VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ
ÚSTAV ELEKTROENERGETIKY FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION DEPARTMENT OF ELECTRICAL POWER ENGINEERING
FOTOMETRIE A SPEKTRORADIOMETRIE ZAPOUZDŘENÝCH LED ČIPŮ
DIPLOMOVÁ PRÁCE MASTER‘S THESIS
AUTOR PRÁCE AUTHOR
BRNO 2012
BC. MARTIN VYSOUDIL
Bibliografická citace práce: VYSOUDIL, M. Fotometrie a spektroradiometrie zapouzdřených LED čipů. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, 2012. 71 s. Vedoucí diplomové práce doc. Ing. Jiří Drápela, Ph.D.
Jako autor uvedené diplomové práce dále prohlašuji, že v souvislosti s vytvořením této diplomové práce jsem neporušil autorská práva třetích osob, zejména jsem nezasáhl nedovoleným způsobem do cizích autorských práv osobnostních a jsem si plně vědom následků porušení ustanovení § 11 a následujících autorského zákona č. 121/2000 Sb., včetně možných trestněprávních důsledků vyplývajících z ustanovení části druhé, hlavy VI. Díl 4 Trestního zákoníku č. 40/2009 Sb. Na tomto místě bych rád poděkoval Doc. Ing. Jiřímu Drápelovi, Ph.D. za vedení diplomové práce a také za jeho podporu, trpělivost, rady, inspiraci a diskuze nejen při vypracování této diplomové práce. Dále bych chtěl poděkovat Ing. Janu Škodovi, Ph.D. za odbornou asistenci v laboratoři světelné techniky Ústavu elektroenergetiky FEKT VUT Brno.
……………………………
VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ
Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Ústav elektroenergetiky
Diplomová práce
Fotometrie a spektroradiometrie zapouzdřených LED čipů Martin Vysoudil
vedoucí: doc. Ing. Jiří Drápela, Ph.D. Ústav elektroenergetiky, FEKT VUT v Brně, 2012
Brno
BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
Faculty of Electrical Engineering and Communication Department of Electrical Power Engineering
Master’s Thesis
Photometry and spektroradiometry of LEDS by
Martin Vysoudil
Supervisor: doc. Ing. Jiří Drápela, Ph.D. Brno University of Technology, 2012
Brno
Abstrakt
ABSTRAKT Tato diplomová práce se zabývá zpracováním světelných a technických parametrů výkonových LED čipů klíčových pro jejich aplikaci do osvětlovacích soustav. Cílem práce je vytvoření laboratorního modelu pro měření kvalitativních a kvantitativních parametrů světelného výkonu vysoce svítivých LED v závislosti na vyzařovaném úhlu, s využitím kulového integrátoru 0,3m, goniometru a vláknového spektroradiometru/luxmetru. Goniometr je sestaven pomocí optomechanických dílů stavebnice firmy Thorlabs. Vlivem průchodu proudu se LED čipy značně ohřívají. Aby světelné parametry testovaného LED čipu nebyly ovlivňovány tímto teplem, je potřeba z čipu vytvořené teplo odvádět pomocí pasivního chladiče. Dalším částí diplomové práce je rekonstrukce staršího modelu kulového integrátoru. Rekonstrukce musí být provedena tak, aby bylo opět zajištěno dostačující chlazení testovaného LED zdroje. Světlo rozptýlené v kulovém integrátoru je vedeno optickým kabelem do spektroradiometru, kde jsou následně zaznamenávány jeho parametry. Druhým prvkem, použitým pro měření světla vytvořeného na LED zdroji, je fotočlánek. Kulový integrátor musí být vhodně upraven pro indikaci těchto dvou měřících prvků a zároveň splňovat určitou korektnost měření. V závěru budou porovnány výsledky měření s katalogovými hodnotami uváděnými výrobci.
KLÍČOVÁ SLOVA:
výkonový LED čip; fotometrie; radiometrie; goniometr; kulový integrátor; světelný zdroj; chlazení LED; index podání barev; teplota chromatičnosti; účinnost; měrný výkon; svítidlo.
Abstract
ABSTRACT This thesis deals with the processing of light technical parameters and performance of key LED chips for their applications in lighting systems. The aim is to create a laboratory model for measuring the qualitative and quantitative parameters of highly luminous light LED emitted depending on the angle, using a spherical integrator 0.3 m, goniometer and fiber spektroradiometr /luxmeters. Goniometer is designed using modular optomechanical parts company Thorlabs. Due to the current passing through the LED chips heat up considerably. To light LED chip parameters tested were not affected by heat from the chip is required to pay the heat generated by a passive radiator. Another part of this thesis is the reconstruction of an older model spherical integrator. Reconstruction must be undertaken so as to ensure sufficient cooling again tested LEDs. Light scattered in the ball of the integrator is led by the optical cable to the spektroradiometr that are subsequently recorded its parameters. The second element used to measure the light produced by the LED source is photocell. Spherical integrator must be appropriately modified to indicate the two measuring elements and also meet the standards of determining the correctness of measurement. At the end of the measurement results will be compared with catalog values provided by the manufacturer.
KEY WORDS:
power LED chip; photometry, radiometry, goniometer, spherical integrator, light source, LED cooling, color rendering index, color temperature, efficiency, Luminous efficacy, light.
Obsah
OBSAH 1 ÚVOD .....................................................................................................................................................15 2 CÍLE PRÁCE ........................................................................................................................................15 3 ZAPOUZDŘENÉ LED ČIPY ..............................................................................................................15 3.1
PRINCIP ČINNOSTI LED DIOD ......................................................................................................16
3.2
PARAMETRY ZAPOUZDŘENÝCH LED ČIPŮ .................................................................................16 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4
KONSTRUKCE.......................................................................................................................16 TECHNOLOGICKÉ VLASTNOSTI ............................................................................................19 OPTICKÉ VLASTNOSTI ..........................................................................................................20 NAPÁJENÍ LED ....................................................................................................................21
3.3
TEPELNÝ MANAGEMENT VÝKONOVÝCH LED DIOD ...................................................................23
3.4
LED APLIKACE .............................................................................................................................26
4 LABORATORNÍ MĚŘENÍ .................................................................................................................27 4.1
NORMY A SMĚRNICE .....................................................................................................................27 4.1.1 IESNA LM-79, LM-80, IESNA LM-XX.............................................................................27 4.1.2 SMĚRNICE CIE 127 ..............................................................................................................30
4.2
FOTOMETRICKÉ A RADIOMETRICKÉ VELIČINY ..........................................................................30 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.2.4 4.2.5 4.2.6
MĚŘENÍ FOTOMETRICKÝCH VELIČIN SPEKTRORADIOMETREM............................................30 MĚŘENÍ ÚČINNOSTI DIOD LED ............................................................................................31 MĚRNÝ VÝKON DIOD LED ..................................................................................................32 TEPLOTA CHROMATIČNOSTI ................................................................................................32 INDEX PODÁNÍ BAREV ..........................................................................................................32 KŘIVKY SVÍTIVOSTI .............................................................................................................33
4.3
LABORATORNÍ PROSTŘEDÍ ...........................................................................................................33 4.3.1 LABORATOŘ SVĚTELNÉ TECHNIKY UEEN ..........................................................................33 4.3.2 MĚŘENÍ VÝKONOVÝCH LED V PRAXI .................................................................................33
4.4
MĚŘÍCÍ ZAŘÍZENÍ..........................................................................................................................34 4.4.1 4.4.2 4.4.3 4.4.4 4.4.5
4.5
ROZDĚLENÍ FOTOČLÁNKŮ: ..................................................................................................34 VLÁKNOVÝ SPEKTRORADIOMETR .......................................................................................35 GONIOMETR .........................................................................................................................35 KULOVÝ INTEGRÁTOR .........................................................................................................36 NAPÁJECÍ ZDROJ PRO MĚŘENÉ LED ....................................................................................37
VZORKY PROMĚŘOVANÝCH LED ČIPŮ ........................................................................................38 4.5.1 XLAMP XR-E.......................................................................................................................38 4.5.2 XLAMP XP-E (KALIBRAČNÍ DIODA) ....................................................................................39
5 LABORATORNÍ MODEL GONIOMETRU .....................................................................................40 5.1
SESTAVA PRO MĚŘENÍ LED .........................................................................................................40
5.2
ADAPTÉR NA VÝKONOVÉ LED .....................................................................................................41
5.3
ZPRACOVÁNÍ SVĚTLA POMOCÍ FOTOČLÁNKU ............................................................................42 5.3.1 KALIBRACE SYSTÉMU S FOTOČLÁNKEM..............................................................................42 5.3.2 MĚŘENÍ VÝKONOVÝCH LED V GONIOMETRU POMOCÍ FOTOČLÁNKU .................................43
Obsah
5.4
ZPRACOVÁNÍ SVĚTLA POMOCÍ SPEKTRORADIOMETRU .............................................................48 5.4.1 KALIBRACE SYSTÉMU SE SPEKTRORADIOMETREM..............................................................48 5.4.2 MĚŘENÍ VÝKONOVÝCH LED V GONIOMETRU POMOCÍ SPEKTRORADIOMETRU...................49
6 MĚŘENÍ V KULOVÉM INTEGRÁTORU .......................................................................................53 6.1
REKONSTRUKCE KULOVÉHO INTEGRÁTORU ..............................................................................53 6.1.1 KULOVÝ INTEGRÁTORU PŘED REKONSTRUKCÍ....................................................................53 6.1.2 VNITŘNÍ USPOŘÁDÁNÍ KULOVÉHO INTEGRÁTORU ..............................................................54 6.1.3 VNITŘNÍ NÁTĚR ...................................................................................................................55 6.1.4 KULOVÝ INTEGRÁTOR PO REKONSTRUKCI ..........................................................................58
6.2
MECHANISMUS PRO SNÍMÁNÍ SVĚTLA ROZPTÝLENÉHO V KULOVÉM INTEGRÁTORU ..............58
6.3
ZPRACOVÁNÍ SVĚTLA Z KULOVÉHO INTEGRÁTORU FOTOČLÁNKEM .......................................59 6.3.1 KALIBRACE SYSTÉMU S FOTOČLÁNKEM ..............................................................................59 6.3.2 MĚŘENÍ V KULOVÉM INTEGRÁTORU POMOCÍ FOTOČLÁNKU ...............................................60
6.4
ZPRACOVÁNÍ SVĚTLA Z KULOVÉHO INTEGRÁTORU SPEKTRORADIOMETREM ........................64 6.4.1 KALIBRACE SYSTÉMU SE SPEKTRORADIOMETREM..............................................................64 6.4.2 MĚŘENÍ V KULOVÉM INTEGRÁTORU POMOCÍ SPEKTRORADIOMETRU .................................66
7 ZÁVĚR ...................................................................................................................................................69 7.1
SOUČASNÝ STAV ............................................................................................................................69
7.2
ZÁVĚRY PRÁCE A JEJÍ PŘÍNOS......................................................................................................69
7.3
VÝZNAM A VYUŽITÍ DOSAŽENÝCH VÝSLEDKŮ ............................................................................70
7.4
NÁVRH DALŠÍHO POSTUPU ...........................................................................................................70
