Analýza parametrů světloemitujících diod

České vysoké učení technické v Praze Fakulta elektrotechnická Katedra elektroenergetiky

Diplomová práce

Analýza parametrů světloemitujících diod Bc. Filip Slovák

Vedoucí práce: Ing. Jiří Pavelka

Studijní program: Elektrotechnika a informatika, strukturovaný, navazující magisterský Obor: Silnoproudá elektrotechnika květen 2009

Poděkování Chtěl bych tímto poděkovat vedoucímu mé diplomové práce Ing. Pavelkovi ze společnosti ETNA za svěřenou důvěru, trpělivost a motivaci. Dále bych chtěl poděkovat Ing. Burhanovi a jeho kolegům ze společnosti TRON za trpělivost a pomoc při měření parametrů diod LED. Také děkuji Prof. Ing. Habelovi DrSc. za svěřenou důvěru při zadávání práce a dále všem, kteří mě při tvorbě této práce motivovali a podporovali.

Prohlášení

Prohlašuji, že jsem práci vypracoval samostatně a použil jsem pouze podklady uvedené v přiloženém seznamu. Nemám závažný důvod proti užití tohoto školního díla ve smyslu §60 Zákona č. 121/2000 Sb., o právu autorském, o právech souvisejících s právem autorským a o změně některých zákonů (autorský zákon).

V Praze dne 15. 5. 2009

...................................

Abstract The aim of this thesis is to provide an analysis of light emitting diode parameters in view of current trends. The theoretical part deals with history, current trends and assumed progress of LEDs. Fundamental parameters of light emmiting diodes are also described. The practical part is devided into two chapters which deal with heat and light parameters of LEDs. Heat management concentrates on deflecting heat from the chip of LED and their heating effects on surroundings. In the next part principles, recommendations and the most frequently measured parameters according to directions of CIE 127 are explained. The last part is devoted to the measured values, analysis of selected types of LEDs and their data comparison with data provided by the manufacture.

Anotace

Cílem této práce je provést analýzu vybraných parametrů světloemitujících diod z pohledu současných trendů. Teoretická část práce se věnuje historii, současným trendům a předpokládanému vývoji diod LED. Zde jsou popsány i základní parametry diod LED. Praktická část je rozdělena do dvou kapitol, které se zabývají tepelnými a světelnými parametry světloemitujích diod. Tepelný management se zabývá odvodem tepla z chipu diod LED. V této kapitole jsou taktéž řešeny tepelné účinky světloemitujících diod na okolní prostředí. V další části jsou vysvětleny principy, doporučení a také nejčastěji měřené světelné parametry dle směrnice CIE 127. Závěr práce je věnován naměřeným hodnotám, rozborům vybraných diod LED a jejich srovnání s údaji udávanými výrobcem.

OBSAH Seznam obrázků

viii

Seznam tabulek

ix

1. Úvod

1

2. Historie

2

3. Parametry diod LED

5

3.1 Princip činnosti …………………………………………………...…

5

3.2 Konstrukce ………………………………………………………...…

8

3.3 Měrný výkon LED................................................................................

11

3.4 Technologické vlastnosti ………………………………….……........

11

3.5 Optické vlastnosti ……………………………………………………

12

3.5.1

Kolorometrie ……....................................................................

12

3.5.2

Index podání barev (Ra) …………………………....………...

13

3.5.3

Optická osa …………………………………....……………..

13

3.5.4

Křivka svítivosti ….……………………….....…………….…

14

4. LED aplikace

15

4.1 Současné uplatnění LED…………………….……………...……….

15

4.2 Budoucnost LED……………………………………………………..

16

4.3 Organické LED ………………………………………………….......

17

4.4 Výhody použití OLED pro počítačové a televizní displeje ….…....…

17

5. Tepelný management diod LED 5.1 Tepelný management power LED.................................................. 5.1.1

Tepelný odpor.........................................................................

18 18 18

5.2 Tepelný management světloemitujících diod v uzavřeném prostoru..............................................................................................

21

5.2.1

Měření oteplení uvnitř vitríny – měřící pracoviště A.............

21

5.2.2

Měření oteplení uvnitř vitríny – měřící pracoviště B.............

22

6. Laboratorní měření diod LED

23

6.1 Směrnice CIE 127.............................................................................

23

6.2 Měřící zařízení OL 770 – LED.........................................................

23

6.3 Parametry softwaru “OL 770 Spectroradiometer”..........................

24

6.4 Hardwarová specifikace hlavní jednotky OL 770 LED (Spectroradiometer)..........................................................................

25

6.5 Goniofotometr pro měření křivek svítivosti diod LED....................

26

6.6 Kulový integrátor..............................................................................

28

6.6.1

Měření světelného a zářivého toku........................................

30

6.6.2

Měření účinnosti diod LED...................................................

31

6.6.3

Měrný výkon diod LED.........................................................

31

6.7

Spektrální charakteristika.............................................................

32

6.8

Trichromatické soustavy a odvozené parametry..........................

32

6.9

Barevná čistota..............................................................................

34

6.10 Teplota chromatičnosti.................................................................

34

6.11 Receptory pro měření podmínek A a B........................................

34

6.12 Napájecí zdroj diod LED..............................................................

37

6.13 Ostatní příslušenství.....................................................................

38

7. Závěr

39

8. Seznam použité literatury

40

9. Seznam příloh

41

Seznam obrázků

Obrázek 2.1 Obrázek 2.2 Obrázek 3.1 Obrázek 3.2 Obrázek 3.3 Obrázek 3.4 Obrázek 3.5 Obrázek 3.6 Obrázek 3.7 Obrázek 3.8 Obrázek 3.9 Obrázek 3.10 Obrázek 3.11 Obrázek 4.1 Obrázek 4.2 Obrázek 5.1 Obrázek 5.2 Obrázek 5.3 Obrázek 5.4 Obrázek 5.5 Obrázek 6.1 Obrázek 6.2 Obrázek 6.3 Obrázek 6.4 Obrázek 6.5 Obrázek 6.6 Obrázek 6.7 Obrázek 6.8 Obrázek 6.9 Obrázek 6.10 Obrázek 6.11 Obrázek 6.12 Obrázek 6.13 Obrázek 6.14 Obrázek 6.15 Obrázek 6.16 Obrázek 6.17

4 4 6 6 7 8 8 9 10 12 13 13 14 15 16 19 19 20 22 22 23 24 25 26 27 27 28 28 29 29 32 34 35 36 36 37 38

viii

Seznam tabulek

Tabulka 3.1

7

Tabulka 3.2

8

Tabulka 3.3

9

Tabulka 6.1

30

Tabulka 6.2

37

ix

Diplomová práce – Filip Slovák

Analýza parametrů světloemitujících diod

1. Úvod Konec 20. století je přelomové období v historii světloemitujících diod. Aplikační oblast těchto součástek prudce narůstá s příchodem bílých diod LED a také s vývojem nových materiálů PN přechodů. To vede i k postupnému zvyšování světelné účinnosti. Světloemitující dioda byla a je, ve srovnání s klasickými zdroji světla, velmi miniaturní. V tomto ohledu je zřejmé, že pro měření různých fotometrických a radiometrických parametrů je nutné vymyslet nový koncept, který by splňoval měřící kritéria a určoval standardy, kterých by se výrobci diod LED měli držet. Standardní měřící zařízení, ve kterých se doposud měřily různé zdroje světla či samotné svítidla pro tyto účely nebyly vhodné. Mezinárodní komise pro osvětlování (CIE) proto v roce 1997 vydala směrnici CIE 127, která definuje podmínky měření světloemitujících diod a vytváří tak jednoznačné standardy a postupy v oblasti měření parametrů světloemitujících diod. A protože vývoj diod se každým rokem posouvá zas o kus dál, v roce 2007 byly vydány další dopřesňující informace ke směrnici CIE 127.

1



2. Historie 1907 – karbid křemíku První záznam o světloemitujícíh diodách pochází již z počátku 20. století. Tehdy v roce 1907 publikoval svůj článek v časopise Electrical World o LED Henry Joseph Round [1]. Round byl radioinženýr a velký vynálezce, který ke sklonku své kariéry vlastnil 117 patentů. Jeho objev byl v podstatě náhoda, protože s fotoluminiscencí původně nepočítal. S pojmem dioda se v jeho článcích ještě nesetkáme, dnes však již víme, že se opravdu jednalo o světloemitující diodu, konkrétně o diody na bázi karbidu křemíku (SiC). Z uvedeného článku je patrné, že světloemitující diody na této bázi měly spíše charakter Schottkyho diody než klasické diody na bázi PN přechodu. Emitované světlo vznikalo stykem krystalu karbidu křemíku s elektrodami a možný rozsah pracovních napětí byl 10 – 110V. Karbid křemíku je vlastní polovodič se zakázaným pásmem 3,26eV a je to poměrně špatný vodič, přidáním příměsí se jeho vodivost značně zvyšuje. Od té doby byl materiál na bázi karbidu křemíku zapomenut, až ve dvacátých letech došlo k návratu tohoto materiálu. Sovětský fyzik Lossev sledoval jev elektroluminiscence na zesilovačích na bázi kov-polovodič. Tyto polovodiče byly používány k pevné demodulaci signálu v rádiových obvodech na místo elektronek. Výhodou SiC byla jeho vysoká tepelná vodivost, což umožnilo pracovní teploty diod i přes 350°C. Tím se redukovaly problémy s chlazením těchto diod. V roce 1971 se na této bázi vyrobila první modrá světloemitující dioda, do výrobního procesu se však dostala až v devadesátých letech dvacátého století. Modrá LED dioda na této bázi má však velmi nízkou účinnost, konkrétně 0,03% při vlnové délce 470 nm. Z tohoto důvodu se od výroby LED na této bázi záhy upustilo a byla nahrazena polovodiči ze III-V skupiny periodické tabulky prvků. Dnes se karbid křemíku používá zejména pro velmi rychlé Schottkyho diody, tranzistory typu MESFET a tyristory pracujících při vysokých teplotách.

1962 - infračervené a červené LED Počátkem 50. let se začaly sledovat polovodiče ze III-V skupiny periodické tabulky prvků, jmenovitě sloučeniny GaAs, AlGaAs. Výroba byla již poměrně sofistikovaná. Z taveniny se vytáhl velký monokrystal arzenidu galia, který se následně rozřezával a zabrušoval na tenké plátky. Tyto plátky byly použity jako substrát, na kterém se pomocí epitaxního nanášení (plynného nebo kapalného) vytvářel PN přechod. První infračervené světloemitující diody (870 – 980nm) a lasery založené na GaAs jsou zaznamenány v roce 1962, kdy se na jejich vývoji podílela skupina společností (např. IBM a další.). Dnes se tyto diody používají zejména v dálkových ovládačích pro audio a video a taktéž jako zdroj pro komunikační sítě. Následně se pomocí skupiny vědců v IBM podařilo vytvořit červenou světloemitující diodu. Vycházelo se ze sloučeniny GaAs. Úvaha byla prostá. Pokud by se povedlo nadopovat sloučeninu GaAs vhodným prvkem, mohlo by se infračervené spektrum posunout do oblasti viditelné emise světla. Pro tento účel byli navrženi dva kandidáti. Jednalo se o sloučeniny GaAsP a AlGaAs. Nejprve se však musela vyřešit technologie výroby. U sloučeniny GaAsP byl problém v propojení sloučenin GaP a GaAs, kde se jejich krystalická mřížka propojovala jen velmi těžce

2



(pouze z 3,6%). U hliníku byl zase problém s oxidací. Hliník se obecně v té době považoval za velmi nečistý materiál, který velmi rychle oxiduje, a proto se s ním složitě pracuje. Problém byl vyřešen ve společnosti IBM. Tým vědců navrhnul aparaturu, ve které se pomocí kapalné epitaxe vytvořila první sloučenina AlGaAs, která byla schopna emitovat viditelné červené světlo. Jako podkladový substrát byla použita již zmíněná sloučenina fosfidu galitého. Rok 1962 je tedy považován za počátek diod emitující světlo ve viditelném spektru. Následně se fosfid galitý stal hlavní sloučeninou pro výrobu jasné červené světloemitující diody.

1972 – 1993 - modré a zelené světloemitující diody Pomineme-li karbid křemíku, lze za opravdový počátek modré diody považovat přelom let 1971 a 1972. Tehdy se pro rekombinace dvojic electron – díra osvědčil vysoce materiál vysoké rezistivity. Jednalo se o nitrid galitý (GaN), který byl obohacen o křemík a hořčík, komerčně se však modrá dioda začala vyrábět až od roku 1993. Následně se zjistilo, že modrou diodu lze získat i ze sloučeniny GaInN. Z této sloučeniny vývoj záhy přináší i zelenou světloemitující diodu. Tyto diody lze běžně vidět i dnes, například ve všudypřítomných semaforech. Rok 1972 byl zlomový taktéž pro žluté diody. Pro všechny tyto diody se ukázal jako vhodný materiál sloučenina GaInN. Dnes je to nejpoužívanější materiál pro vysoce svítivé červené (625nm), oranžové (610nm) a žluté (590nm) světloemitující diody. Koncem 80. a začátkem 90. let dvacátého století se výzkum zaměřil na řešení tří hlavních problémů LED, tj. zvýšení světelného toku červené, vývoj zelené, žluté, modré a bílé diody LED a podstatné zvýšení jejich účinnosti.

1995 – bílé světloemitující diody Pokud požadujeme bílou barvu světla, můžeme použít červenou, zelenou a modrou diodu LED a jejich barvy aditivně smíchat. Častěji však používá záření modré diody ke stimulaci sekundární fluorescence vhodně zvoleného typu fosforu (luminoforu). Primární modré světlo diody smícháme se žlutým světlem, které emituje fosfor, čímž vznikne světlo, které je okem vnímáno jako bílé. V roce 1995 byla takto realizována první bílá světloemitující dioda ve firmě Nichia (obrázek 2.1 a 2.2). Koncem 90. let se začaly vyrábět i ultrafialové světloemitující diody (jejich vlnová délka je nižší než 400 nm). Z historie světloemitujících diod je tedy patrné, že vlnové délky diod se během let posouvaly od spektra infračerveného přes viditelné spektrum až po spektrum ultrafialové.

3



Obrázek 2.1: Emisní spektrum bílé světloemitující diody vyrobené společností Nichia Chemical Industries (Anan, Tokushima, Japonsko), převzato z [1].

Obrázek. 2.2: Vlevo je naznačeno aditivní míchání barevných diod (RGB – red, green, blue (pozn. autora)), vpravo je vysvětlen princip užití luminoforu. V obou případech je výsledek stejný, ovšem pro RGB míchání je nutné mít 3 typy diod. Při použití luminoforu se modré světlo z GaN diody míchá se širokým emisním spektrem luminoforu YAG:Ce a vytváří potřebný odstín (převzato z [7]).

