (апертурный) угол γ = 0,1 рад. Также, для оценки ламп по требованиям «группы
полного отсутствия риска от термической опасности для сетчатки» мощность излучения
была измерена и при входном (апертурном) угле γ = 0,011 рад.
Исследования
фотобиологической
опасности
ламп
ЖСС
проводились
в
следующем порядке.
лампа устанавливалась на гониометр фотометрического стенда «Флакс 20» и на
неё подавалось номинальное напряжение. Лампа работала в течение 1,5 - 2 часов, до
достижения стабилизации параметров.
Далее измерялось пространственное распределение силы света с помощью
фотометрической головки, расположенной на расстоянии порядка 3 м от гониометра.
На
выбранном
расстоянии
измерялось
относительное
спектральное
распределение мощности излучения с помощью спектрометрического стенда «Спекорд»
по оптической оси лампы и под углом 750 к оптической оси в плоскости симметрии.
Последнее выполнялось для оценки отличия спектрального распределения излучения в
направлении оси лампы и под большим углом наблюдения, всегда присутствующего у
приборов на основе светодиодов, могущего повлиять на дальнейшие расчёты и
достоверность полученных значений энергетической яркости.
Затем на лампу устанавливалась подготовленная заранее маска с диафрагмой,
диаметр которой по табл.2 соответствовал входному (апертурному) углу γ = 0,1 рад.
Поворотная часть гониометра с лампой устанавливалась так, чтобы оптическая ось была
параллельна рельсу, на котором установлен гониометр и радиометр и который
расположен под углом к направлению измерения пространственного распределения силы
света фотометром. На рельсе устанавливалась радиометрическая головка
(апертурной) диафрагмой в 7 мм
с входной
на расстоянии, измеренном с помощью лазерного
дальномера Leica Disto А5. В процессе исследования измерялся ток (I) в измерительной
цепи радиометрической головки, освещённой лампой через диафрагму маски.
Мощность излучения лампы P, измеренная радиометром и заключённая в заданном
входным углом γ телесном угле Ω, определялась по следующей формуле (5.39) [27,134]:
P = I/ Кх,
(5.39)
где I - ток радиометра, А .
Кх - коэффициент чувствительности радиометра для спектрального распределения
излучения лампы.
10. Коэффициент Кх определялся на основе относительного спектрального
распределения
излучения
светильника
φλ,
измеренного
ранее,
характеристики
353
относительной спектральной чувствительности радиометра ٨λ (рисунок 5.36.) и
паспортного максимального коэффициента чувствительности радиометра ٨ max = 0,50622
А/Вт по следующей формуле (5.40):
Кх = ٨ max ∫ φλ• ٨λ •dλ А/Вт
(5.40)
1
0.8
0.6
( )
L٨λl 1
0.4
0.2
0
200
400
600
800
1000
l
200
1200S d X
3
λ
Рисунок 5.36. Относительная спектральная чувствительность ٨λ радиометрической
головки.
Энергетическая яркость светильника (L) определялась по формуле (5.36).
Спектральное распределение энергетической яркости светильника для заданных условий
измерения определялось по следующей формуле (5.41):
Lλ = С • φλ,
Вт/ м2ср нм
(5.41)
где φλ – относительное спектральное распределение излучения лампы,
С – нормирующий коэффициент, рассчитываемый следующим образом (5.42):
С = L/∫ φλ•dλ , Вт/м2ср нм
5.4.1.
Порядок
проведения
(5.42)
расчётов
характеристик
фотобиологических
опасностей излучения
Биофизический процесс, формирующийся под влиянием предельного воздействия
светового излучения, может быть определён с помощью формул, представленных ниже.
Расчёт по конкретной формуле зависит от диапазона излучения, распространяемого
354
конкретным источником излучения. Результаты затем сравниваются с соответствующими
предельными нормами, представленными также в Таблице 5.13.
ES =
(a)
l = 400 nm
El × S (l ) × Dl
å
l
(5.43)
=180 nm
(Heff = Eeff*∆t)
E UVA =
(b)
l = 400 nm
åE
l = 315nm
l
× Dl
(5.44)
(HUVA = EUVA*∆t)
(c),(d)
(e),(f)
LB =
EB =
l = 700 nm
åL
l = 300 nm
l
× B(l ) × Dl
(5.45)
l
× B(l) × Dl
(5.46)
l = 700 nm
åE
l = 300 nm
l2
(g) до (l)
LR = å Ll × R(l ) × Dl
(5.47)
l1
(m),(n)
(o)
EIR =
EH =
l =3000nm
El × Dl
å
l
(5.48)
=780 nm
l =3000nm
El × Dl
å
l
(5.49)
=380 nm
Примечания:
Eλ (λ, t), Eλ – спектральная плотность потока излучения: интенсивность излучения,
производимая на единицу площади, выраженная в ваттах из расчёта 1м2/нм [W m-2 nm-1];
значения Eλ (λ,t) и Eλ образуются на основании произведённых измерений;
Eeff – эффективное излучение (диапазон UV): рассчитанное излучение, действующее в
диапазоне UV длины волны от 180 до 400 нм;
Н – световое воздействие: продолжительность излучения в суммарном времени,
выраженное в Дж/м2 [J m-2];
Нeff – эффективное световое воздействие: спектральная плотность светового воздействия,
выраженная S(λ), обозначается в Дж на 1 м2 [J m-2];
355
ЕUVA – суммарная облучённость (диапазон UVA): расчётная облучённость в диапазоне
UVA с длинной волны от 315 до 400 нм, выраженная в ваттах на 1 м2 [W m-2];
HUVA – энергия излучения
на единицу площади за определённый период времени (в
диапазоне UVA) с длиной волны от 315 до 400 нм, выраженная в Дж/м2 [J m-2];
S(λ) – спектральное взвешивание с учётом длины волны излучения в диапазоне UVA,
воздействующего на зрение и кожные покровы [не подаётся измерению]);
t,∆t – время, продолжительность воздействия, выраженная в секундах [s];
λ – длина волны, выраженная в нанометрах [nm];
∆λ – диапазон частот, выраженный в нанометрах [nm], шаг измерений;
Lλ(λ), L
λ
– спектральная плотность излучения конкретного источника, выраженная в
ваттах на м2/стерадиан/нм [W m-2 sr-1 nm-1];
R(λ) – спектральное взвешивание с учетом длины волны, наносящее тепловое поражение
зрению посредством видимого и импульсного излучения [не поддаётся измерению];
LR – эффективное излучение (тепловое поражение): рассчитывается из спектральной
плотности излучения и R(λ), выражено в ваттах на м2/стерадиан
[W m-2 sr-1];
В(λ) – спектральное взвешивание с учётом длины волны, вызывающее фотохимическое
поражение зрения синим светом [не подлежит измерению];
LВ – эффективное излучение (синий свет): измеряется путём спектрального взвешивания
значений L λ(λ) с помощью В(λ), выраженное в ваттах на м2 стерадиан [W m-2 sr-1];
EВ – эффективное свечение (синий цвет): измеряется путём спектрального взвешивания
значений Eλ (λ) с помощью В(λ), выраженное в ваттах на м2 [W m-2];
EIR – суммарная облучённость (тепловое поражение): инфракрасное свечение с длиной
волны в диапазоне от 780 до 3000 нм, выражена в ваттах на м2 [W m-2];
EH – суммарная облучённость (видимая, диапазоны IRA и IRB): рассчитывается с учётом
действия видимых и невидимых инфракрасных лучей с длиной волны в диапазоне от 380
нм до 3000 нм, выражена в ваттах на м2 [W m-2];
Hskin – энергетическая экспозиция: совокупность времени действия и длины волны или
комбинированное свечение световой видимой волны и инфракрасного свечения в
диапазоне от 380 до 3000 нм, выражена в Дж/м2 (J m-2);
α – стягиваемый угол: угол, стянутый мнимым центром отражения, рассматриваемый в
пространственной точке, выражен в миллирадианах. Мнимый источник является
реальным или виртуальным объектом, который формирует изображение на сетчатке в
минимально возможных изображениях.