8 LITERÁRNÍ PRAMENY .....................................................................................................................71
Seznam obrázků
SEZNAM OBRÁZKŮ Obr. 3-1 Jednoduchá struktura LED [3] ......................................................................................... 16 Obr. 3-2 Různé designy LED [3] ................................................................................................... 17 Obr. 3-3 Hliníkové plošné spoje MCPCB [3] ................................................................................ 18 Obr. 3-4 Spektrum LED s luminoforem[1]. ................................................................................... 20 Obr. 3-5 Spínaný regulátor pro 1W LED typu Luxeon .................................................................. 22 Obr. 3-6 Napěťový zdroj (vlevo) a proudový zdroj (vpravo) pro power LED firmy TRON[3]. ... 22 Obr. 3-7 Závislost životnosti diody na teplotě přechodu při různých teplotách okolí výkonových LED diod firmy CREE[8]. ..................................................................................................... 24 Obr. 3-8 Model tepelného odporu výkonových LED s uvažováním chladiče[3]. ......................... 25 Obr. 3-9 Model tepelného odporu výkonových LED neuvažujeme-li chladič[3]. ......................... 25 Obr. 4-1 Měření světelných parametrů SSL svítidel pomocí spektroradiometru dle IESNA LM-79 [10]. ........................................................................................................................................ 28 Obr. 4-2 Měření světelných parametrů výkonových LED svítidel pomocí spektroradiometru dle IESNA LM-XX. V levé části obrázku je zobrazen způsob měření pro malé kulové integrátory (2π geometrie), v pravé části obrázku je zobrazen způsob měření pro větší kulové integrátory (4π geometrie) [10]. ................................................................................. 29 Obr. 4-3 Uspořádání pracoviště pro měření parametrů diod LED společnosti TRON [18]. ......... 34 Obr. 4-4 Vláknový spektroradiometr AvaSpec-2048 [15]. ............................................................ 35 Obr. 4-5 Uspořádání kulového integrátoru [11]. ............................................................................ 37 Obr. 4-6 Napájecí zdroj KEITHLEY model 2602A, systémový přesný měřicí zdroj [16]. .......... 38 Obr. 4-7 Výkonový LED čip typ XLamp XR-E [8]....................................................................... 39 Obr. 4-8 Výkonový LED čip typ XLamp XP-E [8]. ...................................................................... 39 Obr. 5-1 Otočný držák s mikrometrem (vlevo), otočný podstavec s mikrometrem (vpravo) součástky firmy Thorlabs [12]. .............................................................................................. 40 Obr. 5-2 Aplikace adaptéru do měřícího systému (vlevo), duralový adaptér připevněný k chladícímu profilu (vpravo)................................................................................................. 41 Obr. 5-3 Aplikace adaptéru do měřícího systému (vpravo), duralový adaptér připevněný k chladícímu profilu a nástavci (vlevo) .................................................................................. 42 Obr. 5-4 Měření výkonových LED v goniometru pomocí fotočlánku ........................................... 43 Obr. 5-5 Závislost oteplení chladících prvků na čase .................................................................... 44 Obr. 5-6 Měření křivek svítivosti v různých rovinách pro výkonový LED čip XP-E ................... 44 Obr. 5-7 Křivky svítivosti v závislosti na fotometrické vzdálenosti výkonového LED čipu XP-E neutral white ........................................................................................................................... 45 Obr. 5-8 Naměřená křivka svítivosti v ortogonálních souřadnicích pro LED typu XR-E COOL WHITE ................................................................................................................................... 46
Seznam obrázků
Obr. 5-9 Křivka svítivosti vyjmutá z katalogového listu pro LED typu XR-E COOL WHITE [8] ................................................................................................................................................ 46 Obr. 5-10 Závislost intenzity osvětlení na vzdálenosti výkonového LED čipu typu XP-E ........... 47 Obr. 5-11 Závislost svítivosti na vzdálenosti výkonového LED čipu typu XP-E .......................... 48 Obr. 5-12 Korekční křivka vytvořená programem Avasoft ........................................................... 49 Obr. 5-13 Měření výkonových LED v goniometru pomocí spektroradiometru............................. 50 Obr. 5-14 Kolorimetrický trojúhelník pro světlo vyzářené pod pozorovacím úhlem α=-90° (vlevo) a α=0°(vpravo)........................................................................................................................ 51 Obr. 5-15 Spektrální charakteristiky výkonového LED čipu XR-E pro prostorové úhly α=-50° a α=0° ........................................................................................................................................ 52 Obr. 5-16 Spektrální charakteristiky výkonového LED čipu XR-E pro fotometrické vzdálenosti h=10 cm a h=40cm ................................................................................................................. 53 Obr. 6-1 Kulový integrátor před rekonstrukcí doplněný o stínítko. ............................................... 54 Obr. 6-2 Hliníkový nástavec tvořící 4π geometrii. ......................................................................... 55 Obr. 6-3 Závislost odraznosti na vlnové délce vzorku 1. ............................................................... 56 Obr. 6-4 Závislost odraznosti na vlnové délce vzorku 2. ............................................................... 56 Obr. 6-5 Závislost odraznosti na vlnové délce vzorku 3. ............................................................... 56 Obr. 6-6 Kulový integrátor po rekonstrukci ................................................................................... 58 Obr. 6-7 Pevný nástavec pro aplikaci fotočlánku do kulového integrátoru (vlevo). Odnímatelný nástavec pro aplikaci světlovodného vlákna spektroradiometru do kulového integrátoru (napravo). ............................................................................................................................... 59 Obr. 6-8 Závislost světelného toku na čase pro LED typ XP-E neutral ......................................... 61 Obr. 6-9 Závislost světelného toku na čase pro LED typ XR-E .................................................... 61 Obr. 6-10 Závislost světelného toku na čase pro LED typ XP-E 80-CRI ...................................... 62 Obr. 6-11 Závislost relativního světelného toku na pracovním proudu ......................................... 62 Obr. 6-12 Závislost světelného toku na teplotě přechodu s použitím chladiče .............................. 63 Obr. 6-13 Závislost světelného toku na teplotě přechodu bez použití chladiče ............................. 63 Obr. 6-14 Korekční křivka vytvořená programem Avasoft ........................................................... 65 Obr. 6-15 Spektrální charakteristika výkonové LED XR-E v závislosti na provozním proudu .... 67 Obr. 6-16 Spektrální charakteristika výkonové LED XR-E cool white v čase .............................. 68
Seznam tabulek
SEZNAM TABULEK Tab. 3-1 Vlastnosti základních polovodičů[4] ............................................................................... 17 Tab. 3-2 Značení drátových vývodů diod LED[5] ......................................................................... 18 Tab. 3-3 Část katalogového listu proudových zdrojů pro napájení power LED firmy TRON [3]. 22 Tab. 4-1 Stručný přehled LED světelných zdrojů definovaných normou IES RP-16 a současný stav norem zabývajících se jejich světelnými parametry[10]. ............................................... 30 Tab. 4-2 Radiometrické a fotometrické veličiny [7]. ..................................................................... 31 Tab. 5-1 Spektrální charakteristika výkonového LED čipu XR-E COOL WHITE v závislosti na vyzařovaném úhlu .................................................................................................................. 51 Tab. 5-2 Spektrální charakteristika výkonového LED čipu XR-E COOL WHITE v závislosti na fotometrické vzdálenosti ........................................................................................................ 52 Tab. 6-1 Hodnoty odraznosti pro tři vzorky barevného odstínu barvy Primalex Polar změřené pomocí CM-3600D v závislosti na vlnové délce. .................................................................. 57 Tab. 6-2 Naměřené parametry výkonového LED čipu XR-E cool white pro různé provozní proudy ..................................................................................................................................... 66 Tab. 6-3 Parametry výkonového LED čipu XR-E cool white získané v průběhu 10 minutového měření ..................................................................................................................................... 68
Seznam symbolů a zkratek
SEZNAM SYMBOLŮ A ZKRATEK c
Rychlost světla ve vakuu
CIE
Commission Internationale de l’Éclairage
D
Průměr integrátoru
E
Osvětlení
Er
Referenční osvětlení
Eg
Energie zakázaného pásu
h
Planckova konstanta
h
Fotometrická vzdálenost
I
Svítivost
IESNA
Illuminating Engineering Society of North America
If
Pracovní proud LED
L
Jas
LED
Light-Emitting Diode
kfč
Konstanta fotočlánku
ki
Konstanta kulového integrátoru
ks
Konstanta měřící sestavy
MCPCB
Metal Core Printed Circuit Board
PLED
Příkon jedné LED diody
Pm
Měrný výkon
PTOTAL
Příkon soustavy s více LED
R
Tepelný odpor
SSL
Solid State Lighting
TA
Teplota okolí
TIR
Total Internal Reflecting
Tj
Teplota polovodičového přechodu
Uf
Napětí v propustném směru na LED
UV-VIS
Ultraviolet - Visible
VIS-NIR
Visible - Near Infrared Radiation
V(λ)
Poměrná světelná účinnost monochromatického záření
η
Účinnost LED zdroje
λ
Tepelná vodivost
Seznam symbolů a zkratek
λ
Vlnová délka
Φ
Světelný tok
Φe
Zářivý tok
Ω
Prostorový úhel
ρ
Odraznost
Fotometrie a spektroradiometrie zapouzdřených LED čipů
15
1 ÚVOD Vzhledem k rostoucím cenám energie a stále silnějšímu povědomí o nepříznivém dopadu lidské činnosti na životní prostředí hledají uživatelé úspornější alternativy osvětlení a úspory nákladů bez obětování kvality světla. Trendem v úsporném a efektivním osvětlování poslední doby jsou LED zdroje a svítidla. Oblast použití LED zdrojů se prudce rozšiřuje. Příčinou toho je příchod bílých diod LED a také vývoj dokonalejších materiálů pro výrobu PN přechodů. To vede k postupnému zvyšování účinnosti tohoto světelného zdroje. Ve srovnání s klasickými světelnými zdroji jsou světlo emitující diody malý zdroj světla. Proto je potřeba pro měření fotometrických a radiometrických parametrů použít jiný koncept, který by určoval standardy, kterých by se měli výrobci LED diod držet. Měřící zařízení doposud používaná pro proměřování klasických zdrojů světla již nejsou schopny pracovat s náležitou přesností. Proto byla Mezinárodní komisí pro osvětlení vydána v roce 1997 směrnice CIE 127 definující podmínky měření LED. Výzkum a tvorba účinnějších světlo emitujících diod povede k dalšímu rozšiřování této směrnice.
2 CÍLE PRÁCE Aplikační sféra vysoce svítivých LED se rozšiřuje úměrně se zlepšováním jejich světelně technických parametrů. Podstatným ukazatelem je závislost na konkrétní aplikaci, dále spektrální složení světla, rozložení světelného toku atd., v závislosti na prostorovém úhlu. Cílem práce je vytvoření laboratorního modelu pro měření kvalitativních a kvantitativních parametrů světelného výkonu vysoce svítivých LED v závislosti na vyzařovaném úhlu, s využitím kulového integrátoru 0,3m resp. goniometru a vláknového spektroradiometru/luxmetru.
3 ZAPOUZDŘENÉ LED ČIPY Zapouzdřené LED čipy, výkonové LED nebo také vysoce svítivé LED jsou synonyma pro nový moderní typ světla vyzařujících diod (LED-lighting emited diods). Jsou to prvky používané zejména v osvětlovacích systémech. Oproti klasickým typům světelných zdrojů (zářivky, výbojky, atd.), jsou specifické svým malým příkonem, vysokou účinností a tedy i malou spotřebou. Dosahují o poznání vyššího měrného výkonu. Důraz je kladen na životnost a stálost parametrů. Nejen díky tomu nahrazují a doplňují starší typy svítidel v různých odvětvích, jako jsou automobilový průmysl, osvětlování interiéru, ale i například v oboru jakým je botanika, kdy různá spektra diod jsou využívána pro tvorbu umělého klima v uzavřených prostorách. Nevýhodou je zde stále vysoká pořizovací cena.