4



3. Parametry diod LED 3.1

Princip činnosti

Světloemitující dioda je elektronická polovodičová součástka obsahující PN přechod [1], [6]. Jedná se o zdroj záření využívající fyzikální jev luminiscence, což je emise záření látkami, kdy vybuzené nosiče náboje odevzdávají svojí energii ve formě fotonů. V případě diod LED je tento jev elektroluminiscencí, protože vybuzení je dosaženo elektricky. V polovodičích, jak již bylo výše uvedeno, se elektroluminscence dosahuje nejčastěji injekcí nosičů náboje na PN přechodu. Prochází-li přechodem elektrický proud v propustném směru, přechod vyzařuje (emituje) nekoherentní světlo s úzkým spektrem. Může emitovat i jiné druhy záření. Energie fotonů emitovaných z polovodiče je rovna rozdílu energií vodivostního a valenčního pásu,

E g ≈ EC − EV ≈ hν

(3.1)

kde h je Planckova konstanta, ν je frekvence. Tato energie je též nazývána zakázaný pás (angl. band gap, pozn. autora) a v mnoha publikacích se setkáme i se značením Wg. Vztah odvodil Albert Einstein. V ideální diodě by tento vztah znamenal, že každý elektron injektovaný do aktivní oblasti generuje foton. Zákon o zachování energie proto vyžaduje, aby energie, s kterou byl elektron injektován, byla rovna energii fotonu. Tento stav je popsán rovnicí

eU = hν

,

(3.2)

kde součin eU je energie pole (e značí elektrický náboj, U značí přiložené napětí, resp. rozdíl potenciálů). Existuje zde několik příčin, které mohou změnit tento ideální stav. Distribuce volných nosičů náboje v PN přechodech z homogenního materiálu závisí na difuzní konstantě samotných nosičů. Tuto konstantu není jednoduché změřit. Mnohem častější je měření hybnosti volných nosičů. Difuzní konstanta může být odvozena z hybnosti nosičů Einsteinovým vztahem

Dn =

kT µn e

a

Dp =

kT µp e

,

(3.3)

kde Dn a Dp jsou difuzní konstanty elektronů a děr, k je Boltzmannova konstanta, T je termodynamická teplota, µn a µp jsou hybnosti elektronů a děr. Střední vzdálenost minoritního nosiče difundovaného před rekombinací se nazývá difuzní délka. Elektrony injektované do oblasti typu p budou difundovat s difuzní délkou Ln dokud nedojde k rekombinaci s dírami. Difuzní délka je popsána vzorci:

Ln = Dnτ n

a

L p = D pτ p

(3.4)

τ značí dobu života elektronů a děr. V typických polovodičích jsou difuzní délky v jednotkách až desítkách mikrometrů. Například difuzní délka elektronů v polovodiči typu P u arzenidu galitého (GaAs) je přibližně 15µm. Princip pohybu polovodičů je lépe patrný z obrázku 3.1.

5



Obrázek 3.1: PN přechod homogenního materiálu při zapojení v propustném směru. V horní části obrázku (A) je zakreslen stav, kdy není přiloženo dostatečné napětí na generaci fotonů. V dolní části (B) je již napětí dostatečné, dochází k difuzi nosičů. Z obrázku jsou patrné i výše uvedené pojmy. Písmena EC, EF a EV značí po sobě energii hrany vodivostního pásu, Fermiho hladinu (resp. energii) a energii hrany valenčního pásu. WD značí šířku nevodivé vrstvy (převzato z [1]).

Energie Eg je pro různé polovodiče odlišná. Je to dáno tím, že pro emitování vlnových délek o vyšších frekvencích je nutné dodat i vyšší energie, aby byla překonána bariéra nutná k uskutečnění difúze nosičů.

Obrázek 3.2: Voltampérová charakteristika (dále jen V-A charakteristika) různých přechodů PN s různou energií zakázaného pásu. Průběhy jsou zachyceny při pokojové teplotě (převzato z [1]).

6


emitovaná barva světla modrá zelená červená infračervená infračervená


vlnová délka λ (nm) energie fotonu E (eV) 470 2,6 550 2,2 650 1,9 870 1,4 1550 0,8

operační napětí U (V) 2,6 2,2 1,9 1,4 0,8

Tabulka 3.1: Pokles energie fotonu s rostoucí vlnovou délkou (převzato z [1]).

Problematika PN přechodu je však mnohem složitější a pro její podrobný popis by bylo nutné uvést další rovnice. Důležitým provozním parametrem je tepelná závislost PN přechodu, která vychází z rovnice 3.1.

αT 2 (3.5) T +β T značí termodynamickou teplotu, parametry α, β značí vhodné konstanty. Právě tyto parametry mají u diod největší vliv na závislost napětí na teplotě, protože napětí je přímoúměrně spjato s energií zakázaného pásu. Eg ≈ Eg

T =0 K

−

Obrázek 3.3: Graf teplotních závislostí vybraných polovodičových sloučenin. S rostoucí termodynamickou teplotou je patrný pokles energie Eg (zmenšuje se vzdálenost mezi vodivostním a valenčním pásem). Z grafu plyne, že některé sloučeniny jsou na rostoucí teplotě výrazněji závislé (GaAs) a pouze křemík snese zatěžování i vysokými teplotami (převzato z [1]).

7


GaAs InP Si Ge

Eg (při T = 0 K) 1,519 1,425 1,170 0,744


-4

α (10 eV/K) 5,41 4,50 4,73 4,77

β (K) 204 327 636 235

Tabulka 3.2 : Doplňující informace k obrázku 3.3. V tabulce jsou uvedeny parametry α a β včetně jejich jednotek při termodynamické teplotě 0 K (absolutní nula).

Obrázek 3.4: V-A charakteristika červené diody LED při dvou různých teplotách. S rostoucí teplotou klesá napětí na diodě (převzato z [1]). 3.2

Konstrukce

Základní monokrystaly diod bývají překryty kulovými vrchlíky z epoxidové pryskyřice nebo akrylového polyesteru. Materiály, z nichž se LED vyrábějí, totiž mají poměrně vysoký index lomu a velká část vyzařovaného světla by se odrážela totálním odrazem zpět na rovinném rozhraní se vzduchem. Oproti jiným elektrickým zdrojům světla (žárovka, výbojka, doutnavka) mají LED tu výhodu, že pracují s poměrně malými hodnotami proudu a napětí.

Obrázek 3.5: Popis konstrukčního uspořádání „klasické“ LED diody a power LED diody (převzato z [7]).

8



Konstrukčně představují LED součástku, v níž je kontaktovaný čip (nebo kombinace čipů) zastříknut materiálem s požadovanými optickými vlastnostmi (LED se vyrábějí v bodovém či rozptylném provedení, s různým vyzařovacím úhlem). Kontakty mohou být provedeny pro povrchovou montáž (SMD) nebo ve tvaru ohebných či poddajných přívodů. Takovým diodám se taktéž někdy říká diody LED s „drátovými“ vývody nebo též standardní diody. Sestavy více diod LED, které jsou pouzdřeny společně, mohou mít samostatně vyveden každý čip, společnou anodu či katodu nebo jiný systém kontaktování dle zamýšleného užití (například dvojbarevné diody). LED je stejně jako klasická dioda propustná pouze v jednom směru. Jediným přesným způsobem, jak zjistit polaritu vývodu LED, je podívat se do jejího katalogového listu. Typické rozpoznávací znaky polarity jsou uvedeny v tabulce 3.3.

Tabulka 3.3: Značení drátových vývodů diod LED (dodatek k obrázku 3.5).

Obrázek 3.6: Příklad složitějšího uspořádání diody, tzv. RCLED (resonant-cavity LED, pozn. autora), která emituje světlo o vlnové délce 930 nm. Tato dioda je založena na principu vložené optické dutiny (DBR), která zesiluje spontánní emisi fotonů a tím zesiluje a zlepšuje vlastnosti emitovaného světla (převzato z [1]).

9



Napěťová charakteristika diod LED je vzhledem k proudové charakteristice prakticky stejná jako u jakékoliv jiné diody (proud vzhledem k napětí roste přibližně exponenciálně), malá změna napětí vyvolá výraznou změnu proudu. Při výrobě jednotlivých kusů LED mohou nastat drobné odchylky, které by při paralelním zapojení LED způsobily rozdílnou svítivost, nebo dokonce zničení LED s V-A charakteristikou posunutou blíže k nule. Proto se LED vždy zapojují se sériovým odporem. Protože u diody je napětí logaritmicky vztaženo k proudu, lze toto napětí, ve kterém LED pracuje, považovat za konstantní. Tedy se dá říct, že je spotřebovaná energie prakticky jen funkcí proudu. Pokud chceme zajistit stálý odběr energie s ohledem na různé charakteristiky napájení a LED, tak bychom měli použít pro napájení diod proudový zdroj. Pokud nevyžadujeme vysokou účinnost zapojení (například u různých indikátorů), můžeme se přiblížit proudovému zdroji tím, že připojíme LED v sérii s rezistorem omezujícím protékající proud ke zdroji stálého napětí (v tomto případě změny napětí vyvolají menší změny proudu). Tento způsob je běžně používán. Většina LED má navíc nízké průrazné napětí, takže mohou být zničeny přiložením závěrného napětí i o výši jen několika voltů. Protože někteří výrobci nedodržují standardy označení uvedené výše, tak by mělo být v katalogovém listu vždy uvedeno, jak je to se zapojením konkrétního typu diody. Polaritu můžeme zjistit i zkouškou, kdy diodu zkusíme připojit ke zdroji nízkého napětí v sérii s ochranným rezistorem. K regulaci jasu LED je možné použít jednoduchý regulátor s tranzistorem, až po trochu složitější pulzně šířkový modulátor (PWM). LED diodou protékají krátkodobé impulzy proudu. Tyto impulzy se přivádějí v daleko vyšší frekvenci, než je lidské oko schopné zachytit, takže LED vypadá jako by svítila trvale. Změnou střídy pak měníme jas. Jedná se o řešení používané zejména v zapojeních s mikrokontroléry. Pokud máme dostatečně velké napětí, můžeme propojit několik LED do série pouze s jedním omezujícím rezistorem. Paralelní zapojení je obvykle problém. LED musí být stejného typu kvůli tomu, aby měly co nejpodobnější prahové napětí. Rozdíly ve výrobním procesu mohou způsobit, že zapojení nebude fungovat. Světloemitující diody skoro nelze použít k usměrňování, protože mají malé závěrné napětí i malý propustný proud. Proto na V-A charakteristice obvykle nebývá zakreslena oblast záporných napětí. Každá svítivá dioda má stanovený maximální proud, který se nesmí překročit, jinak by se mohla zničit. Zde se tedy opět uplatní sériový odpor jako faktor omezující proud.

Obrázek 3.7:

Vliv sériového a paralelního odporu na V-A charakteristiku světloemitujících diod. Sériový odpor snižuje strmost nárůstu proudu (převzato z [1]).

10



Příklad Běžná svítivá dioda má povolený proud I = 20 mA. Při připojení ke zdroji stejnosměrného napětí Uzdroj např. 5 V je třeba zařadit rezistor o odporu R:

Pro napájecí napětí 5 V bychom tedy použili rezistor 160 Ω.

Měrný výkon diod LED

3.3

Do současné doby se měrný výkon LED zdvojnásoboval každé dva roky. Velikost světelného toku závisí na barvě, provedení a teplotě, měrný výkon klesá se vzrůstající teplotou. Diody LED v sériové produkci běžně dosahují více než 30 lm/W pro červenou barvu a standardně 25 lm/W pro žlutou LED. V laboratorních podmínkách bylo předvedeno, že hodnoty přesahující 150 lm/W jsou možné. To již přesahuje měrný výkon lineárních zářivek. Bílá výkonová LED využívající vhodný luminofor dnes již běžně dosahuje 50 lm/W a špičková hodnota dosažená v laboratoři je až 200 lm/W. Klasická LED (viz. obrázek 3.5) má spotřebovávaný výkon v rozsahu 25 - 100 mW. Power LED mohou mít výkon i přes 5W.

3.4

Technologické vlastnosti

V současné době lze stanovit několik důležitých vlastností, které LED aplikace z valné části zvýhodňují oproti ostatním světelným zdrojům. Vlastnosti, které jsou u světloemitujících diod výhodné: • • • • • • • • • • • • •

dlouhá životnost (teoreticky 100 000 h) odolnost proti nárazům barvy – není třeba používat filtry pro různé barvy malá velikost a hmotnost nízké provozní napětí – bezpečnost okamžitý start a restart – možnost blikání možnost stmívání neobsahují rtuť – ekologické nízký počet předčasných výpadků vyzařované spektrum neobsahuje podíl IR ani UV záření světelný tok klesá se vzrůstající teplotou rychlá emise světla (řádově v jednotkách ms) klesají pořizovací náklady

11



Zde jsou vlastnosti, které lze považovat spíše za nevýhodné: •

• • •

3.5

měrný výkon LED výrazně závisí na teplotě okolí. U výkonnějších LED (více než 30 lm/W) je již vhodné používat pasivní chlazení (hliníkové lišty, pasivní chladiče apod.) obvykle vyzařují světlo jen v úzkém paprsku – je nutno použít potřebnou optiku pro rozptyl světla (např. Fresnelovy čočky, difuzní materiály apod.) musí být napájeny správným vhodným zdrojem proudu, jinak hrozí přetížení diod světlo z některých bílých LED diod může mít špatný index podání barev. To v extrémních případech může mít negativní vliv na lidský zrak. Vzhledem k malým rozměrům LED chipu navíc může docházet k problémům s oslněním.

Optické vlastnosti 3.5.1

Kolorimetrie

Jak již byl uvedeno výše, optické vlastnosti diod jsou určeny mnoha parametry [1]. Jedním z parametrů je barva vyzařovaného světla. Ta je dána materiálem a technologií PN přechodu. Barvou LED se stejně jako u ostatních světelných zdrojů zabývá kolorimetrie. Kolorimetrie se vztahuje k vizuálnímu vnímání barev lidským okem a poskytuje kvantitativní a kvalitativní popis barvy. V roce 1931 CIE stanovila trojrozměrný X, Y, Z systém, který je založen na předpokladu, že každá barva je kombinací tří primárních barev, tedy červené, zelené a modré. Tyto tři hodnoty (tedy X, Y, Z) byly stanoveny integrací spektrální distribuční funkce vyzařování a spektrálních křivek citlivosti x (λ), y(λ) a z(λ) v rozsahu vlnových délek 380 až 780 nm (viditelné spektrum). Podrobněji se této problematice věnuje kapitola 6.