356
Таблица 5.13.
Типы и нормы фотобиологических опасностей излучения.
Наименовани Соответств Диапазон Продолжител Ограничивающее Предел
длин волн ьность
облучения в
е опасности ующее
отверстие
уравнение
облучения
радиан (градус) терминах
постоянной
нм
с
облученности
Вт·м-2
Синий свет LB=ΣLl·B(l) 300-700
0,25-10
0,011·√(t/10)
106/t
10-100
0,011
106/t
·Δl
100-10000
0,0011·√t
106/t
³10000
0,1
100
Тепловая для LR=ΣLl·R(l 380-1400
<0,25
0,0017
50000/(α·t0,25
)
сетчатки
)·Δl
0,25-10
0,011·√(t/10) 50000/(α·t0,25
)
Тепловая для LIR=ΣLl·R( 780-1400
>10
0,011
6000/α
сетчатки
l)·Δl
(слабый
визуальный
стимул)
Актиничный ES=ΣEl·S(l)· 200-400
Δl
УФ для кожи и
глаз
УФ-А для глаз EUVA=ΣEl· 315-400
Δl
Небольшой EB=ΣEl·B(l)· 300-700
ис-точник
Δl
синего света
ИК для глаз EIR=ΣEl·Δl 780-3000
Тепловая для EH=ΣEl·Δl
кожи
380-3000
<30000
1,4(80)
30/t
£1000
>1000
меньшеравно 100
>100
£1000
>1000
<10
1,4(80)
10000/t
10
100/t
<0,011
1
18000/t0,75
100
20000/t0,75
1,4(80)
2p стерадиан
По результатам сравнения рассчитанных по формулам значений энергетических
характеристик с предельными значениями таблиц 5.13. или 5.14. делаются выводы о
фотобиологической безопасности или опасности источника. Результаты измерений и
расчётов представлены в Таблице 5.14.
Таблица 5.14.
Результаты испытаний ламп типа ЖСС на фотобиологическую безопасность.
Общие условия измерения по IEC 62471:2006
(ГОСТ Р МЭК 62471 – 2006)
Расстояние до источника
0,284
Угловой размер источника a
0,0227
Эффективное облучение сетчатки (синий свет) LB
м
рад
357
Параметры LB (300-700нм)
Доля энергии в диап.спектра
94,8
Угол наблюдения, g
0,10
Диаметр диафрагмы
0,028414
Телесный угол W
0,007854
LB
Предельное значение
Заключение по LB
%
рад
м
ср
0,277
Вт/м2ср
100
Вт/м2ср
Полное отсутствие риска
Эффективное облучение сетчатки (тепловое поражение) LR
Параметры LR (380-1400нм)
Доля энергии в диап.спектра
100,0
Угол наблюдения, g
Диаметр диафрагмы
Телесный угол W
LR
Предельное значение
%
0,011
0,003123
0,000095
рад
м
ср
1506,2
Вт/м2ср
1232822
Вт/м2ср
Заключение по LR
Полное отсутствие риска
Эффективное облучение сетчатки (тепловое поражение слабый визуальный стимул) LIR
Параметры LIR (780-1400нм) для яркости поля <10кд/м2
Доля энергии в диап.спектра
0,8
%
Угол наблюдения, g
0,011
рад
Диаметр диафрагмы
0,003123
м
Телесный угол W
0,000095
ср
LIR
Предельное значение
Заключение по LIR
3,154
Вт/м2ср
264176
Вт/м2ср
Полное отсутствие риска
Эффективная облучённость (Тепловая для кожи) ЕH
Параметры EH (380-1100нм)
Доля энергии в диап.спектра
100,0
%
EH
0,334
Вт/м2
3557
Вт/м2
Предельное значение
Заключение по EH
Полное отсутствие риска
Эффективная облучённость сетчатки (небольшой
источник синего света) ЕВ
Параметры EB (300-700нм)
Доля энергии в диап.спектра
94,8
%
Угол наблюдения, g
0,011
рад
358
Размер ист./корректность расч.EB
Максимальное время облучения
Полученное время облучения
EB
Предельное значение
Заключение по EB
Небольшой
Корректно
более 100
37
c
c
2,682
Вт/м2
1
Вт/м2
Низкий риск
Эффективная облучённость.
(актиничный УФ для кожи и глаз) ЕS
Параметры ES (200-400нм)
Доля энергии в диап.спектра
0,0
ES
Предельное время экспозиции
Полученное допустимое время
0,000001
8,3
1341,6
%
Вт/м2
ч
ч
Заключение по ES
Полное отсутствие риска
Эффективная облучённость (УФ-А для глаз) ЕUVA
Параметры EUVA (315-400нм)
Доля энергии в диап.спектра
0,0
EUVA
Предельное значение
%
0,000
Вт/м2
10
Вт/м2
Заключение по EUVA
Полное отсутствие риска
Эффективная облучённость (ИК для глаз ) ЕIR
Параметры EIR (780-1100нм)
Доля энергии в диап.спектра
0,8
EIR
Предельное значение
Заключение по EIR
%
0,003
Вт/м2
100
Вт/м2
Полное отсутствие риска
Анализ данных таблицы показывает, что лампа RSL имеет энергетические
параметры излучения значительно меньше предельных значений.
В результате проведённой оценки фотобиологической опасности исследованных
ламп ЖСС можно сделать вывод о том, что они относятся к «группам полного отсутствия
риска от опасности «синего» излучения для сетчатки и теплового поражения сетчатки».
Следует отметить, что использованный метод измерения энергетической яркости без
создания изображения светящей части светильника на приёмнике радиометра с помощью
объектива вносит дополнительную погрешность. Погрешность составляет от до 10% от
заданного входного угла γ в сторону его увеличения. Эта дополнительная погрешность
увеличивает измеренные значения энергетической яркости. Однако
превышение
359
предельных значений намного больше даже увеличенных измеренных величин, что никак
не влияет на оценку фотобиологической безопасности исследованных ламп.
Основные выводы и результаты работы
Основные полученные результаты
Разработана полная и общая методика измерения и расчёта подавляющего числа
1.
(светотехнических, фотометрических, колориметрических, электрических, энергетических
и температурных) характеристик светодиодов, порядок проведения измерений и их
последовательность, применимые при любом исследовании. Показаны особенности
измерений
и
обработки
полученных
данных
при
изучении
деградационных
характеристик. 2. Разработан и создан универсальный метрологический комплекс для
реализации измерений параметров светодиодов, а также техническая база для реализации
наработки
светодиодов
возможности
данного
продолжительностью
комплекса
в
части
не
менее
измерений
50000
часов.