Fotometrie a spektroradiometrie zapouzdřených LED čipů
16
3.1 Princip činnosti LED diod Jedná se o elektrickou polovodičovou součástku obsahující PN přechod. Základní princip je založen na fyzikálním jevu nazývaném luminiscence. Jde o tzv. emisi záření látkami, kdy vybuzené nosiče náboje předávají svoji energii ve formě fotonů. Protože vybuzení je dosaženo pomocí napětí, budeme o tomto jevu hovořit jako o elektroluminiscenci. Dioda emituje nekoherentní světlo, jako výsledek rekombinace párů elektron – díra v P oblasti. Zjednodušeně lze říci, že vnějším zdrojem se vybudí elektrony, aby se dostaly do vyšších energetických stavů, odkud se pak vracejí zpět do stabilních stavů, čímž uvolněnou energii vyzařují. Energetická bariéra, tzv. zakázané pásmo, brání elektronům nabití vyšších stavů, pokud není elektronům dodáno dostatečné množství energie. Ze vztahu mezi energií a vlnovou délkou λ vyplývá, že velikost energetické bariéry Eg přímo určuje vlnovou délku,[4] (3.1) kde h je Planckova konstanta (6,6260755.10-34 J.s), c
rychlost světla ve vakuu (2,99792458.108 m.s-1),
Eg energie zakázaného pásu (J) .
V dnešní době můžeme vytvořit takové polovodiče, jejichž energie přechodu odpovídá zářivé energii ve viditelné oblasti, v oblasti infračerveného nebo ultrafialového záření.
3.2 Parametry zapouzdřených LED čipů Jedná se o velmi malý a intenzivní zdroj světla. Díky těmto vlastnostem se musíme zaměřit především na problematiku spojenou s optickými vlastnostmi intenzivních zdrojů světla malých rozměrů a problematikou chlazení.
3.2.1 Konstrukce
Obr. 3-1 Jednoduchá struktura LED [3]
17
Fotometrie a spektroradiometrie zapouzdřených LED čipů
LED optická čočka Čočky LED jsou vyráběny v široké škále typů a designu, které mají značný vliv na vyzařování světla do prostoru. Jedná se o kulový vrchlík z epoxidové pryskyřice nebo akrylového polyesteru. Materiály, z nichž se čočky vyrábějí, mají totiž poměrně vysoký index lomu a velká část vyzařovaného světla by se odrážela totálním odrazem zpět na rovinném rozhraní se vzduchem[5]. Čočka dále poskytuje ochranu led čipu (polovodiče) proti mechanickému poškození. Čip je materiálem zastříknut tak, aby LED splňovala požadované optické vlastnosti (tj. svítila v požadovaném vyzařovacím úhlu). Optická čočka je primárním optickým členem LED diod. U některých aplikací není potřeba světelný tok dále formovat, avšak v praxi se běžně setkáváme s aplikacemi, které vyžadují usměrněnou vyzařovací charakteristiku. V těchto případech se používají sekundární optické členy. Mezi takové patří například optické členy z optických plastů s vnitřním odrazem světla TIR. V případě potřeby je možno optickou čočku chránit před mechanickým poškozením průhlednou ochrannou krytkou, která nemá na vyzařovací úhel žádný vliv.
Obr. 3-2 Různé designy LED [3]
LED čip Polovodiče jsou poměrně homogenní a čisté struktury, a proto je velikost vyzářené energie přesně dána chemickým složením jednotlivých částí. Vyzářenou energii lze považovat za monochromatickou.
Měrný výkon [lm/W]
Vlnová délka maxima [nm]
Šířka zakázeného pásu[eV]
AlInGaP
20 – 25(jantarová)
585
1,8 – 2,31
InGaN
6(modrá), 30(zelená)
460(modrá), 520(zelená)
3,4(modrá)
Tab. 3-1 Vlastnosti základních polovodičů[4]
Fotometrie a spektroradiometrie zapouzdřených LED čipů
18
Mezi nejrozšířenější typy polovodičů patří aluminium indium galium fosforid (AlInGaP) a indium galium nitrid (InGaN) nahrazující dříve používané galium arzenid fosforid (GaAsP) a galium fosforid (GaP) a aluminium galium arzenid (AlGaAs)[1].
Napěťové vstupy Kontakty mohou být provedeny pro montáž na plošné spoje nebo ve tvaru ohebných či poddajných přívodů, tzv. LED s drátovými vývody. Tvoří-li svítidlo sestava více zapouzdřených diod, mohou mít diody společnou anodu, společnou katodu nebo samostatně vyvedený každý čip dle účelu použití svítidla (dvojbarevné diody, atd.). LED dioda je propustná pouze v jednom směru (stejně jako klasická dioda). Polarity jednotlivých diod jsou uvedeny v katalogovém listu. Polarita diody se dá také zjistit pomocí tabulky 3-2.
Tab. 3-2 Značení drátových vývodů diod LED[5]
Hliníkové plošné spoje MCPCB (Metal Core Printed Circuit Board) Tyto plošné spoje zajišťují mechanické upevnění diody a elektrické připojení LED k napájení. Přenáší teplo z pouzdra LED do okolí nebo do chladiče.
Obr. 3-3 Hliníkové plošné spoje MCPCB [3]
Fotometrie a spektroradiometrie zapouzdřených LED čipů
19
Chladič Miniaturní rozměry LED čipů umožňují vyrábět svítidla kompaktních rozměrů, čímž lze ušetřit značné množství materiálu. Naproti tomu je pro výkonnější aplikace potřeba počítat s chladící plochou, takže reálné rozměry vychází obdobné jako u konvenčních svítidel. Problém chlazení je dominantní a tomu jsou podřízeny i konstrukční prvky svítidel. Výkonová dioda musí mít k sobě pevně připevněný mohutný chladič, většinou hliníkový odlitek s četným žebrováním, který bude v dostatečné míře odvádět teplo vzniklé při provozování diody.[4]
3.2.2 Technologické vlastnosti 3.2.2.1
Životnost LED svítidel
Mezi nejdůležitější parametry ovlivňující životnost a spolehlivost LED svítidel patří: -
Provozní teplota
-
Životnost zdroje
-
Kvalita použitých materiálů (stárnutí optických prvků, atd.)
Společnost CREE dlouhodobě testuje LED na parametr L70 (Lifetime prediction – předpokládaná životnost). Když množství světelného toku nepoklesne po 6 000 hodinách testovacího provozu na méně než 94,1% původní hodnoty, předpokládá se, že po 35 000 hodinách nepřetržitého provozu při daných podmínkách nebude světelný tok LED menší než 70% původní hodnoty. Parametr je označován jako ENERGY STAR 35k. Nejvíce limitujícím faktorem životnosti LED svítidel je životnost napájecího zdroje. Jedná se o zařízení obsahující spoustu elektrických součástek. Jejich životnost je omezená. Je vhodné je instalovat dále od zdroje tepla (od chladiče). U použitých materiálů je třeba dbát na jejich stárnutí a dlouhodobý vliv teploty do 80°C (Tj). Týká se to převážně plastových prvků optiky a krytů. Jejich stárnutím se snižuje účinnost svítidla.
3.2.2.2
Výhody vs. nevýhody
Při výběru osvětlení pro danou aplikaci bereme na zřetel především tyto vlastnosti výkonových LED: Výhody -
Vysoká účinnost Dlouhá životnost (50 000h) Rychlá emise světla (jednotky ms) Opětovné vyp/zap nezkracuje životnost v takové míře, jako u ostatních zdrojů Vyzařované spektrum neobsahuje podíl IR ani UV záření Nízký počet předčasných výpadků Neobsahují rtuť (ekologie) Možnost stmívání
Fotometrie a spektroradiometrie zapouzdřených LED čipů
-
20
Nízké provozní napětí (bezpečnost) Malé rozměry (menší optické členy k usměrnění světelného toku) Nízká hmotnost (neuvažujeme-li chladící prvky) Podání barev Mechanická odolnost
Nevýhody - Velká závislost měrného výkonu na teplotě okolí (nutné chlazení) - Vyžadují specifické napájecí zdroje - Pořizovací cena
3.2.3 Optické vlastnosti Polovodič je poměrně homogenní a čistá struktura. Díky tomu je velikost energie přímo určena chemickým složením jednotlivých částí. Záření probíhá ve velmi malém rozsahu vlnových délek a lze ho považovat za monochromatické. Toto záření je pro osvětlovací účely nepoužitelné, a proto je zapotřebí ho nějak upravit (rozšířit jeho spektrum). Nejrozšířenější je transformace monochromatického světla do širokopásmové oblasti pomocí luminiscence pevných látek na bázi fosforu a různých sloučenin. Po přijmutí krátkovlnného záření, většinou modré barvy, fosfor emituje světlo v širším spektru (obr. 3-4)[4]. Druhý způsob je založen na principu vymezení určitého barevného prostoru kombinací monochromatických světel červené, modré a zelené. V tomto prostoru je možné vytvoření dojmu bílého světla a dobrého rozlišení barev [4]. Další řešení spočívá v užití výkonové LED diody emitující světlo ultrafialové barvy a RGB luminoforů. S tímto řešením je do budoucna počítáno jako s nejrozšířenějším způsobem umožňujícím získat kvalitní zdroj světla s dobrým podáním barev. V současné době není toto řešení kvůli technologickým problémům spojeným s výrobou ultrafialových výkonových LED diod příliš rozšířené.
Obr. 3-4 Spektrum LED s luminoforem[1].
Fotometrie a spektroradiometrie zapouzdřených LED čipů
21
Typy polovodičů jsou uvedeny v kapitole 6.2.1. Konstrukce. K transformaci do širokopásmové oblasti se používá, např. luminofor na bázi Ce3+:YAG-cerem dopovaný syntetický yttrito-hlinitý granát. Do pouzdra LED diody se často přidávají čočky, zrcadla nebo difuzory. Tyto prvky zajišťují primární optický člen. Pro většinu aplikací, zejména při použití ve svítidlech, není třeba světelný tok těchto LED diod dále formovat.
3.2.4 Napájení LED Příkon výkonových LED se pohybuje řádově v desetinách až jednotkách watt. Parametrem určujícím jejich příkon je protékající stejnosměrný proud, který se pohybuje řádově ve stovkách miliampér. Každá LED je vyrobena tak, aby při určitém proudu pracovala s nejlepšími vlastnostmi. Tento proud udává výrobce u každé diody. Patřičný proud lze na LED přivést dvěma způsoby. Použitím napěťového nebo proudového zdroje.
3.2.4.1
Napěťový zdroj
Je zřejmé, že zdroj není možné připojit přímo na síťové napětí, ale je potřeba ho snížit (běžně na 5V, 12V, 24V) a pomocí předřadného prvku (rezistoru) přivést na LED patřičný proud. Úbytek napětí závisí na typu diody a její barvě. Pohybuje se v rozmezí od 2,1V(oranžová, červená) do 3,8V(barvy bílá a modrá). Na obrázku 3-6 je znázorněn příklad toho, jak může napěťový zdroj vypadat.
3.2.4.2
Proudový zdroj
Proudový zdroj je úspornější variantou, protože nedochází ke ztrátě výkonu na předřadném prvku. Výstupem zdroje je přímo požadovaný proud. Běžné hodnoty jsou uvedeny v tabulce 3-3. Na obr. 3-5 je znázorněn příklad schéma, které tvoří zdroj konstantního proudu. Základem zapojení je obvod IO1 (zapojený jako regulátor). Výstup regulátoru je přes měřící rezistor R2 veden na LED diodu. Na R2 vzniká vlivem průchodu proudu úbytek napětí, který je veden zpět na řídící vstup regulátoru. Zde je uvnitř obvodu porovnáván se zdrojem konstantního napětí a podle jeho velikosti je zapínán nebo vypínán spínaný regulátor. Změnou hodnoty rezistoru R2 můžeme využít regulátor i pro jiný proud a to až do velikosti přibližně 500mA.
Fotometrie a spektroradiometrie zapouzdřených LED čipů
22
Obr. 3-5 Spínaný regulátor pro 1W LED typu Luxeon
Proudové zdroje pro LED volíme podle katalogových hodnot provozního napětí a odebíraného proudu (tab. 3-3).