Obrázek 3.8:

Diagram chromatičnosti mezinárodní kolorimetrické soustavy XYZ v pravoúhlých souřadnicích x, y vznikl roku 1931 dle CIE (Commission internationale de l'éclairage, pozn. autora, převzato z [1]).

12


3.5.2


Index podání barev (Ra)

Index podání barev Ra (angl. CRI – color rendering index, pozn. autora) je hodnocení věrnosti barevného vjemu, který vznikne osvětlením z nějakého zdroje v porovnáním s tím jaký barevný vjem by vznikl ve světle slunce. Hodnota Ra může být od 0 do 100. Hodnota Ra = 0 znamená, že při tomto osvětlení není možno rozeznat barvy. Naproti tomu Ra = 100 znamená, že je to světelný zdroj, který umožňuje přirozené podání barev. Některé orientační hodnoty Ra : žárovka - 95, zářivka - 80, sodíková nízkotlaká výbojka 0. U zářivek (lineárních i kompaktních) je hodnota indexu podání barev součástí typového označení. U LED diod se zatím dá běžně dosáhnout hodnoty kolem 80. Záleží zejména na tom, jak se povede vyrobit bílá barva světla. Protože obyčejná žárovka má jedno z nejvyšších indexů podání barev, je snahou výrobců se této hodnotě co nejvíce přiblížit. U bílých LED (zejména starších typů) byl v tomto ohledu problém, často se stávalo, že zkreslovaly skutečné podání barev. Z výše uvedených způsobů vytváření „bílé“ LED je zajímavé aditivní míchání barev. V tomto případě se jedná o RGB diody, kombinací těchto barevných zdrojů dostaneme bílý zdroj světla.

Obrázek 3.9:

Příklad aditivního u RGB LED.

3.5.3

míchání

barev.

Stejný

princip

je

použit

Optická osa

Vyzařování ze světloemitujících diod je vytvářeno pomocí polovodičového čipu, který byl uložen v pouzdře. V současné době, jak již bylo uvedeno výše, existuje velké množství tvarů a typů LED. To má samozřejmě významný vliv na způsob prostorového vyzařování. Do pouzdra se často přidávají čočky, zrcadla nebo difuzory, aby se dosáhlo požadované křivky svítivosti. Tolerance ve výrobě pouzder pro LED v manufakturní výrobě hraje taky významnou roli. Často se totiž stává, že mechanická a optická osa nejsou souběžně v jedné přímce.

Obr. 3.10:

Vlivem špatné výroby se může stát, že mechanická a optická osa neleží shodně v jedné přímce (převzato z [5]). 13


3.5.4


Křivka svítivosti

Křivkou svítivosti lze popsat způsob a intenzitu vyzařování libovolného zdroje nebo svítidla do prostrou. Jak již bylo uvedeno výše, na způsob vyzařování do prostoru má vliv použití optický prvků, např. čoček nebo difuzorů [5].

Obrázek 3.11: Na obrázku jsou uvedeny tři nejčastější vyzařovací křivky LED: tečkovaná křivka značí difuzní LED prakticky s Lambertovskou křivkou svítivosti, nepřerušovaná křivka značí velmi úzkou charakteristika zrcadlové LED a konečně čerchovaná křivka se dvěma vrcholovými hodnotami při 30° a 165°. Poslední jmenovaná LED se používá zejména pro podsvětlení displejů (převzato z [5]).

Pro stanovení fotometrie daného svítidla se používá zařízení s názvem goniofotometr. Goniofotometr je fotometrický laboratorní přístroj, jímž se měří rozložení svítivosti neboli křivky svítivosti. Princip goniofotometru spočívá v tom, že umožňuje měřit svítivost v různých rovinách a pod různými úhly. Konstrukce goniofotometrů je ovlivněna především minimální fotometrickou vzdáleností (což je minimální vzdálenost mezi fotočlánkem a světelným zdrojem, při které je nejistota měření menší než dovolená či dohodnutá), maximálním rozměrem světločinných částí svítidel (nebo jen světelného zdroje) a možností změnit polohu svítidla při měření. Měření rozložení svítivosti pomocí osvětlenosti, jenž je fotočlánkem měřena, a výpočtu ze čtvercového zákona nabízí tři rozdílné konstrukční řešení goniofotometru: •

•

Otočný zdroj či svítidlo a pevný fotočlánek. Tento typ goniofotometru je možné použít jen v případě, že rozložení svítivosti je nezávislé na poloze světelného zdroje nebo svítidla. Tento typ goniofotometru se užívá zejména pro měření parametrů diod LED. Pevný zdroj či svítidlo a otočný fotočlánek. Tento typ je vhodný pro měření rozložení svítivosti v provozní poloze světelných zdrojů a svítidel předepsané výrobcem. Tyto goniofotometry splňují požadavek kolmého dopadu světla na fotočlánek při dodržení minimální fotometrické vzdálenosti. 14


•


Pevný zdroj i fotočlánek a otočné zrcadlo. Goniofotometry s pevným světelným zdrojem i fotočlánkem a otočným zrcadlem mohou sloužit k měření rozložení svítivosti všech světelných zdrojů či svítidel, jsou však náročné na konstrukční řešení (zejména na optickou kvalitu zrcadel).

Pro řešení fotometrie LED (resp. křivky svítivosti) by u tak malých zdrojů, jako jsou LED, nestačily klasické goniofotometry, a proto přesné laboratorní měření světloemitujících diod bylo stanoveno organizací CIE v publikaci 127 (směrnice 127). Detaily jsou uvedeny v kapitole 6.

4. LED aplikace Současné uplatnění LED

4.1

Zde je výčet nejčastějších aplikací: • • • • • • • • • •

mobily – LED pro osvětlení klávesnice velkoformátové displeje – přes 100 000 LED (např. sportoviště, světelné reklamy apod.). signalizace podsvětlení reklam venkovní zahradní osvětlení osvětlení schodišť nouzové osvětlení náhrada halogenových bodovek uplatňují se i při interiérovém hlavním osvětlení automobily - osvětlení přístrojové desky, autorádio, CD-ROM, navigačních systémy, displeje a ovládací prvky

Obrázek 4.1: Svítidlo „Crayon“ typu downlight. Spotřeba svítidla je až o třetinu nižší než při použití kompaktní zářivky TC-DEL 1/18W. Předpokládaná provozní životnost je 50 000 hodin při měrném výkonu 54 lm/W. Svítidlo je vhodné zejména pro osvětlení chodeb a taktéž při návrhu nouzového osvětlení (převzato z [10]).

15



První aplikace LED v automobilech se objevily počátkem 90. let. Nejdříve s jejich použitím začal koncern Volkswagen a poté celý německý automobilový průmysl začaly používat LED. Koncem 90. let našly LED uplatnění ve třetím brzdovém světle, začátkem nového tisíciletí už bylo LED vybaveno celé zadní svítidlo.

4.2

Budoucnost LED

V nejbližší budoucnosti je očekáváno další výrazné rozšiřování používání LED a organických LED. Diody LED zaujmou místo konvenčních světelných zdrojů především v předních světlometech automobilů, miniprojektory vybavené LED pro mobilní telefony mohou nahradit konvenční datové projektory při menších jednáních, jasné a rovnoměrné prosvětlení plochých zobrazovacích jednotek pomocí LED zaručí velmi dobré podání barev, organické LED v displejích mobilních telefonů zajistí více jasných barevných odstínů, lepší čitelnost a velmi ostrý obraz, lineární zářivky v kombinaci s LED umožní použití nových barevných odstínů, které se uplatní při individuálním osvětlování k navození různých světelných scén. Ve vzdálenější budoucnosti by se LED mohly stát běžným světelným zdrojem. Standardní účinnost a spolehlivost LED bude dostupná pro každého, jejich použití při projekci poskytne ostré zobrazení a čisté barvy, organické LED (dále OLED) budou integrovány do flexibilních materiálů, mohou být využívány na zdech jako tapety a budou použity k osvětlení interiérů nebo jako dekorativní displeje. Je však zřejmé, že rostoucí měrný výkon bude mít svůj strop. Teoretická maxima se zatím pohybují nad 200 lm/W. Lze předpokládat, že při tak vysokých hodnotách měrného výkonu bude poměrné nízký index podání barev a výrazně poroste i teplota chromatičnosti. Je to dáno zejména užitými materiály, které zvyšují měrný výkon na úkor kvality světla. Spojitost můžeme hledat i u klasických nízkotlakých sodíkových výbojek, které sice mají značný měrný výkon, ale index podání barev je nulový.

Obrázek 4.2:

Na obrázku je patrný prudký nárůst měrného světelného výkonu v posledních deseti letech (převzato z [7]).

16


4.3


Organické LED

Zkratka OLED znamená organická LED [2]. Jedná se o poměrně novou technologii, která se objevila teprve koncem 80. let. Na rozdíl od tradičních anorganických diod LED na bázi komplexní krystalické struktury OLED používají ke generování světla organický materiál. Jsou tvořeny substrátem, transparentní elektrodou, jednou nebo více organickými vrstvami, opačnou elektrodou a pouzdrem k zabránění oxidace. Osram Opto Semiconductors využívá polymery, světlo je generováno na bázi fluorescence, pozitivní a negativní nosiče náboje jsou injektovány na příslušné elektrody a uvolňují světlo rekombinací v emisní vrstvě. Tloušťka OLED je pouze několik tisícin milimetru. Poskytují brilantní světlo, jež je využíváno pro extrémně ploché a extrémně jasné displeje se širokým pozorovacím úhlem. Struktura displejů OLED je jednoduchá, s jednou nebo více organickými vrstvami mezi dvěma elektrodami, po přiložení stejnosměrného napětí 3 až 10 V se rozzáří. Není zde zapotřebí zpětné prosvěcování jako u displejů LCD, a proto je možné vyrábět výkonnější displeje s větším jasem. Hmotnost displejů OLED je pouze poloviční oproti hmotnosti displejů LCD stejné velikosti. Grafika, obrázky a písmo jsou OLED zobrazovány s velmi velkou ostrostí, a to i při nízkých teplotách. Zatímco diody LED jsou vyráběny na pevných podložkách, krystalické mřížky zajišťují správné uspořádání polovodičových atomů, OLED není nutné vyrábět na pevných podložkách, potřebné uspořádání zajišťují organické molekuly. Displeje OLED se vyrábějí v požadované velikosti a zapouzdřené. LED je bodový světelný zdroj, jenž je vhodný zejména pro signalizaci, efektové osvětlování a pro mnoho dalších aplikací, v osvětlování se LED a OLED spíše doplňují, než aby si konkurovaly.

4.4

Výhody použití OLED pro počítačové a televizní displeje • • • • •

extrémně ploché displeje s velkým jasem a kontrastem (100 : 1) a širokým úhlem pozorování (160°) široký rozsah provozní teploty od – 30 do + 70 °C velká rychlost odezvy, určeno pro videoprojekci na rozdíl od displejů LCD displeje na bázi OLED nepotřebují podsvěcování displeje OLED mají vyšší energetickou účinnost a jejich tloušťka je menší; to je podstatná výhoda pro použití v mobilních telefonech a v interiérech automobilů.

17



5. Tepelný management diod LED Většina poškození diod LED při jejich provozu je důsledkem špatného tepelného managementu [11]. Rostoucí teplota PN přechodu resp. chipu LED totiž způsobuje nižší světelný tok světloemitujících diod a urychluje degradaci samotného chipu. Maximální přípustná teplota chipu LED by měla být uvedena v každém katalogovém listu daného produktu. Tato teplota je ovlivněna třemi parametry: • • •

teplotou okolí v bezprostřední blízkosti LED tepelnou cestou (tepelný odpor) mezi PN přechodem a vnějším okolím množstvím energie, kterou dioda LED nevyzáří v podobě světla

Aby se zabránilo překročení maximálních přípustných provozních teplot, je nutné navrhnout takový systém, který je schopen odvést přebytečné teplo. U diod LED se stejně jako u ostatních polovodičových součástek využívá různých chladících zařízení. V drtivé většině případů se užívá pasivní způsob chlazení. U diod LED s vlastní spotřebou v řádech miliwattů není nutné mít chladicí systém, protože diody se dokáží uchladit sami. Ovšem diod power LED je již tepelný managament důležitý, protože spotřebovávaný výkon je již v řádech wattů. 5.1

Tepelný management power LED

Pokud se navrhuje světelný systém s použitím power LED, je nutné dodržet několik zásad: • •

• •

minimalizovat množství tepla, které je třeba odvést. Je důležité oddělit řídící obvody od LED chipu, tj. aby jednotlivé tepelné přechody nebyly ovlivňovány teplotou řídících prvků (napájecí modul, kabely apod.) udržovat teplotu uvnitř LED systému co nejnižší. Toho lze dosáhnout vhodným návrhem konstrukce, resp. nosného systému pro diody LED. Systém by měl být taktéž navržen tak, aby v něm mohl přirozeně proudit vzduch a odvádět tak přebytečné teplo. zvýšení tepelné vodivosti mezi LED chipem a chladičem. Teplo odvedené z chladiče je závislé na konvekci, tepelná cesta z diody LED na chladič je však závislá na vedení (kondukci). dodržet správnou orientaci power LED na chladiči. To se týká zejména lištových chladících profilů, ve kterých je nutné usadit power LED tak, aby konvekce vzduchu byla maximální.

5.1.1

Tepelný odpor

Tepelný odpor vyjadřuje míru schopnosti materiálu zadržet odvod tepla (jedná se o převrácenou hodnotu tepelné vodivosti). Jednotkou tepelného odporu je 1 K.W-1 resp. 1 °C.W-1. V případě power LED je tepelný odpor tvořen dvěmi základními tepelnými cestami, které mají vliv na PN přechod. 1. Tepelná cesta, která vede z PN přechodu ke dnu pouzdra, ve kterém je LED chip uložen. Tento tepelný odpor je podmíněn návrhem pouzdra. V anglické 18



literatuře je značen jako Rth j-sp (thermal resistance between junction and solder point, pozn. autora). 2. Tepelná cesta, která vede z tepelného kontaktu do okolního prostředí. Tento tepelný odpor je v anglické literatuře označován Rth sp-a (thermal resistance between solder point and ambient, pozn. autora). Celkový tepelný odpor je tedy možné modelovat zjednodušeně na obr. 5.1.

Obrázek 5.1: Zjednodušený model tepelného odporu power LED. Styčným bodem se rozumí bod, ve kterém je teplo z pouzdra odváděno buďto na chladič nebo do okolního prostředí.