указанных
Показаны
характеристик
подавляющего числа типов существующих светодиодов при проведении любых
исследований
и
экспериментов.
Проведена сертификация средств
измерений
в
установленном поверочной схемой порядке (с занесением в Государственный реестр
средств измерений), впервые создан аккредитованный в Государственной системе ГОСТ Р
центр по сертификационным испытаниям устройств на светодиодах, имеющий обширную
область аккредитации.
3. Разработана новая система параметров светодиодов, основанная на учёте их физических
взаимозависимостей
и
включающая
характеристики,
описывающие
деградацию
параметров светодиодов (скорость деградации светового потока и силы света, изменение
прямого напряжения за время наработки), позволяющая установить связь изменения
значения любого параметра с потенциальной деградацией других характеристик, что
необходимо при проектировании устройств на светодиодах.
4.
На
основе
полученных
результатов
исследований
разработан
и
обоснован
фотометрический метод изучения изменений излучающих свойств гетероструктур на
основе твёрдых растворов AlGaInP и AlGaInN у кристаллов различных конструкций для
производства светодиодов. С помощью представленного метода, основанного на
прецизионном измерении пространственного распределения силы света излучателей
впервые было зафиксировано не столько изменение значения светового потока со
временем наработки, сколько его перераспределение по объёму фотометрического тела
источника,
причину
которого
удалось
объяснить
моделированием
параметров
гетероструктур и измерением комплекса характеристик в процессе длительной наработки
светодиодов.
360
Разработана методика отбора образцов излучающих кристаллов и светодиодов
5.
для проведения экспериментов по определению деградации позволяющая осуществлять
определение свойств излучающих структур в диапазоне плотностей тока через p-nпереход до 120 А/cм2. Установлены основные типы производственных и технологических
дефектов (несоблюдение технологии монтажа излучающего кристалла: посадка на
основание, приварка контактных проводников, температурные режимы сушки и
полимеризации эпоксидных составов и условий проведения ускоренного старения, и т. д.),
являющихся причиной появления деградации параметров светодиодов, не связанной с
исследуемыми в работе механизмами её появления.
На основе расчётов и результатов измерений, сделанных в ходе эксперимента,
6.
найдена взаимосвязь между изначальными параметрами и показателями деградации тех
или иных характеристик светодиодов на основе различных конструкций кристаллов. На
примере поведения вольт - амперных характеристик и диаграмм распределения светового
потока со временем наработки, показана причина возникновения деградации параметров
излучения и связь её величины со значением прямого напряжения при определённой
плотности тока в начальный момент времени наработки. Предложены методики изучения
деградации при различных электрических режимах и условиях эксплуатации светодиодов.
С помощью компьютерного моделирования активной области структуры в части
7.
суммарной скорости излучательной рекомбинации в наборе квантовых ям (UBB) и
полного числа квантов, излучаемых в наборе ям (UBB * S*d), установлено, что через
площадки с меньшим (х<0,2) содержанием индия (x) в квантовых ямах проходит ток
значительно большей плотности, что объясняет ускоренную деградацию характеристик их
излучения и соответствующее этому, смещение спектрального состава излучения всей
структуры в длинноволновую сторону.
Установлено, что соответствие полученных различным способом характеристик
8.
позволяет использовать рассчитанные данные для обоснования закономерностей в
изменениях характеристик светодиодов, наблюдающихся при длительной наработке,
поскольку деградация величины светового потока экспоненциально зависит от плотности
тока J:
Ф(t)= Ф(0h)*exp((-J)*a*t)
где:
2
J-плотность тока, А/ см ;
t-время наработки, ч;
a- коэффициент, описывающий скорость деградации, см2*А-1*ч-1
Ф(t)-световой поток через время наработки t,
Ф(0h)-начальный световой поток, лм.
361
Исходя из этой закономерности, можно рассчитать фактор деградации светового потока a
и значение светового потока в любой момент времени наработки t относительно
начального Ф(0h), что может служить долгосрочным прогнозом поведения этой важной
характеристики.
9.
Установлено, что деградация значения светового потока у гетероструктур
AlGaInP на Si-подложках, существенно выше, чем деградация гетероструктур на GaPподложках, а у гетероструктур AlGaInN на Al2O3-подложках деградация существенно
выше, чем деградация у гетероструктур, выращенных на SiC-подложках. Эти результаты
объяснены значительным отличием в плотности дислокаций из-за разной степени
рассогласования кристаллических решёток подложек и выращенных на них структур.
10.
Показано,
что
описанные
средства
и
методики
измерений,
расчётов
характеристик светодиодов, а также выбранные параметры и принцип их выбора для
исследования
физических
механизмов
деградации
в
совокупности
обладают
универсальным инструментом для проведения подобных экспериментов для любых типов
светодиодов, или иных источников излучения, имеющих любые электрические
характеристики, формы пространственного распределения излучения, спектрального
состава и широкого диапазона мощности излучения.
11.
На основе рассчитанных в эксперименте величин была составлена система
режимов измерения параметров при сортировке светодиодов на производстве с помощью
стандартных сортировочных машин, которые позволят достоверно отделить экземпляры с
потенциально большими показателями деградации или могущими впоследствии выйти из
строя, хотя и изначально удовлетворяющие всем требованиям. Обосновано, что критерии
сортировки должны быть рассчитаны при больших плотностях тока, что подтвердила
серия выполненных сортировок с измерением параметров в пяти точках при разном
прямом токе в импульсном режиме. Установлено, что предложенная методика такой
сортировки позволяет также сделать достоверный прогноз качества произведённых
светодиодов и мобильно скорректировать необходимые технологические операции для
устранения возможного брака на выходе. Сделан акцент на то, что предложенные методы
сортировки на производстве не несут ни дополнительных затрат времени, ни
оборудования, ни энергии, ни трудозатрат персонала.
12.
На основе полученных результатов исследований и выводов по деградации
параметров полупроводниковых излучающих структур была разработана и внедрена в
производство светодиодная лампа для ЖД светофоров. Показано, что разработанные и
использованные в указанном устройстве методики отбора кристаллов по потенциальной
степени деградации параметров позволили построить на их основе высоконадёжное
сигнальное устройство особо ответственного применения, на порядок превосходящее по
362
энергетической эффективности и сроку службы используемые ранее. Отмечено также, что
разработанная лампа полностью взаимозаменяема с используемой в настоящее время в
линзовых
комплектах
ЖД
светофоров
лампой
накаливания
ЖС12-15+15
по
геометрическим и электрическим параметрам, что делает её внедрение на объекты
полностью беззатратным, позволяет использовать весь комплект применяемого в
настоящее время светофорного оборудования (линзовые комплекты, отклоняющие
вставки, и т.п.), позволяет получить более высокую (в 2-3 раза) силу света линзового
комплекта, полностью совместима с существующими интерфейсами управления (не
требует дополнительных адаптеров или модернизации и замены существующих устройств
СЦБ).
13.