Typ
Vstupní napětí (V)
Výstupní proud (mA)
Výstupní výkon (W)
Výstupní napětí (V)
Vnější rozměry DxŠxV (mm)
Provedení krytí
TRCD350/11
230ac
350
11
10-32
161x26x27
IP66
TRCD350/28
230ac
350
28
40-80
247x37x27
IP66
TRCD450/20
230ac
450
20
20-45
217x30x20
IP66
Tab. 3-3 Část katalogového listu proudových zdrojů pro napájení power LED firmy TRON [3].
Obr. 3-6 Napěťový zdroj (vlevo) a proudový zdroj (vpravo) pro power LED firmy TRON[3].
U proudového i napěťového zdroje je vždy uváděn výkon, který je zdroj schopen dodávat. Uvedeme si jednoduchý příklad, jak vybrat vhodný zdroj. Zakoupíte-li 3 metry pásku osázeného LED diodami s příkonem 7,2 W/metr, příkon 3 metrů je 21,6 W. Z tabulky 3-3 by byl nejvhodnější typ TRCD350/28W zdroj, který bude pro tuto délku dodávat dostačující výkon. Výkonové diody dosahují 76% ztrát výkonu, což lze mezi ostatními světelnými zdroji považovat za efektivní parametr.
Fotometrie a spektroradiometrie zapouzdřených LED čipů
23
Svítidla LED mohou být konstruována již s vestavěnými zdroji. Svítidlo a zdroj i s předřadnými prvky se tak stávají jedinou komponentou. Při poruše zdroje je svépomocí takto poškozené svítidlo nemožné opravit. To patří mezi nevýhody svítidel LED.
3.3 Tepelný management výkonových LED diod Při návrhu osvětlení výkonovými LED diodami se snažíme o zamezení překročení maximálních přípustných provozních teplot. Je potřeba navrhnout systém, který bude přebytečné teplo odvádět. Přebytečné teplo vzniká jako zbytek nevyzářené energie, kterou dioda přijala. U výkonových LED diod se v drtivé většině případů užívá pasivní způsob chlazení. V důsledku špatného tepelného managementu nejčastěji dochází k poškození LED diody. Vyšší teplota přechodu PN způsobuje snižování světelného toku a urychluje degradaci čipu (obr. 3-7). Provozní teplota je uvedena v katalogovém listu.
Při návrhu světelného systému je potřeba dodržovat následující zásady: - Oddělit řídící obvody od LED čipu, tak aby jednotlivé tepelné přechody nebyly ovlivňovány teplotou řídících prvků (napájecí modul, kabely). - V systému by měl proudit vzduch a odvádět tak přebytečné teplo. Vhodným návrhem konstrukce, resp. nosného systému pro LED diodu se snažíme dosáhnout toho, aby byla teplota LED systému co nejnižší. - Aby tepelná závislost mezi LED čipem a chladičem byla co největší. Teplo odváděné z chladiče je závislé na konvekci, kdežto tepelná cesta z LED čipu na chladič je závislá na kondukci (tepelné výměně vedením). - Dodržet správnou orientaci výkonových LED na chladiči. To se týká zejména lištových chladících profilů, ve kterých je nutné usadit LED tak, aby konvekce vzduchu byla maximální.
Fotometrie a spektroradiometrie zapouzdřených LED čipů
24
Obr. 3-7 Závislost životnosti diody na teplotě přechodu při různých teplotách okolí výkonových LED diod firmy CREE[8].
Uvažujeme-li soustavu s chladičem, má celkový tepelný odpor výkonové LED diody tři složky: 1. Tepelný odpor mezi čipem LED diody a jejími pájecími ploškami - Je dán konstrukcí LED diody. Tento tepelný odpor bývá uváděn v katalogovém listu. Například u špičkové výkonové LED diody CREE typ XR-E je to 7°C/W. Tato hodnota je určující pro rozhodování o tom, jaký typ LED diody bude v daném svítidle použít. V anglické literatuře je značen jako Rth j-sp (thermal resistance between junction and solder point, pozn. autora).
2. Tepelný odpor mezi pájecími ploškami diody a chladičem - Tento tepelný odpor 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. Pro maximální snížení tohoto tepelného odporu je třeba dbát při návrhu plošného spoje určitých zásad a nejlépe použít plošný spoj s hliníkovým jádrem. Při dobrém návrhu může být tento tepelný odpor menší než 1 °C/W. V anglické literatuře je značen jako Rth sp-h (thermal resistance between solder point and heatsink, pozn. autora).
3. Tepelný odpor mezi chladičem a okolním prostředím - Problematika návrhu samotného chladiče je velmi rozsáhlá. Ve většině případů se ke chlazení výkonových LED používá chladičů s dobrou tepelnou vodivostí (hliník). Velikost a tvar chladiče by měl udržet teplotu pod maximální přípustnou hodnotou a to i při těch nejhorších provozních podmínkách. Pro sériovou výrobu je vhodné koncipovat chladicí systém jako součást designu sví-
Fotometrie a spektroradiometrie zapouzdřených LED čipů
25
tidla. V anglické literatuře je značen jako Rth h-a (thermal resistance betwee heatsink and ambient, pozn. autora). [3]
Rth = Rth j-sp + Rth sp – h + Rth h-a
(°C.W-1)
(3.2)
Obr. 3-8 Model tepelného odporu výkonových LED s uvažováním chladiče[3].
Uvažujeme-li soustavu bez chladiče, celkový tepelný odpor takové soustavy bude složen z tepelného odporu Rth j-sp a tepelné cesty, 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).
Obr. 3-9 Model tepelného odporu výkonových LED neuvažujeme-li chladič[3].
Přímé tepelné ztráty mezi čipem a okolím jsou malé, a proto jsou ve výpočtu zanedbávány. Výpočet maximální teploty okolí vychází ze vztahu pro teplotu přechodu:
TJ = T A + PLED ⋅ ( Rthj − sp + Rthsp − h + Rthh − a )
(°C ;°C , W ,°C ⋅ W −1 ,°C ⋅ W −1 ,°C ⋅ W −1 )
(3.3)
Uvažujeme-li systém o x výkonových LED diodách bude mít rovnice 3.3 následující tvar: TJ = T A + PLED ⋅ Rthj − sp + PTOTAL ⋅ ( Rthsp − h + Rthh − a ) (°C ;°C , W ,°C ⋅ W −1 , W ,°C ⋅ W −1 ,°C ⋅ W −1 )
(3.4)
PTOTAL = PLED ⋅ x
(W ; W ,−)
(3.5)
PLED = U f ⋅ I f
(W; V, A)
(3.6)
Fotometrie a spektroradiometrie zapouzdřených LED čipů
26
Kde: Tj
Teplota polovodičového přechodu
TA
Teplota okolí
PLED
Příkon jedné LED diody
PTOTAL
Příkon soustavy
x
Počet LED diod v soustavě
Uf
Napětí v propustném směru
If
Pracovní proud
Maximální teplota čipu (resp. PN přechodu) je uvedena v katalogovém listu. U některých diod se pohybuje okolo teploty Tj = 145°C.
3.4 LED aplikace Technologické parametry (3.2.2) výkonových LED diod určují oblasti, kde současné výkonové LED diody nacházejí největší uplatnění: - osvětlení interiéru, - osvětlení schodišť, - nouzové osvětlení, - náhrada halogenových bodovek, - zahradní osvětlení, - dekorativní osvětlení nejrůznější architektury (např. historické budovy, kašny, moderní obchodní centra), - osvětlení cyklostezek a pěších zón, - automobilová technika.
V současné době je intenzivně diskutované téma náhrady klasických vysokotlakých sodíkových výbojek doposud používaných ve veřejném osvětlení veřejných komunikací za výkonové LED diody. Na jedné straně stojí lepší světelné parametry sodíkových výbojek, na straně druhé ekonomičnost výkonových LED diod a rychlý vývoj jejich světelných vlastností.
Fotometrie a spektroradiometrie zapouzdřených LED čipů
27
4 LABORATORNÍ MĚŘENÍ Pro měření fotometrických a radiometrických veličin se používají přístroje využívající různé umělé fotosenzory. Takovému způsobu měření se říká objektivní metoda. Za měřící senzor může být považováno také lidské oko. Tomuto způsobu měření říkáme subjektivní metoda. V případě použití umělých fotosenzorů jsou účinky záření převedeny na elektrickou veličinu, která je následně vyhodnocena. Lidské oko se používá obvykle srovnávacím způsobem [7].
4.1 Normy a směrnice 4.1.1 IESNA LM-79, LM-80, IESNA LM-XX IESNA (Illuminating Engineering Society of North America): •
IESNA LM-79 - Metody testování a měření světelných parametrů SSL produktů. Týká se LED svítidel a integrovaných LED lamp. Měření zahrnuje tyto světelné parametry: - Světelný tok (lm) - Měrnou účinnost (lm/W) - Index podání barev CRI, Teplotu chromatičnosti, CCT - Rozložení intenzity svítivosti Měřicí přístroje: - Spektroradiometr - Fotometr - Goniometr
Fotometrie a spektroradiometrie zapouzdřených LED čipů
28
Obr. 4-1 Měření světelných parametrů SSL svítidel pomocí spektroradiometru dle IESNA LM-79 [10].
Metoda používá kulový integrátor proto, aby bylo světlo vyzářené světelným zdrojem (referenčním, měřeným) lépe rozptýleno do prostoru. Model zůstává stejný i za předpokladu, že budeme měřit světelné parametry pomocí fotometru. •
IESNA LM-80 – Metody testování životnosti. Zahrnuje zapouzdřené nízko i vysoko výkonové LED a pole osazená větším počtem těchto diod (nikoliv LED svítidla). Životnost LED je parametr silně závislý na teplotě. Životnost LED je oproti jiným světelným zdrojům velmi dlouhá (až 50 000h). Diody jsou testovány pro tři teploty, 50°C, 85°C a třetí teplotu si vybírá výrobce. Předepsaná minimální doba zkoušky je 6000h s odečtením naměřených údajů po každých 1000h provozu. Teplota okolí by během měření měla být 25°C ± 1°C [10].
•
IESNA LM-XX – Vyvíjená metoda pro měření výkonových LED. Standard bude poskytovat metodu pro tepelné, elektrické a fotometrické měření. Jak již bylo řečeno, nedílnou součástí výkonových diod je chladič. Tím se metoda měření liší od ostatních směrnic. Standard zahrnuje zapouzdřené nízko i vysoko výkonové LED a pole osazená větším počtem těchto diod (bílé diody i jednobarevné diody). Měření zahrnuje tyto světelné parametry: - Světelný tok (lm) - Měrnou účinnost (lm/W) - Index podání barev CRI, Teplotu chromatičnosti, CCT - Zářivý tok (W)
Fotometrie a spektroradiometrie zapouzdřených LED čipů
29
Obr. 4-2 Měření světelných parametrů výkonových LED svítidel pomocí spektroradiometru dle IESNA LM-XX. V levé části obrázku je zobrazen způsob měření pro malé kulové integrátory (2π geometrie), v pravé části obrázku je zobrazen způsob měření pro větší kulové integrátory (4π geometrie) [10].
CIE 127:2007(low power)
low-hight výkonové LED
IES LM-80(hight power)
Pole osazené LED
CIE TC2-50
Zapouzdřené LED
Světelné zdroje světla LED a SSL produkty
IESNA nové projekty
Integrované LED lampy Kompletní LED produkty
IES LM-79, ANSI C78.377, CIE TC1-69
LED svítidla
Fotometrie a spektroradiometrie zapouzdřených LED čipů
30
Tab. 4-1 Stručný přehled LED světelných zdrojů definovaných normou IES RP-16 a současný stav norem zabývajících se jejich světelnými parametry[10].