Ve většině případů se ke chlazení power LED používá chladičů s dobrou tepelnou vodivostí, zejména pak z hliníku. Pokud je použit chladič, je vhodné pro výpočty používat koncepci na obr. 5.2. V takovém případě je celkový tepelný odpor součtem dílčích tepelných odporů v sérii a platí:

Rth j-a = Rth j-sp + Rth sp-h + Rth h-a

(5.1)

Přímé tepelné ztráty do okolního prostředí jsou dostatečně malé, a proto je lze ve výpočtech celkového tepelného odporu zanedbat. Charakter a rozměr chladiče by měl udržet teplotu chipu LED pod maximální přípustnou hodnotou a to při nejméně vhodných operačních podmínkách.

Obrázek 5.2: Uspořádání tepelných odporů u power LED s využitím chladiče. Příklad V tomto příkladu je použito šest power LED, které pracují při maximální teplotě okolí (Ta), která je stanovena na 55°C (obrázek 5.3). Jestliže operační napětí (UF) každé diody je 3,25 V při ustáleném proudu (IF) 350 mA, potom celkový spotřebovávaný výkon lze stanovit takto:

Ptotal = 6 x 3,25 x 0,350 = 6,825 W

(5.2)

19



Tepelný odpor mezi chipem a pouzdrem LED (Rth j-sp) je uveden v katalogovém listu a v daném případě je 8°C/W. Maximální teplota chipu (resp. PN přechodu) je taktéž uvedena v katalogovém listu, Tj = 145°C a platí:

Tj = Ta + Ptotal(Rth j-sp/6 + Rth sp-h + Rth h-a)

(5.3)

Tepelný odpor mezi nosnou deskou power LED a chladičem (Rth sp-h) závisí na povrchové úpravě, rovnosti povrchu, vzájemném tlaku styčných ploch, velikosti kontaktní plochy a také na tloušťce a typu kontaktního materiálu mezi nosnou deskou a chladičem. Při dobrém návrhu může být tento tepelný odpor menší než 1°C/W. Nyní můžeme s použitím rovnic (5.2) a (5.3) spočítat maximální tepelný odpor z chladiče na okolí:

Rth h-a = (Tj – Ta – Rth j-spxPtotal/6 – Rth sp-hxPtotal)/Ptotal (145 − 55 −

Rth h-a =

8 × 6,825 − 1 × 6,825) 6 = 10,85°C / W 6,825

(5.4)

(5.5)

Z výše uvedených rovnic plyne, že pro udržení teploty chipu pod 145°C (při nejméně vhodných provozních pomínkách) je nutné zvolit takový chladič, který má tepelný odpor Rth h-a nižší než 10,85°C/W.

Obrázek 5.3: Schéma uspořádaní tepelných odporů při použití více chipů LED.

20



5.2 Tepelný management světloemitujících diod v uzavřeném prostoru Při návrhu osvětlení v prostoru, ze kterého lze jen složitě odvádět teplo produkované světloemitujícími diodami, je nutné dbát na to, aby diody daný prostor neohřívaly. S tímto problémem se lze často setkat při osvětlení různých exponátů, např. v galeriích nebo muzeích, které jsou zpravidla uzavřeny v prosklených vitrínách. Použití power LED zde často není vhodné z důvodu vyšších nároků na chlazení a také díky požadavku nižších intenzit osvětlení a rovnoměrnosti osvětlení. Zejména u velmi citlivých exponátů se očekává, že teplota uvnitř vitríny bude pokud možno konstantní. V těchto případech se zpravidla jedná o SMD chipy diod zapojené do série v podélných páscích, lištách nebo LED diody zalité do speciálního plastu s požadovanou světelnou difúzí. Existuje mnoho způsobů, jak sledovat teplotu LED svítidel. Pro sledování lze použít různých senzorů a termovize, ale jedním z nejjednodušších způsobů zaznamenávání teploty je pomocí teplotních čidel. Zde je ovšem důležité umístit teplotní čidlo tak, aby měření teploty bylo dostatečně přesné. Zároveň je dobré si stanovit přesnou polohu čidla a tím určit, která měřená teplota je pro nás důležitá

5.2.1 Měření oteplení uvnitř vitríny – měřící pracoviště A Cílem tohoto měření je zhodnotit tepelné účinky diod LED na prostředí uvnitř vitríny a zaznamenat teplotní nárůsty do grafu. Pro měření byly zvoleny dva typy uzavřených vitrín, které jsou dále označovány jako měřící pracoviště A a měřící pracoviště B. Exponáty v těchto vitrínách jsou nasvětleny pomocí diod LED zapojených v sérii. Diody jsou umístěny v hliníkovém profilu pod ochranným čirým plastem nebo sklem. Diody svítí do dolního poloprostoru. Výsledky měření jsou zahrnuty v příloze na konci diplomové práce. Měřící pracoviště A je pultová vitrína s rozměry 800x800x240 mm (LED pásek v hliníkovém profilu uvnitř viríny). V této vitríně probíhalo měření při tlumeném osvětlení. Záznam teplot byl prováděn pomocí měřícího zařízení AHLBORN 2390-8 [14]. Napájecí parametry LED osvětlení: • • •

při tlumeném osvětlení: I = 43 mA dc, U = 24,7 V dc při plném osvětlení: I = 198 mA dc, U = 24,7 V dc napaječ TRIDONIC 230Vac/24Vdc, 25VA

Na obrázku 5.4 je vyfoceno použité měřící zařízení a taktéž jsou uvedeny pozice měřících čidel na měřícím pracovišti. Jednotlivé měřící komponenty jsou označeny číslicemi: 1 – čidlo teploty na plastovém povrchu LED svítidla, 2 – čidlo teploty v blízkosti exponátu, 3 – čidlo teploty okolí vně vitríny, 4 – digigální měřidlo teploty ALMEMO 2390-8 firmy AHLBORN, přesnost měření ± 0,01°C do 300°C, záznam teplot každou minutu, export dat ve formátu xls. Přístroj byl kalibrován dle platných předpisů, detaily k tomuto měřícímu zařízení lze nalézt v [14].

21



Obrázek 5.4: Měřící pracoviště A pro měření oteplení uvnitř vitríny.

5.2.2 Měření oteplení uvnitř vitríny – měřící pracoviště B Měřící pracoviště B je soklová vitrína s rozměry 420x420x500 mm. Jedná se o LED pásek v hliníkovém čtvercovém profilu vně vitríny umístěný na horním skle (obr. 5.5). Záznam teplot byl prováděn pomocí měřícího zařízení AHLBORN 2390-8. Napájecí parametry LED osvětlení: • •

I = 354 mA dc, U = 25,3V dc (měření při plném výkonu cca 9 W) napaječ LUMOTECH 230Vac/24Vdc, 1-20VA

Na obrázku 5.5 je uvedeno použité měřící zařízení a taktéž jsou naznačeny pozice měřících čidel. Jednotlivé měřící komponenty jsou označeny číslicemi: 1 – čidlo teploty na plastovém povrchu LED svítidla, 2 – čidlo teploty v blízkosti exponátu, 3 – čidlo teploty okolí vně vitríny, 4 – digigální měřidlo teploty ALMEMO 2390-8 firmy AHLBORN, přesnost měření ± 0,01°C do 300°C, záznam teplot každou minutu, export dat ve formátu xls. Přístroj byl kalibrován dle platných předpisů.

Obrázek 5.5: Měřící pracoviště B pro měření oteplení uvnitř vitríny.

22



6. Laboratorní měření diod LED 6.1 Směrnice CIE 127 Mezinárodní komise pro osvětlování CIE (Commission Internationale de l’Éclairage, pozn. autora) je jediná současná mezinárodní instituce, která poskytuje doporučení a směrnice pro měření diod LED. Publikace CIE 127 z roku 1997 je hlavním zdrojem informací pro měření jejich parametrů. Z této publikace vychází spousta dalších příruček a manuálů, které svým obsahem objasňují základní postupy a doporučení pro měření světloemitujících diod [3], [5]. Rychlý vývoj diod LED však vede ke psaní dalších doplňujících směrnic CIE (197 2007) a tím i různých publikací a článků [9], které se tématem laboratorního měření světloemitujících diod zabývají. Při psaní této práce nebylo plné znění směrnice CIE 127 k dispozici. Stejně tak ani její doplnění vydané v roce 2007. Z těchto směrnic však vychází různé manuály [3] a příručky [2], [12], které jsou již součástí této práce. Ze směrnice samozřejmě vychází i výrobce měřící aparatury pro měření parametrů LED – firma Optronic Laboratories. Její manuál [3] je plnohodnotným zdrojem informací při tvorbě této práce. 6.2 Měřící zařízení OL 770 - LED Po vzniku směrnice CIE 127 bylo zřejmé, že pro měření parametrů diod LED budou potřeba sofistikovaná zařízení a software. V průběhu let proto byly vyvíjeny různé měřící aparatury, které byly přesnější, uživatelsky pohodlné a využívající jednoduché připojení k PC pomocí USB rozhraní. Navíc ke každé měřící aparatuře byl vyvinut speciální software, ve kterém lze provádět různá nastavení na základě požadavků uživatele. Nutnost zlepšení parametrů měřících zařízení a softwaru byla taktéž podmíněna rychlým rozvojem diod LED. Zařízení OL 770-LED je vysokorychlostní testovací a měřící systém pro měření diod LED. Jedná se o speciálně upravenou verzi zařízení OL 770 a zahrnuje příslušenství pro měření různých fotometrických, radiometrických a barevných vlastností světloemitujících diod. Zároveň je na tomto zařízení možné měřit různé elektrické parametry, avšak tyto možnosti již přesahují náplň této práce. Toto zařízení je tedy velmi komplexní systém pro měření diod LED a je jedním z nejmodernějších měřících systémů současnosti. Součástí zařízení je i software s názvem „OL 770 Spectroradiometer“ (obrázek 6.3). Uspořádání aparatury je patrné z obrázku 6.2. Z hlavní jednotky nebo také spektroradiometru (viz. obr. 6.1) je vyveden speciální světlovod (optický kabel), jehož konec je zpevněn pomocí kovové trubičky. To je velmi výhodné zejména pro rychlé a efektivní nasunutí konce světlovodu do požadované měřící aparatury.

Obrázek 6.1: Přední panel hlavní jednotky OL 770 (multikanálový spektradiometr)

23



Obrázek 6.2: Uspořádání pracoviště pro měření parametrů diod LED společnosti TRON [18]. 1) stejnosměrný zdroj proudu – Keithley 2400 Sourcemeter 2) software „OL770 Spectroradiometer“ 3) hlavní jednotka pro zpracování světelných parametrů diod LED – spectroradiometer 4) kulový integrátor 5) goniofotometr 6) měřící tubusy pro měření podmínky A (316mm) a podmínky B (100mm) 7) aretační nástavec 8) vstupní filtr základní jednotky

6.3 Parametry softwaru „OL 770 Spectroradiometer“ • • • • • • • •

prostředí pro operační systém MS WINDOWS jazykové prostředí – anglický jazyk výstup dat ve formátech prostředí Word a Excel vykreslování průběhů a záznam dat srovnávací kurzory použití všech kolorimetrických soustav CIE vykreslení křivek svítivosti ostatní optické parametry – index podání barev (CCR – color-rendering index), teplota chromatičnosti (CCT – correlated color temperature)

24



Obrázek 6.3: Software OL 770 Spectroradiometer.

6.4 Hardwarová specifikace hlavní jednoty OL 770 LED (Spectroradiometer) • • • • • • • • • • • •

rozsah vlnových délek 380 – 780 nm odchylka měření vlnových délek ± 0,5 nm spektrální rozlišení – 0,4nm vstup do PC pomocí rozhraní RS232 nebo USB operační teplota 0 – 30 °C operační relativní vlhkost 0 – 90 % chladící teplota detektoru - -10 °C kvantová účinnost > 90 % při 650 nm přesnost měření chromatičnosti - ± 0,002 x, y čas integrace 20 ms – 60s rezoluce A/D převodníku – 16 bitů rychlost převodníku – 250 kHz

Další specifikace lze nalézt v příslušném manuálu [3]. Výrobce zařízení však neuvádí vnitřní uspořádání spektroradiometru (hlavní jednotky). Důvodem je vysoká cena zařízení a s tím souvísející snaha udržet si jisté „know-how“ ve vývoji techniky sloužící k měření parametrů diod LED.

25



6.5 Goniofotometr pro měření křivek svítivosti diod LED V důsledku mnoha typů zapouzdření diod LED existují i různé typy vyzařovacích charakteristik resp. různé křivky svítivosti a pro mnohé aplikace je důležité znát je velmi přesně. Například barevné RGB displeje na bázi LED (tj. displeje tvořeny trojicí barevných LED – červené, zelené a modré) mohou vyzařovat bílou barvu při pohledu na displej v optické ose RGB diod, ovšem při odchylce z kolmé osy pohledu již může docházet ke změně barev. Tento jev se děje převážně z toho důvodu, že vyzařovací charakteristiky diod LED jsou odlišné. Pro určení vyzařovacích charakteristik diod LED se stejně jako pro velké světelné zdroje užívá goniofotometr (obr. 6.4), ovšem jeho uspořádání, princip a měřící možnosti jsou plně přizpůsobeny právě světloemitujícím diodám. Vrchol diody se umístí do goniofotometru s normovanou vzdáleností od měřícího čidla (standardně 316 mm – podmínka A). Přesného umístění diody a nastavení bodu otáčení se docílí pomocí kovového nástavce, který je nedílnou součástí aparatury (obr. 6.6). Nastavení vzdálenosti vrcholu každé diody LED je nutné provést před začátkem měření. Jakmile je dioda nastavena, provede se uzavření měřící aparatury a tím se docílí absolutní tma. Poté se dioda kolem svého vrcholu začne otáčet po předem nadefinovaném intervalu stupňů, dokud se neproměří celá charakteristika v rozsahu 0° - 180°. Měření se tedy automaticky provádí v polárních souřadnicích. Čidlo nebo chcete-li detektor je tedy statické a zaznamenává hodnoty při každém natočení diody LED. Výstup z detektoru je pomocí vlnovodu přenášen do hlavní jednotky OL 770, kde jsou veškeré vstupy převáděny na digitální signál a poté přenášeny pomocí rozhraní USB do počítače. Diodu lze navíc otáčet kolem své podélné horizontální osy C90 (obrázek 6.5). To je důležité zejména tehdy, potřebujeme-li posoudit rozdíly ve křivkách svítivosti při různém natočení diody LED právě v její horizontální ose (většina diod LED bez difuzorů má mírně odlišné vyzařovací charakteristiky při různém natočení v podélné ose diody, u plochých diod LED je tento rozdíl ještě výraznější).

Obrázek 6.4: Zjednodušené schéma uspořádání aparatury pro měření křivek svítivosti světloemitujících diod (převzato z [3]).