Предложенная конструкция лампы для ЖД светофоров на основе светодиодов
белого цвета свечения, работающих по системе «люминофор-синий излучающий
кристалл» не имеет сколь значимых изменений интенсивности и спектра излучения в
диапазоне требуемых температур (-60…+60 оС), в отличие от монохромных светодиодных
аналогов, поэтому, наряду со значительным сроком эксплуатации (не менее 50 000ч – 8
лет при использовании в устройстве), обладает высокой стабильностью фотометрических
и колориметрических характеристик и на данный момент является единственным
универсальным решением для модернизации светосигнальных устройств на ЖД.
Основные выводы.
1. При количественной оценке изменения энергетических характеристик излучения со
временем наработки, существенное значение имеет именно перераспределение плотности
светового потока по пространственной диаграмме излучения, а не его численное
изменение. Этим объясняется непропорциональное этому процессу, изменение значения
максимальной
силы
света,
не
отражающее
истинности
физического
смысла
установленного явления деградации.
2. Предложенная модель излучающей структуры светодиода, представляющая из себя
совокупность мини p-n переходов с различными Uf и Eg, формирующими своим
параллельным включением суммарную вольт – амперную характеристику и спектральное
распределение излучения объясняет связь электрических характеристик структуры и
физические механизмы деградации светового потока.
3. Большинство экспериментальных данных по свойствам синих светодиодов: ширина
спектрального распределения, сдвиг максимума излучения в коротковолновую область
при увеличении плотности прямого тока в отсутствие нагрева активной области, вольт –
амперные характеристики и т. д., разъяснены на основе модели неравномерного
распределения состава InxGa1-xN в активной области кристалла, а светодиод
представляет собой совокупность параллельно включённых микродиодов, имеющих
363
одинаковые параметры широкозонных n – GaN и p – GaN эмиттеров, но отличающихся
друг от друга содержанием индия в квантовых ямах. Площади микродиодов - S(xIn.) с
различным содержанием индия (xIn.) в квантовых ямах в первом приближении
описываются гауссовским распределением относительно средних значений х.
4. Получены основные выводы по физическим процессам в излучающих структурах,
приводящим к деградации параметров и их связь с характеристиками светодиодов:
• Наряду с изменением значения светового потока происходит существенное
перераспределение его плотности внутри диаграммы излучения при наработке
• Подгруппы образцов с наименьшим начальным прямым напряжением Uf(0h) имеют
наибольший показатель деградации светового потока
• Центр спектрального распределения излучения смещается в длинноволновую
сторону, увеличивается его ширина.
5. В ходе проведённых исследований фотобиологической опасности излучения
применяемых в массовом производстве гетероструктур показано, что излучение
построенного по системе излучающий кристалл – люминофор светодиода не является
опасным для здоровья человека и может использоваться в большинстве областей
применения: в сигнальной технике, освещении, бытовом секторе.
364
Список использованной литературы
1. Официальные рекомендации Международной комиссии по освещению (МКО),
публикация МКО № 2.2(ТС-1.6) Цвета световых сигналов. 1975.
2. Джадд Д., Вышецки Г. Цвет в науке и технике: Пер. с англ. под ред. Л.Ф. Артюшина;
М.: Мир, 1978.
3. Агафонов Д. Р., Мурашова М. А., Никифоров С. Г., Пинчук О. П., Столяревская Р. И. //
Исследования визуального восприятия красных железнодорожных светофоров на основе
СИД. «Светотехника» №6 (2003 г.) стр.22.
4. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. Том 1 – 2, «Мир», Москва, 1984 г.
5. Shuji Nakamura, Gerhard Fasol. “The Blue Laser Diode. GaN based Light Emitters and
Lasers.” Springer, 1998
6. Мармалюк А. А. Исследование и разработка процесса МОС - гидридной эпитаксии
нитрида галлия. // Дисс. канд. техн. наук.– М., 1998.– 177 с.
7. Абрамов В. С., Никифоров С. Г., Соболь П. А., Сушков В. П. // Свойства зелёных и
синих InGaN – светодиодов. «Светодиоды и лазеры» №1 – 2, (2002г.) с. 30 - 33.
8. Кудряшов В.Е., Мамакин С.С., Туркин А.Н., Юнович А.Э., Ковалёв А.Н., Маняхин Ф.И.
Спектры и квантовый выход излучения светодиодов с квантовыми ямами на основе
гетероструктур из GAN – зависимость от тока и напряжения. // «Физика и техника
полупроводников», 2001г, том 35, вып. 7., стр 861 - 868.
9. Ермаков О.Н., Сушков В.П. Полупроводниковые знакосинтезирующие индикаторы. –
М.: Радио и связь, 1990.
10. Именков А.Н., Гребенщикова Е.А., Журтанов Б.Е., Данилова Т.Н., Сиповская М.А.,
Власенко Н.В., Яковлев Ю.П.. Свойства светодиодов на основе GaSb с сетчатыми
омическими контактами. // «Физика и техника полупроводников», 2004г, том 38, вып. 11.,
стр 1399 - 1407.
11. Пасынков В.В., Чиркин Л.К., Полупроводниковые приборы, «Лань», Москва, С. – П.,
Краснодар, 2003 г.
12. www.lumileds.com Тиристорный эффект в кристаллах на подложке GaP.
13. www.cree.com Технические характеристики кристаллов на подложке SiC.
14. Абрамов В.С., Сушков В.П., Сыпко Н.И. Метод измерения температуры p-n перехода
светодиодов. // «Светодиоды и лазеры» №1 – 2, (2002г.) с. 35 - 37.
15. Никифоров С.Г. Температура в жизни и работе светодиодов. // «Компоненты и
технологии» №9, (2005 г.) с. 48 - 54., №1, (2006 г.) с. 18 - 23.
16. Патент РФ №2114492 «Светоизлучающий диод» (Светоизлучающий диод с линзой на
основе макролона и улучшенным теплоотводом).
365
17. ГОСТ 25695–91 «Светофоры дорожные. Типы. Основные параметры»,
18. ГОСТ 24179–80 «Светофильтры, светофильтры-линзы, линзы, рассеиватели и
отклоняющие
вставки
стеклянные
для
сигнальных
приборов
железнодорожного
транспорта»
19. Патент РСТ/RU99/00389 Luminescent diode devise (Узконаправленный светодиод с
линзой Френеля).
20. Никифоров С.Г. Теперь электроны можно увидеть: светодиоды делают электрический
ток очень заметным. // «Компоненты и технологии» №3, (2006 г.) с. 96 - 103.
21. Никифоров С.Г. Проблемы, теория и реальность светодиодов для систем отображения
информации высшего качества. // «Компоненты и технологии» №5, (2005 г.) с.48 - 57.
22. Бочкарёва Н.И., Ефремов А.А., Ребане Ю.Т., Горбунов Р.И., Клочков А.В., Шретер
Ю.Г. Деградация инжекции носителей заряда и деградация голубых светодиодов. //
«Физика и техника полупроводников», 2006 г, том 40, вып. 6., стр 122 - 127.
23. Гонтарук А.Н., Корбутяк Д.В., Корбут Е.В., Мачулин В.Ф., Олих Я.М., Тартачник В.П.
Деградационно-релаксационные явления в светоизлучающих p - n - структурах на основе
фосфида галлия, стимулированные ультразвуком. // ЖТФ, 1998, том 24, № 15.