Do budoucna by bylo potřeba vytvořit a schválit standard určující fotometrické zkoušky osvětlení vozovek a veřejného osvětlení LED svítidly.
4.1.2 Směrnice CIE 127 Mezinárodní komise pro osvětlování CIE (Commission Internationale de l’Éclairage, pozn. autora) poskytuje směrnice a doporučení pro měření low power LED. Publikace byla vydána v roce 1997 a je hlavním zdrojem informací pro měření jejich parametrů. Z postupů určujících touto směrnicí vychází řada dalších příruček, norem a manuálů, které svým obsahem objasňují základní postupy pro měření světlo-emitujících diod [9]. Rychlý vývoj LED však vede k tvorbě dalších doplňujících směrnic, publikací a článků (např. CIE 197 2007).
4.2 Fotometrické a radiometrické veličiny Část spektra elektromagnetického záření vnímanou lidským zrakem nazýváme světlo. Viditelné světlo se nachází v rozmezí vlnových délek od 380nm do 780nm. V osvětlovací technice se při hodnocení kvality osvětlení jako, prostředku podmiňujícího úroveň informace přijímané zrakem, sledují důsledky působení záření na zrakový orgán a na zrakový vjem. Proto se v osvětlovací technice neposuzují energetické veličiny (např. zářivý tok, zářivost apod.), ale pracuje se s fotometrickými pojmy a veličinami, které respektují proměnlivou citlivost oka pozorovatele k záření různých vlnových délek [14]. Výsledkem jsou potom fotometrické veličiny uvedené v tabulce 4-2.
4.2.1 Měření fotometrických veličin spektroradiometrem Světelný tok Φ, monochromatického záření o vlnové délce λ, jehož zářivý tok je Φe, se stanoví podle vztahu: Φ(λ ) = 683 ⋅ V (λ ) ⋅ Φ e (λ )
(lm; lm ⋅ W -1 ; -; W)
(4.1)
kde V(λ) je poměrná světelná účinnost monochromatického záření. Uvažujeme-li světelný tok Φ záření složeného z více monochromatických záření vycházíme ze vztahu: dΦ e (λ ) Φ (λ ) = 683 ⋅ ∫ ⋅ V (λ ) ⋅ dλ dλ λ 0 ∞
(lm; lm ⋅ W ⋅ m -1 , -, m)
(4.2)
31
Fotometrie a spektroradiometrie zapouzdřených LED čipů
dΦ e (λ ) je spektrální hustota zářivého toku Φe při vlnové délce λ. V případě měřící dλ aparatury, která pracuje pouze v omezeném rozsahu vlnových délek, v našem případě v rozsahu 380 – 780 nm, lze rovnici (4.2) upřesnit: Kde
Φ (λ ) = 683 ⋅
dΦ e (λ ) ⋅ V (λ ) ⋅ dλ λ d λ 380 780
∫
(lm; lm ⋅ W ⋅ m -1 , -, m)
(4.3)
Při znalosti prostorového úhlu Ω můžeme stanovit svítivost I definovanou jako světelný tok procházející prostorovým úhlem Ω:
I=
dΦ dΩ
(cd; lm, sr)
(4.4)
Jas L svítící plošky dS můžeme stanovit podle následujícího vztahu:
L=
dI dS ⋅ cos γ
(cd ⋅ m -2 ; cd, m -2 )
(4.5)
Fotometrické veličiny
Radiometrické veličiny název
jednotka
název
jednotka
zářivý tok ɸe
W
světelný tok ɸ
lumen (lm)
zářivost Ie
W.sr-1
svítivost I
kandela (cd)
zář, plošná zářivost (jas) Le
W.m-2.sr-1
jas L
cd.m-2
intenzita vyzařování Me
W.m-2
světlení (intenzita světlení)
lm.m-2
intenzita ozáření Ee
W.m-2
osvětlení E
lux (lx)
Tab. 4-2 Radiometrické a fotometrické veličiny [7].
4.2.2 Měření účinnosti diod LED Pro měření účinnosti malých světelných zdrojů se používá kulový integrátor. Ten zabezpečuje dokonalé rozptýlení produkovaného světla a rovnoměrné osvětlení měřícího prvku. Ten je v našem případě představován spektrometrem, který je s kulovým integrátorem spojen světlovodným vláknem, pro co nejlepší účinnost přenosu. Dalším měřícím prvkem bude fotočlánek. Jelikož ani přenos signálu světlovodným vláknem není bezeztrátový a určitou účinnost přenosu má i integrátor, je nutné celou měřicí soustavu před měřením kalibrovat.
Fotometrie a spektroradiometrie zapouzdřených LED čipů
32
Účinnost samotného LED zdroje s ohledem na jeho příkon určíme za vztahu:
η=
Φe UF ⋅ IF
(-; W; V; A)
(4.6)
Kde UF a IF jsou provozní napětí a proud LED v propustném směru.
4.2.3 Měrný výkon diod LED Jedním z nejvíce sledovaných parametrů svítidel je měrný výkon. Měrný výkon často neodpovídá hodnotě uváděné výrobcem. Výrobce si často deklaruje toleranci měrného výkonu 10%. Pokud máme změřen světelný tok a příkon, můžeme pomocí známého vztahu vypočítat měrný výkon světelných zdrojů: Pm =
Φ UF ⋅ IF
(lm.W -1 ; lm; V; A)
(4.7)
Při znalosti měrného výkonu a znalosti mezní teoretické hodnoty měrného výkonu (683 lm/W – v případě převedení 100 % energie na světlo dosáhneme právě takové hodnoty měrného výkonu) můžeme jednoduchým výpočtem zjistit elektrickou účinnost jednotlivých světelných zdrojů.
4.2.4 Teplota chromatičnosti Teplota chromatičnosti ovlivňuje vnímání prostoru z hlediska zrakové pohody. Nižším hodnotám osvětlení odpovídají nižší teploty a naopak. Teplota chromatičnosti vychází z fyziologických aspektů zrakového vnímání respektující změnu teploty chromatičnosti světla během denního cyklu. Ranní rozbřesk má vyšší teplotu než noční soumrak. Teplota chromatičnosti je často udávaný parametr. Norma ČSN EN 12646-1 určuje pro některé prostory teploty chromatičnosti [1].
4.2.5 Index podání barev Index podání barev (CRI) patří k základním sledovaným parametrům svítidel. LED dosahují běžně CRI > 70, nejlepší až CRI > 90. Toho však dosahují na úkor ztráty měrného výkonu. Vysoké CRI je způsobené zvýšením vyzařovaného výkonu v oblasti spektrální citlivosti oka. Toho se dosahuje silnější vrstvou luminoforu, což vede ke snížení měrného výkonu. Vyšší CRI znamená také „teplejší“ barvu.
Fotometrie a spektroradiometrie zapouzdřených LED čipů
33
4.2.6 Křivky svítivosti Znázorňuje svítivost samostatného zdroje, nebo zdroje se svítivostí do prostoru. Křivku svítivosti kreslíme do polární soustavy souřadnic a svítidlo je uprostřed soustavy. Jak již bylo uvedeno výše, vyzařování světla do prostoru ovlivňuje použití optických prvků (čočky, difuzory, TIR). Křivky svítivosti se měří pomocí goniometru (4.4.3).
4.3 Laboratorní prostředí 4.3.1 Laboratoř světelné techniky UEEN Laboratoř světelné techniky nabízí pro studenty fakulty elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně možnosti laboratorní výuky v oblasti světelné a osvětlovací techniky. Nově vybudovaná a rekonstruovaná laboratoř dnes poskytuje vysoce kvalitní vybavení moderní měřicí technikou a speciálními přístroji pro oblast fotometrie, spektrofotometrie, spektroradiometrie a kolorimetrie. Vybavení laboratoře se neustále doplňuje o nové přístroje.
4.3.2 Měření výkonových LED v praxi 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. V praxi jsem se setkal s měřícím zařízením OL 770 – LED. Je to 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“. Uspořádání aparatury je patrné z obrázku 4-3.
Fotometrie a spektroradiometrie zapouzdřených LED čipů
34
Obr. 4-3 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
4.4 Měřící zařízení Pro radiometrická optická měření se používají fotočlánky, které převádí dopadající zářivý tok na elektrickou veličinu. Jde o zařízení, které obsahuje citlivý detektor reagující na světlo. Fotočlánek je součástí tzv. fotometrické hlavice. Ve fotometrické hlavici je také uložen speciální filtr pro úpravu spektrální citlivosti detektoru do požadovaného rozsahu.
4.4.1 Rozdělení fotočlánků: Fotonky - Pracují na principu světlem stimulované emise elektronů z povrchu materiálu. Vlivem vnějšího elektrického pole je emitovaný elektron urychlován směrem od katody k anodě
Fotometrie a spektroradiometrie zapouzdřených LED čipů
35
a po dopadu na anodu může být detekován jako elektrický proud. Mají velmi rychlou odezvu, tudíž je možné je použít i pro detekci velmi krátkých světelných impulsů. Fotoelektrické násobiče – jedná se o emisní fotonky sloužící pro měření malých světelných výkonů. Emitované elektrony jsou urychleny a na pomocných anodách rozmnoženy sekundární emisí. Fotorezistory – Vlivem záření se mění vodivost daného materiálu. Změna je vyhodnocována vnějším obvodem. Fotorezistory se nehodí pro vyhodnocování malých světelných toků. Dle druhu záření, které má být detektorem měřeno, volíme vhodný materiál detektoru. Pro výrobu fotorezistorů se používají např. Si, CdS, PbS, PbSe, InSb, HgCdTe, Ge:Hg, Ge:Cd, GeCu, GaAs/AlGaAs [6]. Fotodiody – V současné době jsou nejrozšířenější detektory do fotočlánků. Vlivem absorbovaných fotonů dochází k excitaci nosičů náboje a tím ke vzniku elektrického proudu (fotovoltaický jev). Proud je vyhodnocován měřícím obvodem. Rozeznáváme mnoho typů fotodiod. Mezi základní patří fotodiody typu PIN, PNN, Schottkyho, planární nebo například lavinové fotodiody. Liší se použitým materiálem (Křemík, GaAsP, GaP), konstrukcí, rychlostí odezvy, citlivostí na různé druhy záření, atd.
4.4.2 Vláknový spektroradiometr Měřicí přístroj, který slouží pro měření spektrální hustoty optického záření v oboru vlnových délek 380-780nm. Z naměřeného spektra přístroj může dále určit další fotometrické veličiny jako je jas, barevné souřadnice světla, teplotu chromatičnosti. Možnost propojení s počítačem je možné provádět řadu dalších měření a výpočtů v oblasti spektrofotometrie a kolorimetrie. V mém laboratorním modelu pro měření kvalitativních a kvantitativních parametrů světelného výkonu vysoce svítivých LED byl použit vláknový spektroradiometr AvaSpec-2048 (obr. 4-4).
Obr. 4-4 Vláknový spektroradiometr AvaSpec-2048 [15].
4.4.3 Goniometr 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. Goniofotometr je laboratorní přístroj umožňující měřit rozložení svítivosti v různých rovinách pod různými úhly. Jeho součástí je snímač luxmetr (fotočlánek), který snímá osvětlenost. Ke
Fotometrie a spektroradiometrie zapouzdřených LED čipů
36
snímání v různých pozorovacích úhlech musí goniofotometr obsahovat pohyblivé prvky, podle kterých lze obecné konstrukce goniofotometru rozdělit do třech základních modifikací: - Světelný zdroj je pevně uchycen na fotometrické lavici a kolem něj se otáčí v konstantní vzdálenosti detektor umístěný na otočném mechanismu. Tento způsob je nejčastěji používaný. - Světelný zdroj se otáčí v konstantní vzdálenosti kolem pevně uchyceného článku. Tento způsob měření nelze použít v případě, kdy je rozložení svítivosti závislé na poloze světla. - Světlo z pevně uchyceného zdroje je přenášeno na pevně uchycený detektor pomocí otočného zrcadla. Metoda je konstrukčně náročná.