26



Obrázek 6.5: Detail otočného nástavce goniofotometru. Z obrázku je patrný otočný systém, který umožňuje natáčet měřené diody LED v jejich podélné horizontální ose v intervalu 10°. Měření křivky svítivosti lze v polárních souřadnicích praktikovat po intervalech menších než jeden stupeň.

Obrázek 6.6: Detail nastavení vzdálenosti vrcholu diody LED v goniofotometru.

27



Obrázek 6.7: Vyzařovací charakteristika červené diody LED 5F3ETR s vyzařovacím úhlem 45° (vyzařovací úhel většinou udává výrobce) naměřená goniofotometrem a vizuálně zpracovaná pomocí příslušného softwaru. 6.6 Kulový integrátor Kulový integrátor (obr. 6.8) je další z univerzálních zařízení, ve kterém je možné měřit hned několik parametrů diod LED. Mezi nejpodstatnější parametry patří (v závorkách jsou uvedeny jednotky): • • • • •

světelný tok (lm) zářivý tok (W) účinnost (%) měrný výkon (lm.W-1) spektrální charakteristika a z ní vyplývající dílčí parametry – dominantní vlnová délka (nm), vrcholová vlnová délka (nm), centrální vlnová délka (nm), souřadnice v trichromatickém systému (CIE-xyz 1931, CIE-uv 1960, CIE-LUV 1972), barevná čistota (-) a teplota chromatičnosti (K)

Zařízení taktéž zaznamenává integrační čas (resp. dobu měření) a další fyzikální veličiny. Jaké informace budou ve výstupu (ve formátu xls) záleží jen na nastavení a požadavcích uživatele. Z jednoho měření v kulovém integrátoru tak lze získat velké množství informací. Detaily a další možnosti nastavení jsou uvedeny v manuálu OL 770 [3]. Měření probíhá velmi rychle, zpravidla je integrační čas nižší než 1 sekunda. Obrázek 6.8:

Kulový integrátor 1) testovaná dioda LED 2) napájení referenční lampy 3) vstup optického kabelu

28



Obrázek 6.9: Napojení kulového integrátoru na spektroradiometr s popisem jednotlivých komponentů (převzato z [3]).

Obrázek 6.10: Příčný řez integrační koulí s podrobným popisem (převzato z [3]).

29



6.6.1 Měření světelného a zářivého toku Světelný a zářivý tok jsou jedny z nejčastěji měřených parametrů. Jejich měření se provádí v kulovém integrátoru (viz. obr. 6.8). Světelný tok je fotometrická veličina, zatímco zářivý tok je radiometrická veličina. Zářivý tok je energie přenesená zářením za jednotku času: dW Φe = (W; J, s) dt

(6.1)

Světelný tok je technická veličina, která odpovídá zářivému toku a vyjadřuje schopnost zářivého toku způsobit zrakový vjem [4]. Jednotkou světelného toku je 1 lumen (lm). Světelný tok Φ monochromatického záření vlnové délky λ, jehož zářivý tok je Φe, se určí ze vztahu Φ(λ ) = K (λ )Φ e (λ ) = K mV (λ )Φ e (λ ) = 683V (λ )Φ e (λ )

(lm; lm.W-1, - ,W)

(6.2)

Veličina K(λ) je světelná účinnost monochromatického záření, která je rovna poměru světelného toku a jemu odpovídajícímu zářivému toku. Maximum Km veličiny K(λ) bylo stanoveno poměrně přesnými měřeními a výpočty pro normálního fotometrického pozorovatele při fotopickém (denním) vidění a záření základní vlnové délky λ = λm = 555,155 nm a činí Km = 683 lm.W-1. Poměrná světelná účinnost V(λ) monochromatického záření je definována vztahem V (λ ) =

K ( λ ) K (λ ) = Km 683

( - ; lm.W-1, lm.W-1) (6.3)

Světelný tok Φ záření složeného z různých monochromatických záření lze určit jako ∞

dΦ e ( λ ) Φ = Km ⋅ ∫ ⋅ V (λ ) dλ , dλ 0

(lm; lm.W-1, W, - )

(6.4)

dΦ e (λ ) je spektrální hustota zářivého toku Φe v bodě λ. V případě měřící aparatury, dλ která pracuje pouze v omezeném rozsahu vlnových délek, v našem případě v rozsahu 380 – 780 nm, lze rovnici (6.4) upřesnit: kde

dΦ e (λ ) ⋅ V (λ )dλ dλ 380 780

Φ = Km ⋅

∫

FOTOMETRIE JEDNOTKA Světelný tok lm -1 Svítivost lm.sr = cd -2 Intenzita osvětlení lm.m = lx -2 Jas cd.m = nit

(lm; lm.W-1, W, - )

SYMBOL RADIOMETRIE Φv Zářivý tok Iv Zářivost Ev Intenzita ozáření Lv Zář

(6.5)

JEDNOTKA SYMBOL W Φe -1 W.sr Ie -2 W.m Ee -1 -2 W.sr .m Le

Tabulka 6.1: Tabulka základních veličin fotometrie a radiometrie (převzato z [12]).

30



6.6.2 Měření účinnosti diod LED Tyto veličiny se již přepočítávají z provozních údajů měřené diody (provozní proud a napětí) a z výše uvedených veličin zářivého a světelného toku.

Poměr světelného toku k příslušnému zářivému toku přes stejnou plochu je označován jako světelná účinnost záření.

K=

Φ Φe

(lm.W-1; lm, W)

(6.6)

Pro laboratorní účely se však používá účinnost přepočtena z napájecích parametrů diod LED. Pro stanovení správné hodnoty účinnosti se vychází z provozního ustáleného proudu diody. Ten je zpravidla 20 mA u standardních LED a 350 mA u výkonových diod LED. Některé diody power LED již dokonce pracují při ustáleném proudu 700mA a lze očekávat, že u těchto diod se provozní proud nadále zvyšovat. Jedná se tedy spíše o účinnost samotného světloemitujícího zdroje s ohledem na jeho příkon. V takovém případě platí:

η=

Φe , UF ⋅ IF

( - ; W, V, A)

(6.7)

kde UF a IF jsou provozní napětí a proud diody LED v propustném směru a Φe je zářivý tok diody. Vezmeme-li si tedy dvě diody LED s různými optickými parametry (např. čirá standardní LED o průměru 5 mm a difúzní standardní SMD LED), které mají stejný napájecí proud IF, lze již snadno porovnat jejich účinnost.

6.6.3 Měrný výkon diod LED Zaměníme-li zářivý tok v rovnici (4.7) za světelný tok, získáme rovnici pro měrný výkon zdroje.

Pm =

Φ UF ⋅ IF

(lm.W-1; lm, V, A)

(6.8)

V oblasti diod LED je tento parametr jedním z nejvíce sledovaných faktorů. U diod LED se často stává, že měrný výkon neodpovídá předpokládané hodnotě, která je uvedena v katalogovém listu. Výrobce však často deklaruje toleranci měrného výkonu, která zpravidla bývá 10 %.

31



6. 7 Spektrální charakteristika U spektrální charakteristiky se sledují zejména vlnové délky. Jedná se zejména o tři základní údaje: • • • •

dominantní vlnová délka (nm) – vlnová délka ležící na okraji diagramu chromatičnosti (viz. obr. 6.12) - (λdom ) vrcholová vlnová délka (nm) – vlnová délka v nejvyšší intenzitě vyzařovaného spektra - (λpeak ) centrální vlnová délka (nm) - (λcentr ) – definována podílem integrálních výrazů, zjednodušeně zakreslena na obr. 6.11. rozsah vlnových délek v rozmezí poloviční intenzity vyzařování (∆λ1/2 )

Obrázek 6.11: Spektrální charakteristika s vysvětlením pojmů ke kapitole 6.7 (převzato z [5]). 6. 8 Trichromatické soustavy a odvozené parametry K popisu barev se používají kolorimetrické soustavy. Pro přesné charakterizování barev je zapotřebí tří údajů, většinou čísel. Proto bývají kolorimetrické soustavy nazývány též trichromatickými soustavami a jsou založeny na tom, že libovolný barevný podnět lze nahradit adiční směsí tří vhodně zvolených měrných barevných podnětů (převzato z [4]). K popisu spektrálního složení barevného podnětu se používá křivka poměrného spektrálního složení barevného podnětu φeλ(λ), tj. průběh závislosti poměrné spektrální hustoty zářivého toku φeλ(λ) na vlnové délce λ.  dΦ e ( λ )     dλ  λ ϕ eλ ( λ ) =  dΦ e (λ )     dλ  max

( - ; W, W)

(6.9)

32



Trichormatické složky lze vypočítat násobením z rovnice (6.9) určené poměrné spektrální hustoty zářivého toku φeλ(λ) barevného podnětu kolorimetrickými koeficienty (trichromatickými činiteli) a integrací těchto součinů v celé oblasti spektra, tj. např. v soustavě XYZ. Jestliže má aparatura rozlišení vlnových délek v rozsahu 380 – 780 nm, lze soustavu XYZ definovat přesněji. 780

X = ∫ ϕ eλ (λ ) ⋅ x (λ ) ⋅ dλ

(6.10)

380

780

Y = ∫ ϕ eλ (λ ) ⋅ y (λ ) ⋅ dλ

(6.11)

380

780

Z = ∫ ϕ eλ (λ ) ⋅ z (λ ) ⋅ dλ

(6.12)

380

Tři údaje charakterizují barevný podnět – barevný tón, sytost barvy a intenzitu barvy (světelný tok nebo jas). Z rovnic (6.10 – 6.12) jsou poté přepočítávány souřadnice trichromatického systému, které již nalezneme i ve výstupech zařízení OL 770. Platí, že x=

X X +Y + Z

(6.13)

y=

Y X +Y + Z

(6.14)

z=

Z = 1− x − y X +Y + Z

(6.15)

V roce 1960 CIE uvedla další trichromatický systém založený pouze na systému dvou os (u, v) a v roce 1976 systém (u´, v´). Jednalo se o tzv. „jednotné chromatické osy“. Systém os vycházel z trichromatického systému XYZ a pro souřadnice platila tyto pravidla: u=

4X X + 15Y + 3Z

v=

6Y , X + 15Y + 3Z

(CIE, 1960)

(6.16)

u´=

4X X + 15Y + 3Z

v´=

9Y , X + 15Y + 3Z

(CIE, 1976)

(6.17)

Důvod pro zavedení těchto systémů byl následující: Barevné rozdíly mezi dvěma odlišnými body v chromatickém diagramu (x, y) vedou k prostorové nejednotnosti, tzn. barva světla se může měnit mnohem výrazněji v jednom směru (např. v ose x) ve srovnání s jiným směrem (např. osou y) a to díky třetí souřadné ose (osa z). Tato skutečnost již v systému pouze dvou souřadnic není možná.

33



6.9 Barevná čistota Barevná čistota zdroje světla je v chromatickém diagramu definována jako vzdálenost od zdroje o souřadnicích (x, y) k souřadnicím referenčního zdroje světla (zdroj bílého světla, x = 0, 33, y = 0, 33) dělená vzdáleností od referenčního zdroje k souřadnici dominantní vlnové délky [12].

Obrázek 6.12: Výpočet barevné čistoty z diagramu chromatičnosti (převzato z [1]). 6.10 Teplota chromatičnosti Barevná teplota (též teplota chromatičnosti) charakterizuje spektrum bílého světla. Světlo určité barevné teploty má barvu tepelného záření vydávané černým tělesem, zahřátým na tuto teplotu. Udává se v Kelvinech. Velmi podrobně a srozumitelně se problematikou teploty chromatičnosti zabývá literatura [4].

6.11 Receptory pro měření podmínek A a B Definice bodového zdroje nám říká, že v každém směru tento zdroj vyzařuje stejné množství světla. Tuto definici však nelze užít pro diody LED, protože svítivost se výrazně mění i se změnou úhlu. Měříme-li však světelný tok pod definovaným úhlem a v definované vzdálenosti, dostaneme vždy stejné hodnoty svítivosti. Tato skutečnost se v laboratorních měřeních diod LED stále využívá. Zpočátku se praktikoval tzv. model „směrového bodového zdroje“ a pro praktická měření se stanovily úhly 2° a 6,5°, které přibližně korespondují s úhly 0,001 a 0,01 sr. Každá laboratoř však používala jiné postupy pro nastavení výše definovaných měřících úhlů. To samozřejmě vedlo k tomu, že na sobě nezávislé laboratoře naměřily pro stejné zdroje odlišné hodnoty. Bylo zřejmé, že pro přesná měření je nutné zavést přesně definované měřící protokoly. CIE ve své publikaci 127 pro tento účel definuje podmínky A a B (obr. 6.13).

34



Podmínka A Podmínka A (condition A, pozn. autora) koresponduje s pevně daným prostorovým úhlem 0,001 sr. Zdrojem záření je považován vrchol diody LED. Detekční plocha má kruhový tvar o velikosti 1 cm2 a od vrcholu diody je umístěna ve vzdálenosti 316 mm.

Podmínka B Podmínka B (condition B, pozn. autora) koresponduje s pevně daným prostorovým úhlem 0,01 sr. Zdrojem záření je opět vrchol diody LED. Detekční plocha má kruhový tvar o velikosti 1 cm2 a od vrcholu diody je umístěna ve vzdálenosti 100 mm.

Obrázek 6.13: Princip měření podmínky A a podmínky B (převzato z [12]).

V obou případech se využívá jednoduchého vzorce pro výpočet svítivosti:

Iv = Ev.d2,

(cd; lx, m)

( 6.18)

kde Iv je svítivost, Ev je intenzita osvětlení rovinné plošky dA, která je úměrná druhé mocnině vzdálenosti osvětlované plochy od zdroje (zákon čtverce vzdálenosti).

Ev =

dΦ dA

(lx; lm, m2)

(6.19)

Ev je tedy plošná hustota světelného toku dΦ dopadlého na plošku dA. V obou případech (podmínka A i B) je tato ploška 1cm2. Naměřená svítivost by měla být v obou měřených podmínkách shodná. V praxi se však obě měření nevyužívají ve stejné míře, více se používá podmínky B.

35


Obrázek 6.14:


Uspořádání tubusů pro měření podmínek A a B (převzato z [3]).

Obrázek 6.15: Podélný řez tubusy pro měření podmínky A (nahoře) a podmínky B (převzato z [3]).