24. Ковалёв А.Н., Маняхин Ф.И., Кудряшов В.Е., Туркин А.Н., Юнович А.Э., Изменение
люминесцентных электрических свойств светодиодов из структур InGaN/AlGaN/GaN при
длительной работе. // «Физика и техника полупроводников», 1999г, том 33, вып. 2., стр
224 - 232.
25. Никифоров С.Г. Почему светодиоды не всегда работают так, как хотят их
производители? // «Компоненты и технологии» №7, (2005 г.) с.16 - 24.
26. D.R. Agafonov, P.P. Anikin, S.G. Nikiforov, «On Design and Manufacturing of LED and
systems based on LED». // «Light & Engineering», volume 11, number 1, 2003, p. 50 – 56.
27. Котюк А.Ф. Основы оптической радиометрии М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003г.
28. Ермаков О.Н. Прикладная оптоэлектроника. М.: Техносфера, 2004.
29. Технический доклад МКО "Измерения СИД". (Technical report "Measurements of
LED's" CIE127-1997 [ISBN 3 900 734 84 4]).
30. Мосс Т. Полупроводниковая оптоэлектроника. «Мир», Москва, 1976 г.
31. Закгейм А.Л. Особенности работы светодиодов сине-зеленого диапазона на основе
InGaN- структур с квантово-размерной активной областью при высоких уровнях
возбуждения. // Электроника, №3, (1999), стр. 16.
32. Маняхин Ф.И., Кодак А. Метод контроля технологии светодиодных структур. //
«Компоненты и технологии» №6, (2005 г.) с.236 - 238.
366
33. Сидоров В.Г, Сидоров Д.В., Соколов В.И. Влияние внутренних механических
напряжений на характеристики светодиодов из арсенида галлия. // «Физика и техника
полупроводников», 1998г, том 32, №11., стр 1393 - 1398.
34. Патент РФ №2170995 «Светодиодное устройство» (Светодиод, охлаждаемый
Пельтье)).
35.
Рожанский
И.В,
Закгейм
Д.А..
Анализ
причин
падения
эффективности
электролюминесценции светодиодных гетероструктур AlGaInN при большой плотности
тока накачки. // «Физика и техника полупроводников», 2006г, том 40, вып. 7, стр 861 - 867.
36. D. Winston. Simwindows 1.5.0.
37. D. Winston. Physical simulation of optoelectronic semiconductor devices. The thesis for
P.H.D. degree. Department of E.C.E. of the University of Colorado, 1996.
38. Сушков В.П., Кузнецов Г.Д., Рабинович О.И. Компьютерное моделирование
параметров полупроводниковых компонентов микроэлектроники. Москва, «Учёба»,
2005г.
39. Никифоров С.Г. Исследование параметров семейства светодиодов CREE XLamp. //
«Компоненты и технологии» №11 2006, стр. 42 - 49.
40. Четверикова И.Ф., Чукичёв М.В., Храмцов А.Н. Оптические свойства нитрида галлия.
М.: ЦНИИ «Электроника», 1982, 58 стр. (Обзоры по электронной технике. Сер. 6,
Материалы, вып. 8).
41.
Коган
Л.М.
Светоизлучающие
диоды
//
Электронная
техника.
Сер.
2,
Полупроводниковые приборы. 1982, вып. 3. стр. 100-111.
42. Юнович А.Э. Излучательная рекомбинация и оптические свойства фосфида галлия. //
Излучательная рекомбинация в полупроводниках. М.: «Наука», 1972, стр. 224-297.
43. Коган Л.М. Полупроводниковые светоизлучающие диоды. М.: Энергоатомиздат, 1983,
207 стр.
44. Ермаков О.Н., Сушков В.П. Влияние дислокационной структуры и характера
примесного легирования на излучательные характеристики твёрдых растворов А3В5. //
Электронная техника. Сер. 2, Полупроводниковые приборы, 1987, вып.4 (190), стр. 27-34.
45. Дзино В.Н., Кононок М.Л., Скарин В.К., Щербаков Н.В. Автоматизация процессов
сборки полупроводниковых индикаторов. // Электронная промышленность, 1982, вып. 5-6,
стр.57-58.
46. Носов Ю.Р. Применение оптоэлектронных приборов. М.: Радио и связь, 1981, 342 стр.
47. Ермаков О.Н., Аксёнов В.Ф., Игнаткина Р.С. Светоизлучающие диоды зелёного цвета
свечения с повышенной температурной стабильностью потока излучения. // Тез. докл. на 4
Всесоюз. конф. «Фотометрия и её метрологическое обеспечение». М., 1982, стр. 103.
367
48. Ермаков О.Н., Аксёнов В.Ф., Игнаткина Р.С. Светодиоды видимого диапазона спектра
с повышенной температурной стабильностью излучательных характеристик. // Тез. докл.
на 5 Всесоюз. конф. «Фотометрия и её метрологическое обеспечение». М., 1984, стр. 157.
49.
Синкевич
В.Ф.,
Соловьёв
В.Н.
Физические
механизмы
деградации
полупроводниковых приборов. // Зарубежная электронная техника, 1984, вып. 2 (273), стр.
3-46.
50. Горин Б.В., Кив Е.В., Плотникова Л.Г., Соловьёв В.Н. М.: ЦНИИ «Электроника» 1983,
56 стр. (Обзоры по электронной технике, вып. 48).
51. Птащенко А.А. Деградация светоизлучающих приборов. // Журнал прикладной
спектроскопии. 1980, вып. 5, стр. 781-803.
52. Gold R. D., Weisberg L. R. Permanent Degradation of GaAs Tunnel Diodes. // Solid State
Electronics, 1967, Vol. 7, #11. P. 811-821.
53. Сушков В.П., Щепетилова Л.А. Деградация интенсивности излучения инжекционных
источников света. // Электронная техника, сер. 2, Полупроводниковые приборы, 1971,
вып. 5, стр. 3-7.
54. Сушков В.П. Физические основы деградации полупроводниковых излучающих
диодов. // Физические основы надёжности и деградации полупроводниковых приборов, ч.
1. Кишинёв, 1982, стр. 24-25.
55. Shimano N. The effect of Thermal Stress on the Temperature Dependence of Degradation in
GaAs0,9P0,1 LEDs Operating at High Currents Densities. // J Appl. Phys.- Vol. 51, #3. P. 18181824.
56. Аладинский В.К., Карацюба А.П. Диффузионная теория деградационных явлений в
электролюминесцентных диодах. // Электронная техника, сер. 2, Полупроводниковые
приборы, 1978, вып. 4, стр. 51-58.
57. Николаенко В.В., Свечникова С.В., Сушков В.П., Сыпко Н.И. Исследование вольтамперных и ампер-яркостных характеристик светоизлучающих диодов на основе
соединения GaAs0,6P0,4. // Электронная техника, сер. 2, Полупроводниковые приборы,
1981, вып. 6, стр. 63-72.
58. Мулюкин Н.В., Сушков В.П., Новиков В.П., Кашеварова Е.В. Исследование
импульсных режимов работы полупроводниковых источников света, используемых в
системах отображения информации. // Электронная техника, сер. 2, Полупроводниковые
приборы, 1977, вып. 4, стр. 55-62.
59. Егоров Л.П., Никифоров С.С., Воротынский В.А. Форсированные испытания для
оценки надёжности светоизлучающих приборов. // Электронная техника, сер. 2,
Полупроводниковые приборы, 1978, вып. 7, стр. 113-118.