4.4.4 Kulový integrátor Kulový integrátor je další z univerzálních zařízení, ve kterém je možné měřit hned několik parametrů diod LED. Co se konstrukce týče, jedná se o dutou kouli, uvnitř které je umístěn měřený světelný zdroj, korekční zdroj a fotočlánek. Vysokou odrazivost (ideálně 100%) zaručuje vnitřní bílý nátěr. Důležitým požadavkem je, aby byl nátěr barevně neselektivní. Nejlépe vyhovují některé druhy běloby zinkové, titanové či barytové. Činitel odrazu by měl být v mezích 0,75 až 0,85 [11]. Fotočlánek F a měřený světelný zdroj Z je oddělen clonkou C1 (obr. 4-5), která zabraňuje přímému dopadu vyzařovaného světla na detektor. Při rozsvícení zdroje, který je zavěšen přímo uprostřed kulového integrátoru, dojde k mnohonásobnému odražení světla od vnitřních stěn koule. Teoretická výsledná osvětlenost je ve všech bodech vnitřního povrchu koule stejná. Odraženou složku výsledného světelného toku ϕ, vznikající vlivem mnohonásobných odrazů na vnitřní povrch integrátoru, vypočítáme ze světelného toku zdroje ϕz a z integrálního činitele odrazu ρ [11].
φ = ρ ⋅ φ z + ρ 2 ⋅ φ z + ρ 3 ⋅ φ z + ... + ρ n ⋅ φ z =
ρ 1− ρ
⋅φz
(4.8)
Na měřící čidlo dopadají pouze odražené světelné toky, tj. světelný tok ϕ, a osvětlenost E vyplývá ze vztahu: E=
φ π ⋅D
2
=
ρ π ⋅ D ⋅ (1 − ρ ) 2
⋅ φ z = ki ⋅ φ z
(lx; lm, m; m, lm; lm)
(4.9)
Kde ki (lm/V) je konstanta kulového integrátoru. ki =
ρ π ⋅ D ⋅ (1 − ρ ) 2
(lm/V; m)
(4.10)
Fotometrie a spektroradiometrie zapouzdřených LED čipů
37
Hodnota osvětlenosti E indikovaná fotočlánkem je přímo úměrná světelnému toku zdroje ϕz. Citlivost kulového integrátoru ovlivňuje jeho průměr D a činitel rovnoměrně rozptylného odrazu ρ (viz. rovnice 4.10).
Obr. 4-5 Uspořádání kulového integrátoru [11].
Clonka C1, která brání přímému dopadu světla na fotočlánek má mít průměr asi D/3 a její vzdálenost od výstupního okénka má být D/6. Musí být kruhového tvaru s povrchovou úpravou stejnou jako vnitřní stěna integrátoru. Při měření je nejprve změřen fotoproud referenčního zdroje světla. Poté je referenční zdroj vyměněn za měřené svítidlo a měření se opakuje. Z hodnot naměřených u obou zdrojů a z určité korekce měření můžeme vypočítat zářivý i světelný tok měřeného zdroje. Z naměřených hodnot můžeme dále určit energetickou účinnost, měrný výkon, spektrální charakteristiku a z ní vyplývající dílčí parametry (dominantní vlnovou délku, vrcholovou vlnovou délku, centrální vlnovou délku, souřadnice v trichromatickém systému, barevnou čistotu a teplotu chromatičnosti).
4.4.5 Napájecí zdroj pro měřené LED Výstupní výkon: Proudový výkon: Napěťový výkon:
- 40,4 W na kanál - min. ± 1 pA - max. ± 3 A (10 A puls) - min. ± 1 µV - max. ± 40 V
Výhody: -
Kombinuje zdroj, přesný proudový zdroj, generátor libovolných vln, U nebo I pulsní generátor s měřením, elektrická zátěž a spouštěcí zařízení, to vše v jednom přístroji.
Fotometrie a spektroradiometrie zapouzdřených LED čipů
-
38
20 000 čtení za sekundu pro rychlé testování. USB Port pro nahrávání dat a test skriptů.
Použití: -
I-U funkční testy a charakteristiky. testování optických zařízení jako jsou LED a displejů [16].
Obr. 4-6 Napájecí zdroj KEITHLEY model 2602A, systémový přesný měřicí zdroj [16].
4.5 Vzorky proměřovaných led čipů Proměřované vzorky výkonových čipů jsou produkty společnosti CREE.
4.5.1 XLamp XR-E -
V dostupnosti v bílé (2 600 K – 10 000 K CCT), modré, královsky modré a zelené.
-
Maximální proud diodou: 1000mA.
-
Tepelný odpor LED: 8 °C/W.
-
Maximální teplota přechodu: 150 °C.
-
Konkrétní typ, na kterém bude prováděno měření: XR-E cool white
Fotometrie a spektroradiometrie zapouzdřených LED čipů
39
Obr. 4-7 Výkonový LED čip typ XLamp XR-E [8].
4.5.2 XLamp XP-E (kalibrační dioda) -
Maximální proud diodou: 1000mA.
-
Tepelný odpor LED: 6 °C/W.
-
Maximální teplota přechodu: 150 °C.
-
Vyzařovací úhel: 120 °C. - Konkrétní typ, na kterém bude prováděno měření: XP-E neutral white.
Obr. 4-8 Výkonový LED čip typ XLamp XP-E [8].
Pomocí tohoto výkonového čipu bude nakalibrován rekonstruovaný integrátor. Světelné parametry tohoto čipu byly proměřeny v měřícím zařízení OL – 770 (viz. 4.3.2 Měření výkonových LED v praxi) a jsou uloženy v příloze B. V příloze A najdeme katalogový list pro LED XP-E. Vyhledávací popis pro konkrétní typ je XPEHEW R2 4100K (Neutral white).
Fotometrie a spektroradiometrie zapouzdřených LED čipů
40
5 LABORATORNÍ MODEL GONIOMETRU V následující části práce je popsán laboratorní model goniometru pro změření křivek svítivosti vybraných výkonových LED a jednotlivé prvky, z kterých se model skládá. V goniometru jsou měřeny světelné parametry výkonových LED čipů v závislosti na prostoru a čase.
5.1 Sestava pro měření LED Pro sestavení goniometru jsou použity optické a optomechanické prvky firmy Thorlabs [12]. Model pro měření kvalitativních a kvantitativních parametrů výkonových LED se liší oproti modelu pro měření 5mm LED v potřebě chlazení výkonových LED. Celý systém je uchycen na fotometrické lavici. Je tak zajištěna přesná poloha všech prvků sestavy během celého měření. Měřící sestava je namontovaná na hliníkový systémový profil tak, aby bylo možné jednotlivé prvky systému po tomto profilu jednoduše posouvat v ose. Takto je možné snadno nastavit libovolnou fotometrickou vzdálenosti v rozsahu 5cm-70cm. Plošný spoj, na kterém je připájen výkonový LED čip, je uchycený pomocí teplo-vodivé pasty k duralovému adaptéru. Adaptér tvoří teplo-vodivou cestu mezi výkonovým čipem a chladičem a dále zajišťuje umístěný měřeného čipu v ose měření. Adaptér je našroubovaný v otočném držáku. Pomocí tohoto držáku je LED diodu možno otáčet v axiálním směru v rozsahu 0°-360° (obr. 5-1 vlevo). Otáčení v horizontální ose je umožněno díky rotačnímu podstavci s mikrometrem, jehož rozsah otáčení je taktéž 0°-360° (obr. 5-1 vpravo).
Obr. 5-1 Otočný držák s mikrometrem (vlevo), otočný podstavec s mikrometrem (vpravo) součástky firmy Thorlabs [12].
Mezi světelným zdrojem a detektorem je umístěna clonka omezující světelný tok dopadající na fotočlánek. Detektor představuje fotočlánek a spektroradiometr s optickým vláknem.
Fotometrie a spektroradiometrie zapouzdřených LED čipů
41
Pro zabránění škodlivých světelných odrazů je při měření použito černé plátno, kterým je zakryto pokud možno co nejvíce odrazných ploch (viz obr. 5-4).
5.2 Adaptér na výkonové LED Adaptér je vytvořen z duralu. Dural je obvykle slitina hliníku (90-96%), mědi (4-6%) s menšími přísadami hořčíku a manganu. Jeho tepelná vodivost je o něco horší než tepelná vodivost hliníku (λAl=237 W.m-1.K-1, λDural=190 W.m-1.K-1) [17]. Má však znatelně lepší mechanické vlastnosti (pevnost v tahu, tvrdost, obrobitelnost), a protože adaptér musí jít uchytit do otočného držáku (obr. 5-1 vlevo), tak je na něm potřeba vybrousit jemný závit. Na adaptéru jsou navrtané dvě díry pro přivedení napájení LED. LED čipy jsou z důvodu jejich napájení osazovány na plošné spoje MCPCB (obr. 3-3). Plošné spoje jsou na adaptéru uchyceny pomocí teplo-vodivé pasty, používané například pro chlazení procesorů, atd. Chladící hliníkový profil je k adaptéru připevněný pomocí teplo-vodivého silikonu.
Obr. 5-2 Aplikace adaptéru do měřícího systému (vlevo), duralový adaptér připevněný k chladícímu profilu (vpravo)
Inovace adaptéru je zobrazena na obrázku 5-3. Vylepšení adaptéru spočívá v možnosti proměřování křivek svítivosti i pod úhlem α> ±70° díky hliníkovému nástavci.
Fotometrie a spektroradiometrie zapouzdřených LED čipů
42
Obr. 5-3 Aplikace adaptéru do měřícího systému (vpravo), duralový adaptér připevněný k chladícímu profilu a nástavci (vlevo)
O chladících schopnostech mechanismu je pojednáno v kapitole 5.3.2.1.
5.3 Zpracování světla pomocí fotočlánku Norma pro měření výkonových LED čipů CIE 127 stanovuje plochu měřícího detektoru o velikosti 1cm2 kruhového tvaru (podmínky A a B). Tomuto rozměru odpovídá fotočlánek, kterým je vybavena laboratoř světelné techniky UEEN. Osvětlení dopadající na čočku fotočlánku je převedeno na napětí. Závislost dopadajícího světla na výstupním napětí je lineární. Z tohoto předpokladu budeme vycházet při kalibraci měřícího systému.
5.3.1 Kalibrace systému s fotočlánkem Pro kalibraci systému je nezbytné mít referenční hodnotu osvětlenosti získanou při libovolné fotometrické vzdálenosti světelného zdroje a detektoru při libovolném provozním proudu světelného zdroje. Velikost osvětlenosti detektoru osvětleného LED čipem typu XP-E neutral white při pracovním proudu If=950 mA a fotometrické vzdálenosti h=30cm je rovna Er=637,1 lux. Referenční hodnota osvětlenosti byla získána pomocí spektroradiometru Avaspec, to znamená, že měřicí sestava je kalibrována podle tohoto měřicího přístroje. Z výstupního napětí fotočlánku Urf a z referenční hodnoty osvětlenosti Er je již snadné určit konstantu fotočlánku kfč.
k fč =
Er 637,1 = = 96,53 lux/V U rf 6,6
(lux/V; lux, V)
(5.1)
Fotometrie a spektroradiometrie zapouzdřených LED čipů
43
Výstupní napětí fotočlánku je měřeno pomocí přesného analyzátoru výkonu LMG 95. Rozsah výstupního napětí fotočlánku je 0-10V. Fotočlánek udává přesnější hodnoty, je-li výstupní hodnota v rozsahu 5-10V. Tuto hodnotu napětí na výstupu nastavíme pomocí změny citlivosti fotočlánku. Citlivost se mění pomocí zvyšování/snižování odporu a kapacity ve vnitřním zapojení.