36



6.12 Napájecí zdroj diod LED Parametry napájecího zdroje Keithley 2400 Sourcemeter: • • • • • • • • •

rozsah výstupního napětí od ± 1µV do ± 200V dc (dle směru proudu) rozsah výstupního proudu od ± 10pA do ± 1A dc (dle směru proudu) maximální dodávaný výkon 20 W vhodný pro testování diod, rezistorů, odporových kaskád apod. možnost čtyřkvadrantových operací vzorkovací frekvence – 1700 za sekundu digitální vstup a výstup, možnost výstupu ve vhodném software (např. OL 770 Spectroradiometer) komunikační sběrnice GPIB (IEEE - 488), RS -232 a rozhraní trigger link velmi podrobný manuál [13]

ROZSAH PROUDU

PROGRAMOVANÉ ROZLIŠENÍ

PŘESNOST (po jednom roce) 23°C ±°5C ± (% odchylka z odečteného údaje + odchylka z rozsahu)

1.00000 µA

50 pA

0.035% + 600 pA

5 pA

10.0000 µA

500 pA

0.033% + 2 nA

5 nA

100.000 µA

5 nA

0.031% + 20 nA

50 nA

1.00000 mA

50 nA

0.034% + 200 nA

500 nA

10.0000 mA

500 nA

0.045% + 2 µA

50 µA

100.000 mA

5 µA

0.066% + 20 µA

1 µA

1.00000 A

50 µA

0.27% + 900 µA

100 µA

Tabulka 6.2:

ŠUM (vrcholová hodnota - vrcholová hodnota) 0,1 Hz - 10Hz

Výňatek z manuálu pro napájecí zdroj Keithley 2400. V tabulce jsou uvedeny především rozlišení a přesnost proudového zdroje (převzato z [13]).

Obrázek 6.16: Přední panel napájecího zdroje Keithley 2400 Sourcemeter.

37



6.13 Ostatní příslušenství Multifunkční zařízení OL 770 potřebuje ke správnému nastavení měřených diod LED ještě několik komponentů. Detaily nejdůležitějších příslušenství jsou na obrázku 6.17.

Obrázek 6.17: Příslušenství doplňující obr. 4.2 kapitoly 4.2. 1) napájecí adaptér SMD diod LED. SMD dioda nemá drátové vývody anody a katody, ale pouze úzké vodivé plošky po stranách nosného substrátu. Pro kontakt diody na vodivých ploškách adaptéru je nutné vyvolat podtlak, který se vytvoří pomocí vakuové pumpy. Na obrázku je patrná černá hadička, která odvádí vzduch a SMD se tak svou nosnou plochou doslova „přisaje“ k držáku. 2) napájecí adaptér diod LED s drátovými vývody a aretační nástavec. Na obrázku je zachycen detail nastavení vzdálenosti vrcholu diod LED v aretačním nástavci pro měření podmínek A a B. 3) vložka s filtrem ND-2 před vstupem do hlavní jednotky OL 770 (spektroradiometru). Filtr se používá pouze při měřeních v kulovém integrátoru a slouží k tomu, aby signál nepřekročil saturační mez. Pro ostatní měření se používá obdobná vložka, ale již bez filtru (viz. literatura [3]).

38



7. Závěr S lepšími vlastnostmi PN přechodů světloemitujících diod dochází každým rokem k nárůstu jejich měrného výkonu. Dnes se již vyrábí diody power LED s měrným výkonem vyšším než 100 lm/W. Diody power LED ovšem standardně pracují při ustáleném proudu 350 mA a měrného výkonu 100 lm/W dosahují snáze při hodnotách proudu kolem 100 mA. Světové špičky [15] v oblasti vývoje a výroby diod power LED deklarují, že do dvou let budou v komerční sféře k dispozici power LED, které překonají hranici 150 lm/W. S přibývajícími aplikacemi využívající světloemitující diody samozřejmě roste jejich poptávka na trhu a vyšší produkce diod LED snižuje jejich cenu. To jen potvrzuje předpoklad, že světloemitující diody jsou jedním ze zdrojů budoucnosti. Současné trendy a snaha Evropské unie o zavádění ekologických a šetrných (resp. úsporných) zdrojů světla tuto myšlenku taktéž podporují. Rostoucí měrný výkon diod LED zvyšuje požadavky na návrh chladiče a odvod tepla z chipu diody. Některé chladiče v případě power LED v řádech wattů jsou již velmi robustní. To poněkud nabourává myšlenku, že dioda LED je jen malá polovodičová součástka. Je tedy nutné zvážit, pro jaký účel je dioda navržena. Snahou výrobců je taktéž vyrábět malé proudové zdroje pro napájení diod LED. To opět vede k diskuzím v oblasti odvodu tepla a pořizovacích nákladů těchto zdrojů. Světloemitující diody, zejména pak diody power LED ve formě SMD, budou stále více nahrazovat výbojkové a zářivkové zdroje v osvětlování.

Pro důkladné proměření všech parametrů vybrané diody LED by bylo za potřebí velké množství času, proto se tato práce věnuje jen základním parametrům a seznamuje čtenáře jen stručně s danou problematikou. Problematika měření parametrů světloemitujících diod je totiž velmi obsáhlá. Tomu nasvědčuje i velké množství návodů, doporučení a postupů uvedených v jednotlivých publikacích [1], [3], [5]. Závěr této práce je věnován přílohám a příslušným rozborům. Jsou zde změřeny vybrané parametry diod LED. Úvodní část příloh je věnována tepelným účinkům diod LED na prostředí v uzavřeném prostoru. V další části jsou již měřeny fotometrické a radiometrické parametry diod LED. Všechny měřené standardní diody emitující bílé světlo, které jsou uvedeny v příloze, mají obdobné parametry napájení (ustálení pracovní proud IF a pracovní napětí UF). Z toho lze usuzovat, že světelný tok měřených světloemitujících bílých diod by měl být přibližně stejný. Tento předpoklad je pravdivý, protože celkový světelný tok u měřených diod LED je v rozsahu 1 – 4 lumenu. Naměřená svítivost při podmínkách A a B koresponduje s údaji v katalogových listech výrobců [16], [17]. V neposlední řadě je zajímavé sledovat pokles měrného výkonu diod power LED s rostoucím ustáleným stejnosměrným proudem. S nárůstem proudu přes 350 mA začíná měrný výkon strmě klesat, naopak výrazně roste teplota chromatičnosti. Index podání barev klesá jen nepatrně a zůstává nad hranicí Ra = 70 [17].

39



8. Seznam použité literatury

[1]

SCHUBERT, E. F.: Light-emitting diodes, Cambridge University Press, 2003

[2]

KIM, Y., HA, Ch.: Advances in Organic Ligth-Emitting Device, Trans Tech Publications Ltd, 2008

[3]

Operační manuál “OL 770 Multichannel Spectroradiometer”

[4]

HABEL, J. a kolektiv: Světelná technika a osvětlování, FCC PUBLIC, 1995

[5]

http://www.instrumentsystems.de/fileadmin/editors/downloads/Products/ LED_Handbook_e.pdf

[6]

http://www.microdesignum.cz/clanky/Polovodicove-lasery-a-LED-ky.html

[7]

http://www.elkovo-cepelik.cz/dalsi/teorie---svetelna-technika/led---svetelnediody-light-emitting-diodes.htm

[8]

http://cs.wikipedia.org/wiki/LED

[9]

http://physics.nist.gov/Divisions/Div844/facilities/photo/LED/led.html

[10]

http://www.zumtobel.us/PDB/teaser/EN/Crayon.pdf

[11]

http://www.cree.com/products/pdf/XLampThermalManagement.pdf

[12]

http://www.labsphere.com/data/userFiles/The%20Radiometry%20of%20Light %20Emitting%20Diodes_0.pdf

[13]

http://buytaert.home.cern.ch/buytaert/sanity%20checks/hv_data/ 2400s_900_01g.pdf

[14]

http://www.alitech.com.pl/katalogi/almemo%202390-8.pdf

[15]

http://www.cree.com/

[16]

http://www.sanderled.com.tw/

[17]

http://www.honglitronic.com/en/

[18]

http://www.tron.cz

40



9. Seznam příloh Příloha I:

Měření oteplení uvnitř vitríny – měření A

Příloha II:

Měření oteplení uvnitř vitríny – měření B

Příloha III: Měření parametrů diod LED emitujících bílé světlo Příloha IV:

Měření parametrů diod LED emitujících monochromatické světlo

Příloha V:

Měření měrného výkonu diod power LED

Příloha VI:

Vysvětlivky k měřeným parametrům

Příloha VII: Katalogové listy diod LED

Obsah příloh Seznam tabulek Tabulka I.1:

Tabulka naměřených teplot - měření A

Tabulka II.1: Tabulka naměřených teplot - měření B Tabulka III.1: Katalogové označení světloemitujících diod měřených v goniofotometru Tabulky III.2: LED SDL-5N3PW-50 (1) Tabulky III.3: LED SDL-5N3PWD-A (2) Tabulky III.4: LED SDL-481N3PW (3) Tabulky III.5: LED SDL-20403PW (4) Tabulky III.6: LED SMD HL-A-3528H212W (5) Tabulka III.7: Tabulka hodnot svítivosti diod LED pro jednotlivé vyzařovací úhly Tabulka IV.1: LED 45° SDL-5F3ETY-S (podmínka B) Tabulka IV.2: LED 45° SDL-SF3EPG (podmínka B) Tabulka IV.3: LED 45° SDL- 5F3EPB (podmínka B) Tabulka IV.4: LED 45° SDL- 5F3ETR (podmínka B) Tabulka V.1:

Tabulka zachycující změnu hodnot různých veličin při nárůstu proudu diody Cree Xlamp XREWHT-L1-00A01

Tabulka V.2:

Tabulka zachycující změnu hodnot různých veličin při nárůstu proudu diody Cree Xlamp XREWHT-L1-00C01

41



Seznam grafů

Graf I.1:

Graf závislosti teploty na čase - měření A

Graf II.1:

Graf závislosti teploty na čase – měření B

Graf III.1:

Spektrální charakteristika diody LED SDL-5N3PW-50

Graf III.2:

Křivka svítivosti diody LED SDL-5N3PW-50

Graf III.3:

Spektrální charakteristika diody LED SDL-5N3PWD-A

Graf III.4:

Křivka svítivosti diody LED SDL-5N3PWD-A

Graf III.5:

Spektrální charakteristika diody LED SDL-481N3PW

Graf III.6:

Křivka svítivosti diody LED SDL-481N3PW

Graf III.7:

Spektrální charakteristika diody LED SDL-20403PW

Graf III.8:

Křivka svítivosti diody LED SDL-20403PW při vodorovném uchycení větší plošky diody LED v goniofotometru

Graf III.9:

Křivka svítivosti diody LED SDL-20403PW při svislém uchycení větší plošky diody LED v goniofotometru

Graf III.10: Spektrální charakteristika diody LED SMD HL-A-3528H212W Graf III.11: Křivka svítivosti SMD diody LED HL-A-3528H212W Graf III.12: Křivky svítivosti pro diody LED uvedené v tabulce III.1. Graf IV.1:

Vyzařovací spektrum žluté LED 45° SDL-5F3ETY-S při podmínce B

Graf IV.2:

Vyzařovací spektrum zelené LED 45° SDL-5F3EPG při podmínce B

Graf IV.3:

Vyzařovací spektrum modré LED 45° SDL-5F3EPB při podmínce B

Graf IV.4:

Vyzařovací spektrum červené LED 45° SDL-5F3ETR při podmínce B

Graf V.1:

Graf závislosti měrného výkonu power LED XREWHT-L1-00A01 na ustáleném proudu

Graf V.2:

Graf závislosti měrného výkonu power LED XREWHT-L1-00C01 na ustáleném proudu

Seznam obrázků Obrázek III.1:

Měřené vzorky diod LED v goniofotometru aparatury OL 770

42



Příloha I Měření oteplení uvnitř vitríny – měření A

43


čas t (min) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 MINIMUM MAXIMUM |MIN-MAX|

Tabulka I.1:

Un (V) 232 231 232 232 232 232 232 232 232 232 233 232 232 232 232 231 232 232 232 232 231 231 232 232 232 232 232 232 232 232 231 232 232 232 232 232 232 232 232 231 232 231 233 2

T1 (°C) - vitrína 20,0 20,0 20,0 20,0 20,0 20,0 19,9 20,0 19,9 19,9 19,8 19,9 19,9 19,9 19,9 19,9 19,9 19,9 19,9 20,0 19,9 19,9 19,9 19,9 19,9 19,9 19,9 19,9 19,9 19,9 19,9 19,8 19,8 19,8 19,8 19,7 19,6 19,6 19,6 19,5 19,6 19,5 20,0 0,5


T2 (°C) - LED 19,4 19,5 19,7 20,1 20,4 20,7 21,0 21,3 21,4 21,7 21,8 22,0 22,1 22,3 22,4 22,5 22,6 22,7 22,8 22,9 23,0 23,1 23,1 23,2 23,3 23,4 23,4 23,5 23,5 23,6 24,0 24,2 24,4 24,5 24,5 24,6 24,6 24,5 24,5 24,5 24,5 19,4 24,6 5,2

T3 (°C) - okolí 18,2 18,3 18,2 18,1 17,9 17,8 17,7 17,6 17,5 17,5 17,4 17,4 17,3 17,3 17,2 17,2 17,2 17,2 17,2 17,2 17,1 17,1 17,1 17,1 17,1 17,1 17,1 17,1 17,1 17,0 17,0 17,0 17,0 16,9 16,9 16,9 16,8 16,8 16,7 16,7 16,7 16,7 18,3 1,6

∆T |T1-T2| 0,6 0,5 0,3 0,1 0,4 0,7 1,1 1,3 1,5 1,8 2,0 2,1 2,2 2,4 2,5 2,6 2,7 2,8 2,9 2,9 3,1 3,2 3,2 3,3 3,4 3,5 3,5 3,6 3,6 3,7 4,1 4,4 4,6 4,7 4,7 4,9 5,0 4,9 4,9 5,0 4,9 0,1 5,0 -

Tabulka naměřených teplot - měření A. 44



Vysvětlivky k tabulce: Un – síťové napětí, T1 – teplota v blízkosti exponátu, T2 – teplota na povrchu svítidla, T3 – teplota vnějšího okolí vitríny, ∆T – rozdíl teplot Poznámka: Z důvodu velkého množství naměřených hodnot je v tabulce od třicáté minuty uváděn měřený čas po desítkách minut. Kompletní tabulku hodnot lze nalézt ve formátu xls na příloženém CD.

Graf závislosti teploty na čase - měření A 30,0

25,0

teplota T (°C)

20,0

15,0

10,0

T1 - teplota uvnitř vitríny T2 - teplota na povrchu svítidla LED T3 - teplota okolí

5,0

0,0 0

20

40

60

80

100

120

140

160

čas t (min)

Graf I.1:

Graf závislosti teploty na čase - měření A.

Závěr

V bezprostřední blízkosti exponátu se teplota v průběhu měření změnila pouze o 0,5 °C. Teplotu uvnitř vitríny ovlivňovala spíše teplota okolí než teplota svítidla. Navrhované osvětlení

vitríny

je

tedy

vyhovující

s

minimálním

na exponát. Vlivem malé změny teploty na svítidle

tepelným

vlivem

LED a teploty okolí dochází

ke změně teploty uvnitř vitríny velmi pozvolně.