368
60. Гурков Л.Н., Ермаков О.Н., Ермошина Т.А., Сушков В.П. Импульсная фотометрия
ЦЗИ. // Вопросы микроэлектроники и физики полупроводниковых приборов. Тбилиси,
1980, стр. 70-71.
61. Волков В.В., Закгейм А.Л. Мощные полупроводниковые источники излучения.
Электроника №3, (1999), стр. 16.
62. Mukai T., Yamada M., Nakamura S. Characteristics of InGaN-based
UV/Blue/Green/Amber/Red Light-Emitting-Diodes. Jpn.J.Appl.Phys. 38, (1999), L3976.
63. Nakamura S. et. al. High-power single-quantum-well structure blue and violet light-emitting
diodes. Appl. Phys. Lett. 67, (1995), L1868.
64. Nakamura S., Fasol G. The blue Laser Diode; GaN based Light Emitters and Lasers.
Heidelberg, 1997.
65. Ковалев А.Н., Маняхин Ф.И. Эффективные светодиоды на основе AlGaN/InGaN/GaN
гетероструктур. // Изв. вузов. Материалы электронной техники.– 1998.– №1.
67. Туркин А.Н. Механизмы излучательной рекомбинации в гетероструктурах на основе
InGaN/AlGaN/GaN c одиночными квантовыми ямами // Дисс. на соиск. уч. ст. к.т.н.,
Москва, 1998.
68. Лундин В.В. Эпитаксиальные слои GaN и многослойные структуры GaN/AlGaN.
Разработка технологии выращивания и исследование свойств // Дисс. на соиск. уч. ст.
к.т.н., С.-Пб., 1998.
69. Нашельский А.Я. Технология спецматериалов электронной техники. М.: Металлургия,
1993.
70. Hatcher M. Traditional Cree seeks next big thing. Compound Semiconductor, September, 12,
2006.
71. Hatcher M. Osram develops tiny thin-GaN white LED. Compound Semiconductor, April, 13,
2005.
72. Jinschek J.R. et al. Local indium segregation and band gap variations in high efficiency green
light emitting InGaN/GaN diodes. Solid State Com., 137, 230-234, 2006.
73. Ермаков О.Н. Излучательные характеристики гетероструктур на основе широкозонных
четырёхкомпонентных твёрдых растворов А3В5. // Электронная техника. Сер. 2,
Полупроводниковые приборы, 1984, вып. 6, стр. 16-26.
74. Аладинский В.К., Барышников Д.А., Соляр В.Г. Расчёт нелинейности температурной
зависимости прямого напряжения p-n перехода. // Электронная техника. Сер. 2,
Полупроводниковые приборы, 1984, вып. 6, стр. 16-26.
75. Николаев Ю.Н., Кулешов В.М. Зависимость температурного коэффициента излучения
светодиодов от тока питания. // Тез. докл. на 5 Всесоюз. конф. «Фотометрия и её
метрологическое обеспечение». М., 1984, стр. 164.
369
76. Кравцов В.Е., Кузнецов В.И., Ловинский Л.С. Метод температурной стабилизации
потоков излучения светодиодов. // Метрология. – 1979, №8, стр. 15-19.
77. Баринова Э.Ю., Вишневская Б.И., Коган Л.М. Температурная зависимость зелёного
светодиода из GaP в интервале температур от –60 до +60оС. // Электронная техника. Сер.
2, Полупроводниковые приборы, 1982, вып. 7, стр. 46-53.
78. Птащенко А.А., Мороз Н.В., Цап Б.В. Деградация излучающих p-n-переходов //
Обеспечение качества и надежности РЭА и ЭВА. Межвузовск. сборн. научн. труд.
Москва. МИП. - 1989.-С.62-79.
79. Закон «Об обеспечении единства измерений» (в ред. Федерального закона от
10.01.2003 № 15-ФЗ).
80. ГОСТ Р 51000.4-2011. Система аккредитации в РФ. «Общие требования к
аккредитации испытательных лабораторий». Госстандарт РФ, официальная копия
документа № 036.637.
81. ГОСТ Р ИСО/МЭК 17025-2000. «Общие требования к компетентности испытательных
и калибровочных лабораторий».
82. Кудряшов В.Е., Туркин А.Н., Юнович А.Э., Ковалёв А.Н., Маняхин Ф.И.
Люминесцентные и электрические свойства светодиодов с множественными квантовыми
ямами. // «Физика и техника полупроводников», 1999г, том 33, вып. 4, стр. 445 - 450.
83. Патент на изобретение №2134000 «Светодиодный источник с углом излучения 3о для
систем управления транспортом». Приоритет от 31.12.1997.
84. С.Г. Никифоров. Разработка методик контроля деградации характеристик светодиодов
на основе твёрдых растворов AlGaInP и AlGaInN. // Диссертация на соискание учёной
степени кандидата технических наук. Москва, 2007 год.
85. Патент на изобретение №2436196 «Светодиодный источник с для систем управления
транспортом». Приоритет от 11.06.2010.
86. Патент на изобретение №2444091 «Светодиодный источник излучения». Приоритет от
16.07.2010.
87. Патент на изобретение №2444676 «Светодиодный источник излучения». Приоритет от
16.08.2010.
88. Патент на изобретение №2402108 «Светодиодный источник излучения для систем
управления транспортом». Приоритет от 09.11.2009.
89. Патент на полезную модель №130404 «Фотометрический датчик». Приоритет от
18.12.2012.
90. Патент на полезную модель №88771 «Светодиодный модуль». Приоритет от
03.07.2009.
370
91. Патент на полезную модель №133562 «Светодиодный источник излучения для систем
управления транспортом». Приоритет от 17.05.2013.
92. Патент на полезную модель №139759. «Светодиодная лампа с корригирующим
фильтром для систем управления железнодорожным и/или автомобильным транспортом».
Заявка №2013141040/07(062614). Приоритет от 06.09.2013.
93. Патент на полезную модель №130394 «Комплекс средств исследования и измерения
светотехнической продукции». Приоритет от 23.11.2012.
94. ГОСТ 25695–91 Светофоры дорожные. Типы. Основные параметры.
95. Патент на изобретение №2008129653. Светодиодный источник излучения. Приоритет
от 27.01.2010
96. ТУ 3185-003-01404314-2009.
97. ТУ 32 ЦШ 3185-075-95982431-2009
98. Проект ГОСТ Р «Системы светооптические светодиодные для железнодорожной
светофорной сигнализации. Технические требования и методы контроля».
99. Интернет-ресурс http://www.swarco.com.
100. С.Г. Никифоров. Лаборатория исследований источников света «Архилайт» - самый
современный независимый аккредитованный испытательный центр в области метрологии
излучения полупроводниковых и традиционных источников света. // 1-ый Всероссийский
светотехнический форум «Инновационные продукты, материалы и технологии», Саранск,
декабрь 2011.
101. Азизян Г.В., Никифоров С.Г. Эталонный источник света на основе светодиодов для
калибровки фотометрического оборудования. // «Полупроводниковая Светотехника» № 1,
2013, стр. 36-39.