5.3.2 Měření výkonových LED v goniometru pomocí fotočlánku Pomocí fotočlánku měříme osvětlení, ze kterého při známé fotometrické vzdálenosti vypočítáme svítivost podle fotometrického čtvercového zákona
I = E ⋅ h2
(cd; lux, m)
(5.2)
Obr. 5-4 Měření výkonových LED v goniometru pomocí fotočlánku
5.3.2.1
Ověření funkčnosti chladícího prvku goniometru
Maximální teplota přechodu měřené LED diody je 150°C. Z obrázku 5-5 je vidět, že se teplota přechodu zdaleka nepřibližovala své mezní hodnotě i při maximálním provozním proudu čipu If=1 A. Z průběhu je patrné, že teplota zprvu rychle stoupá do té chvíle, než je vzniklé teplo odváděno přes duralový adaptér do hliníkového chladiče. Po té se teplota přechodu ustálila
Fotometrie a spektroradiometrie zapouzdřených LED čipů
44
přibližně na hodnotě ϑ=50°C. To zajišťuje teplotní stabilitu, a tedy i konstantní světelný tok po dobu měření křivek svítivosti. Teplota byla měřena pomocí teploměru OPTRIS LASER SIGHT.
Obr. 5-5 Závislost oteplení chladících prvků na čase
5.3.2.2
Měření křivek svítivosti výkonového LED čipu v různých rovinách
Obr. 5-6 Měření křivek svítivosti v různých rovinách pro výkonový LED čip XP-E
Fotometrie a spektroradiometrie zapouzdřených LED čipů
45
Z obrázku 5-6 je patrné, že daný typ výkonového LED čipu vyzařuje světelný tok do prostoru rovnoměrně. Pozorovací úhel odpovídá katalogové hodnotě 120°. Naměřené hodnoty jsou uvedeny v příloze E. Měření probíhalo při fotometrické vzdálenosti h=0,1 m a provozním proudu If=100mA.
5.3.2.3
Porovnání křivek svítivosti při rozlišné fotometrické vzdálenosti
Měříme-li světelný tok pod definovaným úhlem a v definované vzdálenosti, dostaneme vždy stejné hodnoty svítivosti. Tuto skutečnost dokazuje obr. 5-7, na kterém jsou tři křivky svítivosti měřené v různých fotometrických vzdálenostech. CIE ve své publikaci 127 definuje podmínky A a B, které odpovídají vzdálenostem h=10 cm a h=31,6 cm. Jak je vidět z obrázku, křivky svítivosti pro vzdálenosti h=10 cm a h=67 cm jsou téměř totožné. Průběh křivky svítivosti měřené při h=31,6 cm naznačuje, že jeho odlišnost nastala nepřesným nastavení fotometrické vzdálenosti. Měření probíhalo při provozním proudu If=100mA.
Obr. 5-7 Křivky svítivosti v závislosti na fotometrické vzdálenosti výkonového LED čipu XP-E neutral white
Fotometrie a spektroradiometrie zapouzdřených LED čipů
5.3.2.4
46
Porovnání křivek svítivosti změřených a uváděných výrobcem
Výkonový LED čip byl měřen při stejném provozním proudu If=350 mA jako při měření provedeném výrobcem. Obě křivky svítivosti můžeme porovnat na obrázku 5-8 a 5-9.
Obr. 5-8 Naměřená křivka svítivosti v ortogonálních souřadnicích pro LED typu XR-E COOL WHITE
Obr. 5-9 Křivka svítivosti vyjmutá z katalogového listu pro LED typu XR-E COOL WHITE [8]
Fotometrie a spektroradiometrie zapouzdřených LED čipů
5.3.2.5
47
Osvětlenost a svítivost v závislosti na fotometrické vzdálenosti
Během měření bylo potřeba několikrát změnit citlivost fotočlánku tak, aby bylo dosaženo možná co největší přesnosti. Měření probíhalo při provozním proudu If=100 mA. Minimální fotometrická vzdálenost by měla být pětinásobkem průměru světelného zdroje. To znamená přibližně 5 cm.
Obr. 5-10 Závislost intenzity osvětlení na vzdálenosti výkonového LED čipu typu XP-E
Z fotometrického čtvercového zákona vyplývá, že svítivost by měla být pro fotometrickou vzdálenost konstantní. Z obrázku 5-11 je však patrné, že svítivost v závislosti na vzdálenosti roste. To je způsobeno tím, že svítivost jako taková, je definována pouze pro bodové zdroje. Bodový zdroj je zdroj s nekonečně malými rozměry. V praxi je samozřejmě takový zdroj nerealizovatelný, a proto za bodové zdroje pokládáme ty zdroje, jejichž největší rozměr nepřesahuje 1/10 vzdálenosti, ze které je zdroj pozorován [1].
Fotometrie a spektroradiometrie zapouzdřených LED čipů
48
Obr. 5-11 Závislost svítivosti na vzdálenosti výkonového LED čipu typu XP-E
5.4 Zpracování světla pomocí spektroradiometru Světlo vytvořené výkonovým LED čipem prochází přes kosinový nástavec, světlovodné vlákno do spektroradiometru AvaSpec-2048. Zde jsou data zpracována a posílána přes USB rozhraní do počítače, kde jsou dále zpracovávána a zobrazována v programu Avasoft. Jelikož přenos signálu světlovodným vláknem není bezeztrátový a určitou účinnost přenosu má i kosinový nástavec, je nutné celou měřicí soustavu před měřením kalibrovat.
5.4.1 Kalibrace systému se spektroradiometrem Kalibrace se provádí pomocí referenční lampy (AvaLight HAL-CAL), která má známý zdroj světla (halogenovou žárovku), jejíž data jsou přiložena k programu Avasoft. Zde bych chtěl podotknout, že vlivem stáří referenčního zdroje dochází k jistému rozdílu mezi přiloženými daty a skutečným spektrálním průběhem zdroje, což způsobuje jistou chybu v měření. Vlivem toho, že jako referenční zdroj je použita halogenová žárovka, bude spektrální charakteristika měřeného LED čipu v UV oblasti zatížena chybou, protože žárovka v této oblasti vyzařuje málo energie. Korekční křivka vytvořená programem Avasoft je zobrazena na obrázku 5-12.
Fotometrie a spektroradiometrie zapouzdřených LED čipů
49
Obr. 5-12 Korekční křivka vytvořená programem Avasoft
Slabým článkem je světlovodné vlákno, které má také svou spektrální charakteristiku. Vlákno použité v mém měřícím systému je označeno jako UV-VIS (Ultraviolet-visible), to znamená, že dobře přenáší světlo v ultrafialové a viditelné oblasti. V IR oblasti má dost velký útlum, a proto světlo v této oblasti přenáší špatně. To dokazuje průběh korekční křivky na obrázku 5-12. Pokud bychom měli vlákno označené VIS-NIR (Visible-Near Infrared Radiation), potom by vlákno dobře vedlo záření ve viditelné a blízké IR oblasti.
5.4.2 Měření výkonových LED v goniometru pomocí spektroradiometru V programu Avasoft zvolíme veličiny, které chceme měřit a zadáme fotometrickou vzdálenost mezi měřícím prvkem a LED. Po zobrazení obrazovky pro měření spektra a svítivosti přistoupíme k samotnému měření. Do přípravku pro měření osvětlenosti upevníme světlovodné vlákno s kosinovým nástavcem. Do goniometru upevníme výkonový LED čip a přivedeme do něj proud. Pomocí měřidla nastavíme fotometrickou vzdálenost. Zdroj musí být ve stejné ose jako měřící prvek. Měřící sestava je zobrazena na obrázku 5-13.
Fotometrie a spektroradiometrie zapouzdřených LED čipů
50
Obr. 5-13 Měření výkonových LED v goniometru pomocí spektroradiometru
Pomocí spektroradiometru si můžeme ověřit závislost spektrální charakteristiky v prostoru, tzn. její průběh při změně úhlu vyzařovaného světla a změně fotometrické vzdálenosti. Pozornost bude soustředěna především barevným vlastnostem měřeného typu výkonového LED čipu.
5.4.2.1
Spektrální charakteristika výkonového LED čipu v závislosti na vyzařovaném úhlu
Osvětlenost se začala výrazně zvyšovat v oblasti pozorovacího úhlu měřené LED diody XRE, jehož typická hodnota je 90°. Teplota chromatičnosti se zvětšujícím se prostorovým úhlem klesá a její barva se mění postupně od studené k teplejší (viz tab. 5-1). Vlastností luminofor naneseného na čočce je, že vlivem teploty zvyšuje svou účinnost. Protože teplota čočky směrem k substrátu čipu roste, tak i teplota chromatičnosti, ovlivněná luminoforem, mění svou velikost. Fotometrická vzdálenost h=10 cm. Provozní proud If=350 mA.
51
Fotometrie a spektroradiometrie zapouzdřených LED čipů
α
If
E
I
x
y
CCT
[°]
[mA]
[lux]
[cd]
[-]
[-]
[K]
-90
97,830
0,978
0,356
0,398
4783,8
-80
159,88
1,598
0,346
0,384
5070,5
-70
282,47
2,825
0,348
0,384
5002,8
-60
303,24
3,032
0,341
0,377
5215,1
1085,9
10,859
0,336
0,370
5370,8
-40
1707,6
17,076
0,328
0,353
5687,5
-30
2099,0
20,990
0,319
0,337
6129,9
-20
2513,8
25,138
0,312
0,324
6604,9
-10
2808,2
28,082
0,307
0,316
6949,1
0
2968,2
29,682
0,306
0,313
7065,6
-50 350
Tab. 5-1 Spektrální charakteristika výkonového LED čipu XR-E COOL WHITE v závislosti na vyzařovaném úhlu
Rozdíl barvy světla vyzářeného pod pozorovacím úhlem α=-90° a α=0° je vidět na obrázku 5-14.
Obr. 5-14 Kolorimetrický trojúhelník pro světlo vyzářené pod pozorovacím úhlem α=-90° (vlevo) a α=0°(vpravo)
52
Fotometrie a spektroradiometrie zapouzdřených LED čipů
Spektrální charakteristiky pro prostorové úhly α=-50° a α=0° jsou zobrazeny na obrázku 515.
Obr. 5-15 Spektrální charakteristiky výkonového LED čipu XR-E pro prostorové úhly α=-50° a α=0°
5.4.2.2
Spektrální charakteristika výkonového LED čipu v závislosti na fotometrické vzdálenosti
Barevné souřadnice a chromatičnost se vlivem změny fotometrické vzdálenosti nemění (drobná odchylka je způsobena chybou měření). Mění se pouze osvětlenost (viz tab. 5-2). h
If
E
I
x
y
CCT
[m]
[mA]
[lux]
[cd]
[-]
[-]
[K]
0,1
2969,6
29,996
0,306
0,313
7057,5
0,2
903,69
36,148
0,306
0,314
7034,7
0,3
405,81
36,523
0,308
0,314
6946,7
220,72
35,315
0,306
0,312
7100,2
0,5
138,18
34,544
0,307
3,313
6990,8
0,6
96,320
34,675
0,306
0,314
7028,5
0,7
71,698
35,132
0,306
0,312
7049,4
0,4
350
Tab. 5-2 Spektrální charakteristika výkonového LED čipu XR-E COOL WHITE v závislosti na fotometrické vzdálenosti
Fotometrie a spektroradiometrie zapouzdřených LED čipů
53
Obr. 5-16 Spektrální charakteristiky výkonového LED čipu XR-E pro fotometrické vzdálenosti h=10 cm a h=40cm
6 MĚŘENÍ V KULOVÉM INTEGRÁTORU 6.1 Rekonstrukce kulového integrátoru Kulový integrátor mi byl zapůjčen z laboratoře světelné techniky UEEN. Jedná se o starý typ kulového integrátoru.