45



Příloha II Měření oteplení uvnitř vitríny – měření B

46


čas t (min) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480 510 540 570 600 630 MINIMUM MAXIMUM |MIN-MAX|

Tabulka II.1:

Un (V) 232 232 233 232 233 232 233 233 233 233 233 232 233 234 233 233 233 233 233 234 233 235 233 234 234 234 235 235 235 235 235 235 236 235 235 235 234 234 235 234 232 232 236 4

T1 (°C) - vitrína 19,7 19,6 19,6 19,7 19,5 19,5 19,4 19,4 19,4 19,4 19,4 19,3 19,3 19,3 19,3 19,3 19,3 19,3 19,4 19,3 19,2 19,2 19,1 19,0 18,9 18,9 18,8 18,8 18,7 18,6 18,6 18,6 18,5 18,4 18,4 18,4 18,4 18,3 18,3 18,2 18,4 18,2 19,7 1,5


T2 (°C) - LED 19,8 20,0 20,1 20,3 20,5 20,6 20,7 20,8 20,9 21,0 21,1 21,1 21,2 21,2 21,3 21,4 21,4 21,4 21,5 21,5 21,9 22,3 22,6 22,7 22,7 22,6 22,5 22,5 22,5 22,4 22,4 22,3 22,2 22,2 22,2 22,1 22,1 22,0 22,0 22,0 22,0 19,8 22,7 2,9

T3 (°C) - okolí 16,9 16,9 16,9 16,9 16,9 16,9 16,9 16,9 16,9 16,9 16,9 16,9 16,9 16,9 16,9 16,9 16,9 16,9 16,9 16,9 16,9 16,9 16,8 16,8 16,7 16,7 16,6 16,6 16,5 16,5 16,4 16,4 16,4 16,3 16,3 16,2 16,2 16,2 16,2 16,1 16,2 16,1 16,9 0,8

∆T |T1-T2| 0,1 0,4 0,5 0,6 1,0 1,1 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 1,9 2,0 2,1 2,1 2,1 2,1 2,2 2,7 3,1 3,5 3,7 3,8 3,7 3,7 3,7 3,8 3,8 3,8 3,7 3,7 3,8 3,8 3,7 3,7 3,7 3,7 3,8 3,6 0,1 3,8 -

Tabulka naměřených teplot - měření B. 47



Vysvětlivky k tabulce: Un – síťové napětí, T1 – teplota v blízkosti exponátu, T2 – teplota na povrchu svítidla, T3 – teplota vnějšího okolí vitríny, ∆T – rozdíl teplot Poznámka: Z důvodu velkého množství naměřených hodnot je v tabulce od třicáté minuty uváděn měřený čas po půl hodině. Kompletní tabulku hodnot lze nalézt ve formátu xls na příloženém CD. Graf závislosti teploty na čase - měření B 25,0

20,0

teplota T (°C)

15,0

10,0 T1 - teplota uvnitř vitríny T2 - teplota na povrchu svítidla LED T3 - teplota okolí

5,0

0,0 0

100

200

300

400

500

600

700

čas t (min)

Graf II.1:

Graf závislosti teploty na čase – měření B.

Závěr V bezprostřední blízkosti exponátu se teplota v průběhu měření změnila o 1,5 °C. Teplota na povrchu svítidla se změnila o 2,9 °C. Navrhované osvětlení vitríny je tedy vyhovující bez většího vlivu na exponát.

48



Příloha III Měření parametrů diod LED emitujících bílé světlo

49



KATALOGOVÉ OZNAČENÍ DIOD LED SDL-5N3PW-50 (1) SDL-5N3PWD-A (2) SDL-481N3PW (3) SDL-20403PW (4) HL-A-3528H212W (5)

Tabulka III.1:

Katalogové označení světloemitujících diod měřených v goniofotometru (čísla v závorce souvisí s čísly označenými na obr. III.1.).

Měření křivek (čar) svítivosti vybraných diod LED probíhalo v goniofotometru zařízení OL 770 a níže uvedené křivky svítivosti jsou i výstupem tohoto zařízení, resp. jeho softwaru. V křivce svítivosti je uveden výraz „peak spectral value“. Tento výraz je relativní hodnota v rozsahu 0 – 1 a poměrově odpovídá hodnotám svítivosti v tabulce III.7. Měření je prováděno v polárních souřadnicích v rozsahu 0° – 180° v intervalu 2°. V goniofotometru byly měřeny bílé světloemitující diody včetně jednoho SMD LED chipu. Měřící senzor je vzdálen od vrcholu každé diody 316 mm, měření tedy probíhá dle CIE 127 při podmínce A. Dále byla prováděna měření v kulovém integrátoru a v tubusech pro měření podmínek A a B. Všechna měření probíhala při teplotě okolí 22 °C a napájcích parametrech zdroje Un = 12V a IF = 20mA. Níže uvedené spektrální charakteristiky jednotlivých diod LED jsou výstupem softwaru OL 770 Spectroradiometer a byly měřeny za podmínek A, B a také v kulovém integrátoru. Na ose y jsou jednotky W.sr-1.nm-1 (zářivý tok přepočítaný na úhel a vlnovou délku), osa x koresponduje s vlnovou délkou v nanometrech.

Obrázek III.1:

Měřené vzorky diod LED v zařízeních aparatury OL 770. 50



LED SDL-5N3PW-50 (1) (tabulky III.2) Měření za podmínky A ILED A [cd] 2,30

TC [K] 6298

λpeak [nm] 458,7

λdom [nm] 485,8

x (1931) 0,317

y (1931) 0,326

λcenter [nm] 460,97

z (1931) 0,357

∆λ1/2 [nm] 25,7

IF [mA] 20

UF [V] 3,064

barevná čistota 0,06

Měření za podmínky B ILED B [cd] λpeak [nm] 2,31 459,1 TC [K] 6253

x (1931) 0,321

λdom [nm] 490,2 y (1931) 0,332

λcenter [nm] 460,9 z (1931) 0,347

∆λ1/2 [nm] 25,6

IF [mA] 20


UF [V] 3,077 Ra 82,18

Měření v kulovém integrátoru Φv[lm] 2,08

Graf III.1:

Φe[W] 0,007

U [V] 3,063

Ι [mΑ] [ Α] 20

ν [%] 10,8

λdom [nm] 564,6

[lm/W] 34,6

TC[K] 6155

Spektrální charakteristika diody LED SDL-5N3PW-50.

51


Graf III.2:


Křivka svítivosti diody LED SDL-5N3PW-50. Výrobce udává vyzařovací úhel této diody 50°, ovšem naměřená hodnota je téměř o 10° nižší.

Měření za podmínek A a B se výrazně neliší a naměřené rozdíly nepřesahují 1%. Z katalogového listu plyne, že minimální svítivost při podmínce A a B a teplotě 25°C je 2000 mcd. Měřená dioda tedy odpovídá údajům v katalogovém listu. Je patrné, že údaje měřené v tubusech podmínek A a B a v kulovém integrátoru se liší, zejména pak v hodnotách chromatičnosti. To může být způsobenu všesměrovostí vyzařovaného světla v kulovém integrátoru a tím i poněkud odlišný způsob vyhodnocování teploty chromatičnosti.

52



LED SDL-5N3PWD-A (2) (tabulky III.3) Měření za podmínky A ILED A [cd] 1,66 TC [K] 5644

λpeak [nm] λdom [nm] λcenter [nm] ∆λ1/2 [nm] 459,1 495,1 460,4 22,3 x (1931) 0,329

y (1931) 0,334

z (1931) 0,336

IF [mA] 20

UF [V] 3,009


Měření za podmínky B ILED B [cd] 1,57

λpeak [nm] 456,7

TC [K] 5628

λdom [nm] λcenter [nm] ∆λ1/2 [nm] 498,0 458,0 21,0

x (1931) 0,329

y (1931) 0,335

z (1931) 0,336

IF [mA] 20


UF [V] 3,022 Ra 81,98


Graf III.3:

Φe[W] 0,008

U [V] 3,016

Ι [mΑ] [ Α] 20

ν [%] 13,6

λdom [nm] 478,4

[lm/W] 39,4

TC[K] 5986

Spektrální charakteristika diody LED SDL-5N3PWD-A. 53


Graf III.4:


Křivka svítivosti diody LED SDL-5N3PWD-A.

Měření za podmínek A a B se výrazně neliší a naměřené rozdíly nepřesahují 10%. K této diodě LED nebyl dodán katalogový list, takže naměřené hodnoty nelze porovnat s údaji výrobce (společnost SANDER).

54



LED SDL-481N3PW (3) (tabulky III.4) Měření za podmínky A ILED A [cd] 1,03

λpeak [nm] 461,0

TC [K] 5161

λdom [nm] 566,8

x (1931) 0,341

λcenter [nm] 463,9

y (1931) 0,355

∆λ1/2 [nm] 28,3

z (1931) 0,304

IF [mA] 20

UF [V] 3,057


Měření za podmínky B ILED B [cd] 1,01 TC [K] 5184

λpeak [nm] 461,0 x (1931) 0,341

λdom [nm] 566,3 y (1931) 0,354

λcenter [nm] ∆λ1/2 [nm] 464,0 28,3

z (1931) 0,305

IF [mA] 20


UF [V] 3,165

Ra 85,54


Graf III.5:

Φe[W] 0,011

U [V] 3,053

Ι [mΑ] [ Α] 20

ν [%] 17,9

λdom [nm] 495,6

[lm/W] 53,2

TC[K] 5758

Spektrální charakteristika diody LED SDL-481N3PW.

55


Graf III.6:


Křivka svítivosti diody LED SDL-481N3PW. Vyzařovací úhel je 115,2°.

Měření za podmínek A a B se výrazně neliší a naměřené rozdíly nepřesahují 1%. Z katalogového listu plyne, že minimální svítivost při podmínce A a B a teplotě 25°C je 800 mcd. Měřená dioda tedy odpovídá údajům v katalogovém listu. Je patrné, že údaje měřené v tubusech podmínek A a B a v kulovém integrátoru se liší, zejména pak v hodnotách chromatičnosti a dominantní vlnové délky. Účinnost diody je téměř 18 %.

56



LED SDL-20403PW (4) (tabulky III.5) Měření za podmínky A ILED A [cd] 0,47 TC [K] 6768

λpeak [nm] 460,2 x (1931) 0,311

λdom [nm] 475,8 y (1931) 0,310

λcenter [nm] 462,2 z (1931) 0,379

∆λ1/2 [nm] 24,7

IF [mA] 20

UF [V] 3,058



λpeak [nm] 460,2

λdom [nm] 475,7

x (1931) 0,311

y (1931) 0,309

λcenter [nm] ∆λ1/2 [nm] 462,2 24,7 z (1931) 0,380

IF [mA] 20


UF [V] 3,166 Ra 81,80


Graf III.7:

Φe[W] 0,008

U [V] 3,056

Ι [mΑ] [ Α] 20

ν [%] 12,6

λdom [nm] 475,2

[lm/W] 35,3

TC[K] 7054

Spektrální charakteristika diody LED SDL-20403PW.

57



Graf III.8:

Křivka svítivosti diody LED SDL-20403PW při vodorovném uchycení větší plošky diody LED v goniofotometru. Vyzařovací úhel je 136,5°.

Graf III.9:

Křivka svítivosti diody LED SDL-20403PW při svislém uchycení větší plošky diody LED v goniofotometru. Vyzařovací úhel je 122,5°. Zde je patrný výrazný rozdíl v křivce svítivosti ve srovnání s obr. III.9.

Měření za podmínek A a B se výrazně neliší a naměřené rozdíly nepřesahují 1%. K této diodě LED výrobce (společnost SANDER) nedodal katalogový list, a proto naměřené údaje nelze porovnat. 58



LED SMD HL-A-3528H212W (5) (tabulky III.6) Měření za podmínky A ILED A [cd] 1,37

λpeak [nm] 455,1

TC [K] 10147

x (1931) 0,281

λdom [nm] 478,5

λcenter [nm] 456,5

y (1931) 0,285

z (1931) 0,434

∆λ1/2 [nm] 22,0

IF [mA] 20

UF [V] 3,126



λpeak [nm] 455,1 x (1931) 0,281

λdom [nm] 478,6

y (1931) 0,286

λcenter [nm] ∆λ1/2 [nm] 456,4 21,9

z (1931) 0,433

IF [mA] 20


UF [V] 3,189 Ra -


Φe[W] 0,015

U [V] 3,136

Ι [mΑ] [ Α] ν [%] λdom [nm] 20 24,0 479,7

[lm/W] 68,9

TC[K] 9596

Graf III.10: Spektrální charakteristika diody LED SMD HL-A-3528H212W. 59


Graf III.11:


Křivka svítivosti SMD diody LED HL-A-3528H212W . Zde je téměr „Lambertovská“ křivka svítivosti. Vyzařovací úhel je 116,2°.

Měření za podmínek A a B se výrazně neliší a naměřené rozdíly nepřesahují 1%. Z katalogového listu plyne, že minimální svítivost při podmínce A a B a teplotě 25°C je 1300 mcd. Měřená dioda tedy odpovídá údajům v katalogovém listu. Vyzařovací úhel diody je 116,2°. To je o 3,8° méně, než je údaj udávaný výrobcem.

60


úhel φ [°] [ ]

ILED A [cd] SDL-5N3PW-50

-90 -88 -86 -84 -82 -80 -78 -76 -74 -72 -70 -68 -66 -64 -62 -60 -58 -56 -54 -52 -50 -48 -46 -44 -42 -40 -38 -36 -34 -32 -30 -28 -26 -24 -22 -20 -18 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8

1,17 1,32 1,47 1,82 2,15 2,44 2,88 3,16 3,63 4,32 4,87 4,40 4,38 4,70 5,07 5,50 5,92 6,32 6,61 7,04 7,45 7,71 8,10 8,63 9,14 9,78 10,78 11,91 13,68 16,62 21,87 29,37 38,55 48,79 59,82 71,04 82,09 92,95 103,80 113,81 123,36 130,61 133,52 130,84 128,81 127,47 125,20 122,56 121,04 122,57

ILED A [cd] SDL-5N3PWD-A

3,47 3,79 4,06 4,40 4,72 5,06 5,45 5,82 6,27 6,75 7,32 7,83 8,46 9,06 9,80 10,46 11,22 12,05 12,90 13,82 14,83 15,90 17,07 18,39 19,88 21,57 23,40 25,57 28,03 30,92 34,31 38,16 42,66 47,59 53,17 58,75 64,28 69,60 74,42 78,50 81,57 84,07 85,72 87,01 87,95 88,30 88,32 87,87 86,99 85,50


ILED A [cd] SDL-481N3PW

0,32 0,06 1,48 0,79 2,04 3,33 6,64 6,85 8,90 10,07 13,38 14,14 16,27 18,99 19,29 22,96 24,77 23,87 26,00 27,34 31,05 30,56 32,37 35,30 36,10 37,11 38,86 39,41 40,61 42,56 44,37 46,14 44,83 47,47 47,57 48,06 49,04 49,98 51,17 51,16 50,41 51,36 52,15 52,70 52,50 54,32 52,48 55,68 53,46 53,89

ILED A [cd]

ILED A [cd]

ILED A [cd]

SDL-20403PW C90 vodor.