102. ГОСТ 23198-94 Лампы электрические. Методы измерения спектральных и цветовых
характеристик
103. ГОСТ Р 54350-2011 Приборы осветительные. Светотехнические требования и методы
испытаний.
104. С.Г. Никифоров. Интернациональная физика и отечественная лирика современной
метрологии света. // «Полупроводниковая Светотехника» № 5, 2012, стр. 74-84.
105. Хьюбел Д. Глаз, мозг, зрение. // Пер. с англ. - М.: Мир, 1990. - 239 с.
106. Физиология сенсорных систем: Ч.1. Физиология зрения. // Л.: Наука, 1971.- 416
107. Берман С.М., Клиер Р.Д. Недавно открытый фоторецептор человека и предыдущие
исследования в области зрения. // «Светотехника» №3 2008, с 49-53.
108. Т.Н. Хацевич. Физиологическая оптика: Учебное пособие. - Новосибирск: СГГА. 1998. - Ч.1. - 98 с.
371
109. Йордан В., Халбриттер В., Хорак В. Метрологические требования к определению
характеристик фотобиологических опасностей ламп и светодиодов //Светотехника -№5, 2009, стр. 50–57
110. ТУ16-675. 217-87. Взамен ГОСТ 11085-79. Лампы накаливания малогабаритные и
среднегабаритные для светофоров железнодорожного транспорта. Технические условия.
111. С. Г. Никифоров. Физические аспекты восприятия приборов световой ЖД
сигнализации на основе светодиодов и оправданность их применения. // Доклад на
конференции «ТрансЖат –2008», 22-24 октября 2008г.
112. С.Г. Никифоров, М.А. Мурашова, А. Шищенко. Исследование фотобиологической
опасности
светодиодных осветительных приборов,
для нужд железнодорожного
транспорта. // «Полупроводниковая Светотехника» № 1, 2011, стр. 34-40.
113. С.Г. Никифоров. Система параметров светодиодов. Электрические, фотометрические,
спектральные
(колориметрические)
и
энергетические
характеристики.
//
«Полупроводниковая Светотехника» № 5, 2011, стр. 16-27.
114. С.Г. Никифоров. Фотометрический метод исследования гетероструктур. // «Заводская
лаборатория» № 1, 2010, том 76, стр. 28- 33.
115. E.К. Наими, С.Г. Никифоров, О.И. Рабинович, В.П. Сушков. Влияние ультразвуковой
вибрации на деградацию светоизлучающих диодов на основе InGaN. // «Материалы
Электронной Техники» №1 2009, стр 86-92.
116. В.С. Абрамов, В.П. Сушков. С.Г. Никифоров. Светодиодная лампа для
железнодорожных светофоров. // 8-я Всероссийская Конференция «Нитриды галлия,
индия и алюминия: структуры и приборы» ФТИ им. Иоффе, С-Пб, 26 - 28 мая 2011 г.
117. В.П. Сушков. С.Г. Никифоров. Метод контроля потенциальной степени деградации
характеристик светодиодов на основе твёрдых растворов AlGaInN. // «Полупроводниковая
Светотехника» № 3, 2011, стр. 10-13.
118. Сводка требований стандартов CIE S009/IEC 62471
120. С.Г. Никифоров. Исследования параметров светодиодов CREE XLamp XP-E/XPG/XM-L. // «Полупроводниковая Светотехника» № 2, 2011, стр. 12-18.
121.
С.Г.
Никифоров.
Новые
возможности
светодиодов
Luxeon
REBEL.
//
«Полупроводниковая Светотехника» № 2, 2011, стр. 8-9.
122. С.Г. Никифоров. Исследование светодиодов средней мощности от Samsung. //
«Полупроводниковая Светотехника» № 2, 2013, стр. 41-44.
123. С.Г. Никифоров. Исследование светодиодов большой мощности от Seoul
Semiconductor. // «Полупроводниковая Светотехника» № 5, 2013, стр. 52-57.
124. С.Г. Никифоров. Исследование светодиодов производства ОАО «Светлана-ЛЕД». //
«Полупроводниковая Светотехника» № 2, 2012, стр. 16-20.
372
125. Азизян Г.В., Артамонов А., Никифоров С.Г. Гониофотометрическая установка для
определения углового распределения силы света. // «Полупроводниковая Светотехника»
№ 1, 2010, стр. 41 - 43.
126. В.С. Абрамов, к.т.н., С.Г. Никифоров, к.т.н., А.А. Иванов П. Пензев, Х. Мухов.
Светодиодная лампа для ЖД светофоров. // «Полупроводниковая Светотехника» № 3,
2010, стр. 47 - 52.
127. Никифоров С.Г., А.Л. Архипов. Исследования деградации параметров гетероструктур
InGaN на подложках из различных материалов в течение 50000ч и сравнение результатов
с прогнозом на стадии наработки до 2000ч. // 9-я Всероссийская Конференция «Нитриды
галлия, индия и алюминия: структуры и приборы» МГУ им. М.В. Ломоносова, Москва, 13
- 15 июня 2013 г.
128.
С.Г.
Никифоров.
Исследование
фотобиологической
опасности
популярных
источников света: от ламп накаливания до Солнца. // «Полупроводниковая Светотехника»
№ 5, 2013, стр. 32-38.
129. А.П. Аникин, Д.П. Аникин, А.П. Величко, В.В. Кузнецов, С.Г. Никифоров, О.И.
Рабинович.
Спектральный метод и
установка для разработки и
исследования
люминофоров для производства светодиодов белого цвета. // «Приборы и системы.
Управление, контроль, диагностика» №3 2014, стр.46-52.
130. С.Г. Никифоров, А.Л. Архипов, О.И. Рабинович. Исследования характеристик
светодиодов и прогнозирование потенциальной степени деградации. // «Приборы и
системы. Управление, контроль, диагностика» №5 2014, стр.63-68.
131. С.Г. Никифоров, А.Л. Архипов. Лаборатория «Архилайт» - современный
аккредитованный испытательный центр в области исследований полупроводниковых
излучающих гетероструктур. // «Инновации и инвестиции» №11 2014, стр.240-247.
132. С.Г. Никифоров. Методы и средства измерения характеристик фотобиологической
опасности популярных источников света. // «Инновации и инвестиции» №12 2014,
стр.167-172.
133. С.Г. Никифоров. Фотометрические и радиометрические методы измерений
параметров излучения светодиодов. // «Перспективы науки» №12 2014 стр.109-116.
134. С.Г. Никифоров. Физические основы цветового восприятия и спектральные методы
измерения цветопередачи светодиодных и традиционных источников света. // «Научное
обозрение» №1 2015, стр. 53-64.
135. С.Г. Никифоров, А.Л. Архипов. Ремикс по - светотехнически. // «Полупроводниковая
Светотехника» № 5, 2014, стр. 8-15.
373
136. С.Г. Никифоров. Прогноз срока службы и изменения параметров промышленных
светодиодов при наработке с помощью фотометрического метода. // «Инновации и
инвестиции» №1, 2015, стр. 152-156.
137. Rabinovich O.I., Nikiforov S.G., Sushkov V.P., Shishov A.V. New results of InGaN LED
simulation // Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, Volume
6468, 2007, Article number 64680U
138. ГОСТ Р МЭК 62471-2013 Светобиологическая безопасность ламп и ламповых систем.
374
Приложения
375
Индикатрисы силы излучения, W/sr
0.13
0.11
0.098
0.081
0.065
0.049
0.033
0.016
120
100
80
60
40
20
0
20
На расстоянии H = 2.075 m
Энергетическая освещённость
в области точки максимума
W
Ps = 0.03
2
m
Энергия в точке максимума 130
-6
R h = 4.881 ´ 10
W
110
100
90
80
40
60
80
100
Интегральная мощность излучения
PS = 0.4128W
70
120
60
Сила излучения
50
140
30
20
10
W
0
0
u = 40.714%
0.021 0.042 0.063 0.083
0.1
0.13
190
200
= 0.03%
В видимом диапазоне
340
330
220
320
230
PS
= 99.968%
Приложение 2.1.
310
240
PIv = 0.4127W
PIv
sr
350
За пределами V(l)
PE = 0.0001W
210
PS
sr
W
IEax = 0.1248
sr
40
Эффективность
излучения
180
PE
W
IEmax = 0.1251
150
Эффективность
спектральная
световая
160
lm
K = 320.43
W 170
Мощность
излучения
120
300
250
45-00 deg
horizontal
00-45 deg
260
270
280
290
Световой поток
F = 132.24lm
Сила света
Ivmax = 40.07cd
376
Spatial radiation pattern
1
lmax = 446
nm
l10.5 = 436 nm
l20.5 = 577.5 nm
0.9
SLHW0.5 = 141.5 nm
l10.1 = 423 nm
0.8
l20.1 = 365 nm
SLHW0.1 = 249.5 nm
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
nm
200
250
300
350
400
450
500
550
600
650
700
750
800
850
900
950
1000 1050
Chromaticity coordinates
0.9
x1x2
Color coordinates
0.8
X = 0.3137
Y = 0.3326
0.7
Z = 0.3536
0.6
0.5
0.4
y 12
D65
0.3
0.2
0.1
0
0
0.05
0.1
Приложение 2.1.
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
0.45
0.5
0.55
0.6
0.65
0.7
0.75
377
All parameters
_______________
Мощность
излучения
Мощность
излучения
P S = 0.4128 W
Total Optic power
в видимом
l)
Optic power into V(
P Iv = 0.4127 W
диапазоне
P Iv
PS
Мощность
видимого
излучения
за пределами
l)
Optic power out V(
P E = 0.0001 W
диапазона
PE
PS
Суммарный
cветовой
Максимальная
сила
поток
Luminous Intensity
max
on - axis
Осевая сила света
Освещённость по оси
на расст.
H = 2.075 m
Энергетическая
сила света
максимальная
Угловые характеристики
и распределение мощности
по основным плоскостям
IEmax = 0.1251
Power Intensity on-axis
IEax = 0.1248
параметры
Эффективность
Фотометрическое
отношение
Спектральная
W 0.5 = 121.262 deg
эффективность
Энергетическая
освещённость
расстоянии H = 2.075 m
Максимальная
Полуширина
на
длина волны
Центроидная
длина
волны
Доля ОСПЭЯ отн. V( l)
Коррелированная
цветовая
Цветовая температура
по
температура
Планку
A
U = 2.90
V
P in = 1.014
W
Efficacy
u v = 130.418
lm
Energy illumination
on a distance:
H = 2.08
W
cd
N = 303
Luminous Efficacy
Color coordinates
волны
Ie = 0.35
Power input
Координаты
длина
y 0.1 = 172.113 deg
Q av0.1 = 171.854 deg
Ширина спектра излучения
Доминирующая
y 0.5 = 125.022 deg
Q av0.5 = 122.515 deg
SLHW 0.5
SLHW 0.1
цветности
W 0.1 = 171.725 deg
Averadge angle 0,1Iv max
Maximum wavelength
спектра излучения
q 0.1 = 171.725 deg
Averadge angle 0,5Iv max
Efficiency
Световая
sr
Horizontal plane
dP 00 = 33.03 %
Ivmax/1000lm
КПД
sr
W
q 0.5 = 121.262 deg
Electrical data
световая
W
45-00 plane
dP 450 = 33.03 %
00-45 plane
dP 045 = 33.94 %
Электрические
Ivax = 40 cd
Power Intensity max
Angles and
Optic Power
pattern to
planes,%
Cредние значения углов
Ivmax = 40.07 cd
Ev = 9.29 lx
On-axis illumination on dist.H
осевая
= 0.03 %
F = 132.24 lm
Total Luminous Flux
света
= 99.968 %
klm
u = 40.71 %
lm
K = 320.43
W
W
m
P s = 0.03
2
m
lmax = 446
nm
SLHW 0.5 = 141.5
SLHW 0.1 = 249.5
X = 0.314
Y = 0.333
Dominant wavelength
l dom = 562.18
Centroid wavelength
lcentroid
Spectral part to V( l)
Correlated
color temperature (CCT)
Plank Color temperature
P l = 44 %
nm
nm
Z = 0.354
nm
= 545.5 nm
T c = 6446.1
K
T Plank = 7389.5
K
Приложение 2.1. Пример комплекса измеренных и рассчитанных параметров и
характеристик светодиода.
378
Приложение 2.2. Внешний вид фотометрического стенда «Флакс-20».
379
Приложение 2.3. Фотометрическая установка «Флакс-7» и её гониометр.
380
Приложение 2.4. ч.1. Эталонный источник излучения на основе светодиодов.
381
Приложение 2.4. ч.2. Эталонный источник излучения на основе светодиодов.
382
Приложение 2.5. Спектрометрическая установка «Спекорд».
383
Приложение 2.6. а) - стенд для измерения спектральных и колориметрических
характеристик на основе спектрофотометра Specord-S600, б) - «Спекорд» во время
измерений совместно с установкой «Флакс-20».
384
Приложение 2.7. Стенд для непрерывной наработки образцов с целью изучения
деградационных характеристик излучающих структур и светодиодов на их основе.
385
U ст.
U ст.
U с т.
U с т.
U с т.
U с т.
С в е то д и о д ы
+
R
R
R
R
R
R
П л а та и н д и в и д уа л ь н ы х с т а б и л и за т о р о в и с в е то д и о д о в
U ос
С табил изированн ы й
И с т о ч н и к 1 3 ,5 В
44 А
И с т о ч н и к б е с п е р е б о й н о го
пита н ия
к другим пл ат ам
Сеть
С е те в о й ф и л ь тр - с т а б и л и за то р
Приложение 2.8. Внешний вид плат со светодиодами и блок – схема системы питания
светодиодов для режима наработки.
386
1
dФ/dФmax
0h
100h
300h
500h
1000h
2000h
3000h
5000h
0,8
0,6
0,4
0,2
dW,deg
0
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
25
а)
dФ,lm
0,14
0h
100h
300h
500h
1000h
2000h
3000h
5000h
0,12
0,1
0,08
0,06
0,04
0,02
dW ,deg.
0
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
б)
Приложение 2.9. Динамика относительного (а) и абсолютного (б) изменения
распределения светового потока в объёме кристалла в зависимости от времени наработки
в виде соответствующих плоских проекций пространственного распределения (шаг
измерения светового потока – телесный угол, образованный плоским при разбиении всего
сектора излучения на 40 частей - 1 град., время наработки указано на сносках).
25