SDL-20403PW C90 svisle

HL-A-3528H212W

1,96 2,43 3,05 3,84 4,83 5,83 6,98 8,30 9,79 11,37 13,08 14,89 16,96 19,37 21,80 24,08 26,41 28,53 30,78 32,65 33,71 34,32 34,31 32,04 29,21 26,15 23,48 21,92 21,50 21,44 21,66 21,99 22,28 22,53 22,87 23,08 23,29 23,57 23,83 24,07 24,31 24,46 24,66 24,76 24,92 24,96 25,00 25,00 25,09 25,06

1,43 1,77 2,19 2,83 3,60 4,48 5,39 6,38 7,45 8,65 9,95 11,27 12,58 13,94 15,30 16,74 18,34 19,90 21,46 22,85 24,15 25,27 26,37 27,26 28,07 28,70 29,22 29,56 29,83 30,00 29,96 29,84 29,65 29,37 29,13 28,72 28,35 27,94 27,53 27,03 26,53 26,09 25,75 25,36 25,11 24,91 25,01 25,37 25,77 26,25

0,63 1,83 2,96 4,57 6,60 8,78 11,05 13,44 15,91 18,35 20,84 23,25 25,68 27,98 30,31 32,56 34,82 36,89 38,96 40,92 42,85 44,75 46,53 48,22 49,84 51,44 52,94 54,30 55,71 57,00 58,18 59,28 60,28 61,29 62,25 63,02 63,78 64,51 65,08 65,60 66,16 66,55 66,85 67,04 67,20 67,39 67,25 67,23 67,02 66,83

61


úhel φ [°] [ ]

ILED A [cd] SDL-5N3PW-50

10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 62 64 66 68 70 72 74 76 78 80 82 84 86 88 90

127,52 129,60 123,26 113,50 101,24 88,22 74,79 61,68 49,88 39,38 30,60 23,97 19,23 16,14 14,44 13,25 12,49 11,48 10,56 9,92 9,35 8,83 8,38 7,90 7,44 7,06 6,72 6,34 6,15 6,07 6,36 6,03 5,45 5,01 4,66 4,14 3,65 3,15 2,78 2,44 2,07

Tabulka III.7:

ILED A [cd] SDL-5N3PWD-A

83,44 80,51 76,71 72,20 66,92 61,38 55,81 50,18 44,91 40,22 36,00 32,38 29,24 26,55 24,24 22,27 20,47 18,92 17,60 16,41 15,26 14,28 13,38 12,56 11,78 11,06 10,39 9,72 9,08 8,52 7,98 7,47 6,96 6,53 6,06 5,68 5,26 4,91 4,58 4,29 4,00


ILED A [cd] SDL-481N3PW

54,42 53,71 53,55 52,71 54,54 52,31 53,85 52,08 50,40 50,85 49,39 48,50 46,92 44,13 41,94 41,99 39,34 38,87 36,41 36,19 32,75 32,47 31,42 30,29 28,77 26,36 25,17 22,30 20,91 19,69 18,38 16,68 13,07 10,12 7,53 6,00 4,33 2,50 2,82 2,80 0,30

ILED A [cd]

ILED A [cd]

ILED A [cd]



HL-A-3528H212W

25,02 25,02 24,97 24,99 24,93 24,87 24,81 24,57 24,37 24,18 23,96 23,62 23,24 23,07 23,03 23,44 24,53 26,45 29,14 32,51 35,63 36,89 36,36 35,85 34,61 33,22 31,31 28,68 25,88 23,21 20,49 18,07 15,91 13,95 12,25 10,55 8,89 7,35 6,10 4,89 3,75

26,85 27,32 27,86 28,37 28,95 29,54 29,86 30,40 30,83 31,00 31,12 31,09 30,85 30,48 30,18 29,55 28,94 28,24 26,96 25,46 23,66 22,19 20,70 19,16 17,67 16,20 14,70 13,25 11,71 10,45 9,31 8,17 7,00 5,99 5,05 4,22 3,50 2,78 2,22 1,78 1,42

66,45 66,08 65,51 65,00 64,35 63,66 62,82 61,95 60,91 59,94 58,83 57,70 56,41 55,04 53,68 52,26 50,66 49,05 47,42 45,66 43,84 41,93 39,92 37,93 35,83 33,66 31,45 29,19 26,89 24,51 22,12 19,69 17,22 14,84 12,40 10,03 7,78 5,70 3,82 2,35 1,31

Tabulka hodnot svítivosti diod LED pro jednotlivé vyzařovací úhly.

62

0

20

40

60

80

100

120

140

160

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

úhel Φ (°)

0

10

20

30

Křivky svítivosti vybraných diod LED

40

50

60

70

HL-A-3528H212W

80



SDL-481N3PW

SDL-5N3PWD-A

SDL-5N3PW-50

90

Diplomová práce – Filip Slovák Analýza parametrů světloemitujících diod

Graf III.12: Křivky svítivosti pro diody LED uvedené v tabulce III.1.

63

svítivost I (cd) - podmínka A (316 mm)



Příloha IV Měření parametrů diod LED emitujících světlo v úzkém emisním spektru

64


Tabulka IV.1:

LED* 45° SDL-5F3ETY-S (podmínka B).

ILED B [cd] 4,38 TC [K] 2018

λpeak [nm] 594,5 x (1931) 0,498

λpeak [nm] 514,6 x (1931) 0,178

z (1931) 0,123

λdom [nm] 516,3

y (1931) 0,598

Tabulka IV.3:


IF [mA] 20

UF [V] 2,124

Ra 10,12

barva žlutá

λcenter [nm] 516,3

z (1931) 0,224

∆λ1/2 [nm] 32,1


IF [mA] 20 Ra 13,81

UF [V] 3,640 barva zelená

LED 45° SDL- 5F3EPB (podmínka B). λpeak [nm] 468,5

ILED B [cd] 0,63

x (1931) 0,161

Tabulka IV.4: ILED B [cd] 0,03 TC [K] -

λcenter [nm] ∆λ1/2 [nm] 593,7 13,1

LED 45° SDL-SF3EPG (podmínka B).

ILED B [cd] 2,37

TC [K] -

λdom [nm] 593,3

y (1931) 0,379

Tabulka IV.2:

TC [K] 8526


λdom [nm] 471,4

y (1931) 0,115

λcenter [nm] 468,6

z (1931) 0,724

∆λ1/2 [nm] 23,7


IF [mA] 20 Ra 0,00

UF [V] 3,678 barva modrá

LED 45° SDL- 5F3ETR (podmínka B). λpeak [nm] 637,4

λdom [nm] 626,6

λcenter [nm] ∆λ1/2 [nm] 636,1 13,3

x (1931) y (1931) z (1931) neměřeno neměřeno neměřeno


IF [mA] 20

UF [V] 2,018

Ra 0,99

barva červená

* Poznámka: Čislo ve stupních před katalogovým označením diody LED udává velikost vyzařovacího úhlu.

65



Graf IV.1:

Vyzařovací spektrum žluté LED SDL-5F3ETY-S při podmínce B.

Graf IV.2:

Vyzařovací spektrum zelené LED SDL-SF3EPG při podmínce B.

66



Graf IV.3:

Vyzařovací spektrum modré LED SDL-5F3EPB při podmínce B.

Graf IV.4:

Vyzařovací spektrum červené LED SDL-5F3ETR při podmínce B.

67



Příloha V Měření měrného výkonu diod power LED (Cree Xlamp XREWHT-L1-00A01) (Cree Xlamp XREWHT-L1-00C01)

68



Cree Xlamp XREWHT-L1-00A01 Ι [mΑ] [ Α] 20 30 40 50 60 70 80 90 100 120 140 160 180 200 250 300 350 600 700 800 900 1000

Φv[lm] 5,56 8,68 11,76 14,79 17,77 20,71 23,61 26,44 29,25 34,73 40,06 45,25 50,31 55,27 67,08 74,64 85,03 129,16 143,08 155,09 167,66 177,59

U [V] 2,71 2,79 2,86 2,93 3,01 3,11 3,32 3,54 3,80 3,38 3,58 3,62 3,69 3,72 3,97 3,30 3,42 3,73 3,80 3,89 4,02 4,07

Φe[W] 0,016 0,025 0,035 0,044 0,052 0,061 0,070 0,078 0,087 0,104 0,120 0,136 0,151 0,166 0,203 0,227 0,260 0,404 0,451 0,491 0,534 0,569

ν [%] 30,52 30,79 30,52 29,97 29,24 28,28 26,40 24,68 22,96 25,58 23,95 23,43 22,77 22,38 20,47 22,98 21,75 18,06 16,95 15,78 14,76 13,98

λdom [nm] Pm [ lm/W] 563,9 104,08 564,0 104,84 564,1 103,70 564,1 101,65 564,1 99,01 564,0 95,60 564,0 89,11 563,9 87,18 563,8 86,27 563,7 85,84 563,5 80,15 563,4 78,19 563,1 75,82 562,9 74,33 562,3 67,62 555,4 75,43 553,1 71,06 526,5 57,79 511,6 53,84 503,6 49,80 498,5 46,33 495,5 43,64

TC [K] 5084 5090 5098 5108 5117 5128 5137 5147 5157 5174 5192 5209 5225 5240 5279 5451 5488 5642 5694 5740 5782 5822

barevná čistota

0,174 0,166 0,159 0,153 0,148 0,143 0,139 0,135 0,131 0,123 0,117 0,111 0,105 0,100 0,088 0,063 0,053 0,020 0,017 0,019 0,022 0,025

Ra 73,51 73,23 73,04 72,90 72,76 72,68 72,59 72,53 72,46 72,36 72,28 72,20 72,15 72,08 71,98 71,54 71,45 71,39 71,47 71,60 71,61 71,76

Tabulka V.1: Tabulka zachycující změnu hodnot různých veličin při nárůstu proudu diody Cree Xlamp XREWHT-L1-00A01. Graf závislosti měrného výkonu na ustáleném proudu - Cree Xlamp XREWHT-L1-00A01 120 110 100

měrný výkon P (lm/W)

90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

650

700

750

800

850

900

950

1000

ustálený provozní proud IF (mA)

Graf V.1:

Graf závislosti měrného výkonu power LED XREWHT-L1-00A01 na ustáleném proudu. 69



Cree Xlamp XREWHT-L1-00C01 Ι [mΑ] [ Α] 10 20 30 40 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000

U [V] 2,63 2,68 2,72 2,75 2,79 2,90 2,98 3,05 3,13 3,18 3,22 3,26 3,30 3,35 3,41 3,46 3,53 3,56 3,59 3,60 3,62 3,68 3,70 3,73

Φv[lm] 2,57 5,72 8,94 12,14 15,36 30,76 45,19 58,78 72,10 83,60 94,46 104,53 113,85 122,33 130,71 137,18 142,98 148,55 152,88 156,05 158,41 167,71 168,26 170,06

Φe[W] 0,008 0,017 0,027 0,037 0,047 0,094 0,138 0,180 0,222 0,258 0,293 0,326 0,356 0,384 0,412 0,434 0,454 0,474 0,489 0,502 0,511 0,541 0,545 0,553

ν [%] λdom [nm] 30,36 527,64 32,70 523,52 33,43 521,10 33,62 519,12 33,60 517,88 32,43 511,37 30,98 507,15 29,61 504,00 28,39 501,94 27,15 499,54 26,04 497,79 24,99 496,29 23,97 495,13 22,95 494,05 21,97 493,28 20,94 492,47 19,82 491,79 18,99 491,16 18,20 490,61 17,42 490,10 16,60 489,63 16,33 489,43 15,51 488,97 14,84 488,56

Pm [lm/W] 100,71 108,20 110,49 111,01 110,88 106,52 101,33 96,48 92,29 87,84 83,91 80,17 76,62 73,06 69,74 66,18 62,39 59,56 56,87 54,21 51,43 50,63 47,86 45,60

TC [K] 5795 5821 5835 5846 5854 5904 5947 5986 6015 6059 6099 6140 6178 6220 6254 6299 6347 6393 6444 6504 6566 6559 6634 6695

Tabulka V.2: Tabulka zachycující změnu hodnot různých veličin při nárůstu proudu diody Cree Xlamp XREWHT-L1-00C01. Graf závislosti měrného výkonu na ustáleném proudu - Cree Xlamp XREWHT-L1-00C01 120 110 100 90

měrný výkon P (lm/W)

80 70 60 50 40 30 20 10 0 0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

650

700

750

800

850

900

950

1000

ustálený provozní proud IF (mA)

Graf V.2:

Graf závislosti měrného výkonu power LED XREWHT-L1-00C01 na ustáleném proudu. 70



Příloha VI Vysvětlivky k měřeným parametrům

71


ILED A


svítivost měřená při podmínce A (vzdálenost vrcholu diody LED od detektoru je 316 mm; úhel 0,001 sr; osvětlená plocha 1 cm2)

ILED B

svítivost měřená při podmínce B (vzdálenost vrcholu diody LED od detektoru je 100 mm; úhel 0,01 sr; osvětlená plocha 1 cm2)

λpeak

vlnová délka v maximální hodnotě zářivého toku spektrální charakteristiky

λdom

dominantní vlnová délka

λcenter

centrální vlnová délka

∆λ1/2

vzdálenost vlnových délek v 50% intenzity zářivého toku

IF

provozní (pracovní) ustálený proud diody v propustném směru

UF

napětí na diodě v propustném směru

TC

teplota chromatičnosti

x (1931)

osa x chromatického diagramu z roku 1931

y (1931)

osa y chromatického diagramu z roku 1931

z (1931)

osa z chromatického diagramu z roku 1931

Ra

index podání barev

Φv

světelný tok

Φe

zářivý tok

ν

světelná účinnost

Pm

měrný výkon

72



Příloha VII Katalogové listy diod LED

73



74



75



76



77



78



79



80



81



82



83



84



85



86



87



88



89



90



91



92



93



94



95



96



97



98



99



100



101



102



103



104



105



106



107



108



109



110



111



112



113



114



115



116



117

Analýza parametrů světloemitujících diod

Recommend Documents