6.1.1 Kulový integrátoru před rekonstrukcí Z původního kulového integrátoru (obr. 6-1) zbyla pouze integrační koule o průměru D=25cm. Vnitřní nátěr byl ve velmi špatném stavu. Konstrukce integrátoru obsahuje 4 otvory. Otvory v minulosti sloužily pro aplikaci světelného zdroje, světelného snímače, pravděpodobně referenčního zdroje a korekčního zdroje.
Fotometrie a spektroradiometrie zapouzdřených LED čipů
54
Obr. 6-1 Kulový integrátor před rekonstrukcí doplněný o stínítko.
6.1.2 Vnitřní uspořádání kulového integrátoru Kulový integrátor bude fungovat s 4π geometrií (obr. 4-2). Starý vnitřní nátěr byl mechanicky odstraněn a nahrazen novým nátěrem (viz kapitola 6.1.3). V plášti integrátoru byly po předchozí aplikaci vytvořeny 4 otvory. Pro náš účel postačí pouze dva otvory. Jeden otvor pro hliníkový nástavec s napájením pro LED čipy, druhý slouží pro aplikaci fotočlánku a spektroradiometru. Zbylé dva otvory byly zakryty pomocí tvarovatelného tvrzeného plastu a silikonového lepidla. Výkonové LED čipy jsou uchyceny na hliníkový nástavec s chladičem, tak aby byly co možno nejpřesněji uprostřed koule (obr. 6-2). Chladič je dostatečně velký, aby byl schopný chladit měřený LED čip i při měřeních trvajících několik minut a vyšších pracovních proudech (až 1A). Na chladič jsou uchyceny pomocí teplo-vodivé pasty. LED čipy jsou z důvodu jejich napájení osazovány na plošné spoje MCPCB (obr. 3-3). Přívodní dráty musí být na plošný spoj pájeny mimo integrátor, aby nedošlo k poškození vnitřního nátěru. Se zdrojem jsou plošné spoje, osazené LED čipy, propojeny pomocí dvou WAGO svorek. Mezi světelným zdrojem a detektorem byla vložena clonka (hliníková). Parametry clonky jsou popsány v části 4.4.4. Veškeré prvky uvnitř integrátoru musí být natřené stejným nátěrem jako vnitřní povrch integrátoru.
Fotometrie a spektroradiometrie zapouzdřených LED čipů
55
Obr. 6-2 Hliníkový nástavec tvořící 4π geometrii.
6.1.3 Vnitřní nátěr Starý nátěr byl pomocí jemného brusného papíru mechanicky odstraněn. Jak již bylo zmíněno, důležitým požadavkem je, aby byl nátěr barevně neselektivní. Nejlépe vyhovují některé druhy běloby zinkové, titanové či barytové. Pro vnitřní nátěr integrátoru jsme použili Primalex Polar. Činitel odrazu by měl být v mezích 0,75 až 0,85 [11]. Samotný nátěr zředěný pouze vodou má vyšší odraznost než je tato mez. Z toho důvodu bylo potřeba použít tónovací barvy. Odraznost byla měřena v laboratoři světelné techniky UEEN na Spektrofotometru CM3600D. Jedná se o profesionální přístroj pro měření barevných vlastností materiálů. Měření probíhá v rozsahu vlnových délek 360-740nm a jako zdroj světla jsou použity čtyři xenonové výbojky. Měření probíhá výhradně přes počítač. Obslužný software SpetraMagic dokáže naměřená data zpracovat do nejrůznějších reportů (obr. 6-3, obr. 6-4, obr. 6-5). V přístroji byly změřeny tři vzorky nátěru. Čistý Primalex Polar (vzorek 1) a dva různě tónované nátěry této barvy. Barva byla nanášena na laminátové destičky. Hodnoty odraznosti pro jednotlivé vzorky jsou uvedeny v tabulce 6-1.
Fotometrie a spektroradiometrie zapouzdřených LED čipů
Obr. 6-3 Závislost odraznosti na vlnové délce vzorku 1.
Obr. 6-4 Závislost odraznosti na vlnové délce vzorku 2.
Obr. 6-5 Závislost odraznosti na vlnové délce vzorku 3.
56
Fotometrie a spektroradiometrie zapouzdřených LED čipů
Vzorek 1 λ ρ [%] 360nm 19,52 370nm 37,75 380nm 56,99 390nm 69,3 400nm 75,79 410nm 79,67 420nm 81,96 430nm 83,03 440nm 83,89 450nm 84,47 460nm 84,84 470nm 85,28 480nm 85,61 490nm 85,94 500nm 86,29 510nm 86,72 520nm 87,03 530nm 87,27 540nm 87,54 550nm 87,79 560nm 88,07 570nm 88,27 580nm 88,43 590nm 88,58 600nm 88,74 610nm 88,87 620nm 88,98 630nm 89,17 640nm 89,2 650nm 89,37 660nm 89,52 670nm 89,56 680nm 89,67 690nm 89,82 700nm 89,95 710nm 90,03 720nm 90,11 730nm 90,27 740nm 90,38
ρ = 87
Vzorek 2 λ ρ [%] 360nm 19,38 370nm 36,94 380nm 54,38 390nm 64 400nm 67,93 410nm 69,96 420nm 71,09 430nm 71,6 440nm 71,95 450nm 72,16 460nm 72,27 470nm 72,47 480nm 72,51 490nm 72,58 500nm 72,7 510nm 72,85 520nm 72,89 530nm 72,95 540nm 73,06 550nm 73,14 560nm 73,27 570nm 73,36 580nm 73,47 590nm 73,56 600nm 73,66 610nm 73,77 620nm 73,87 630nm 74,05 640nm 74,09 650nm 74,28 660nm 74,43 670nm 74,46 680nm 74,6 690nm 74,77 700nm 74,94 710nm 75,02 720nm 75,13 730nm 75,29 740nm 75,35
ρ = 73
57
Vzorek 3 λ ρ [%] 360nm 19,13 370nm 37,61 380nm 57 390nm 68,99 400nm 74,73 410nm 77,82 420nm 79,48 430nm 80,12 440nm 80,57 450nm 80,85 460nm 80,93 470nm 81,15 480nm 81,18 490nm 81,28 500nm 81,41 510nm 81,57 520nm 81,64 530nm 81,75 540nm 81,85 550nm 81,95 560nm 82,08 570nm 82,2 580nm 82,33 590nm 82,43 600nm 82,56 610nm 82,69 620nm 82,82 630nm 83,03 640nm 83,09 650nm 83,35 660nm 83,51 670nm 83,63 680nm 83,8 690nm 83,99 700nm 84,22 710nm 84,37 720nm 84,53 730nm 84,74 740nm 84,82
ρ = 82
Tab. 6-1 Hodnoty odraznosti pro tři vzorky barevného odstínu barvy Primalex Polar změřené pomocí CM-3600D v závislosti na vlnové délce.
Z jednotlivých hodnot odrazností pro jednotlivé vlnové délky od 400nm do 740nm (krok 10nm) určíme průměrnou hodnotu odraznosti pro dané vzorky nátěrů. Hodnoty od 360nm do 400nm neuvažujeme, protože vlivem pohlcení UV záření laminátovými destičkami se vzorky nátěrů by došlo ke zkreslení průměrné hodnoty. Značný pokles odraznosti v oblasti UV záření je patrný z obrázků 6-3 až 6-5. Plášť kulového integrátoru je kovový, to znamená, že při nanesení nátěru na jeho plášť by k tomuto jevu nemělo dojít.
Fotometrie a spektroradiometrie zapouzdřených LED čipů
58
Nejvhodnější hodnotu odraznosti má pro náš účel vzorek 3. Odraznost je 82%. Je to sice hodnota vyšší než maximální mez 80%, avšak budeme-li uvažovat vliv stárnutí nátěru, a tedy i jeho pokles odraznosti, tato hodnota vyhovuje.
6.1.4 Kulový integrátor po rekonstrukci Celá úloha je po celou dobu měření prováděna na fotometrické lavici. Stálou polohu integrátoru po dobu měření zajišťuje podstavec vytvořený ze stavebnicového hliníkového profilu.
Obr. 6-6 Kulový integrátor po rekonstrukci
6.2 Mechanismus pro snímání světla rozptýleného v kulovém integrátoru Světlo rozptýlené v kulovém integrátoru je detekováno dvěma způsoby. Pomocí fotočlánku a spektroradiometru. Oba dva způsoby měření je možné provést díky vytvořenému nástavci.
Fotometrie a spektroradiometrie zapouzdřených LED čipů
59
Starý nástavec byl z kulového integrátoru odstraněn a byl nahrazen novým. Nástavec je z duralu a skládá se ze dvou částí. První část je pevně uchycena k plášti kulového integrátoru. Říkejme jí proto pevná část. Druhý díl nástavce je odnímatelný. Vnitřní průměr pevné části nástavce koresponduje s průměrem optiky fotočlánku tak, aby bylo možné optiku vsunout do nástavce a nedocházelo k imisi světla do kulového integrátoru. V souvislosti s vnitřním nátěrem kulového integrátoru musela být natřena i vnitřní plocha pevného nástavce, aby nedocházelo k nechtěným odrazům světla. Odnímatelný nástavec lze do pevné části vsunout podobně jako optika fotočlánku tak, aby na sebe oba díly doléhaly a do integrátoru nevnikalo světlo. Jeho stabilní polohu během měření zajišťuje aretační šroubek. Jak je vidět na obrázku 6-7, nástavec slouží pro uchycení konce světlovodného vlákna, kterým bude rozptýlené světlo vedeno do spektroradiometru.
Obr. 6-7 Pevný nástavec pro aplikaci fotočlánku do kulového integrátoru (vlevo). Odnímatelný nástavec pro aplikaci světlovodného vlákna spektroradiometru do kulového integrátoru (napravo).
6.3 Zpracování světla z kulového integrátoru fotočlánkem Fotočlánek je uchycen na stojanu, čímž je zafixována jeho poloha během celého měření. Světelný výkon dopadající na čočku fotočlánku je převeden na napětí. Závislost dopadajícího světla na výstupním napětí je lineární. Z tohoto předpokladu budeme vycházet při kalibraci měřícího systému.
6.3.1 Kalibrace systému s fotočlánkem Pro kalibraci systému je nezbytné mít referenční světelný zdroj, u kterého známe přesnou hodnotu jeho světelného toku při daném pracovním proudu. Velikost světelného toku LED čipu typu XP-E při zvoleném pracovním proudu byla získána pomocí měřícího systému OL-770, to znamená, že naše měřící sestava (kulový integrátor-fotočlánek) je kalibrována podle tohoto
Fotometrie a spektroradiometrie zapouzdřených LED čipů
60
systému. Z výstupního napětí fotočlánku Urf a z referenční hodnoty světelného toku ɸr je již snadné určit konstantu měřící sestavy ks.
ks =
Φ r 159,779 = = 24,688lm/V U rf 6,472
(lm/V; lm, V)
(6.1)
Ze vztahu 4.10 můžeme určit konstantu samotného integrátoru:
ki =
ρ π ⋅ D ⋅ (1 − ρ ) 2
=
0,82 = 23,2013lm/ V 3,14 ⋅ 0,25 2 ⋅ (1 − 0,82)
Výstupní napětí fotočlánku je měřeno pomocí přesného analyzátoru výkonu LMG 95. Rozsah výstupního napětí fotočlánku je 0-10V. Fotočlánek udává přesnější hodnoty, je-li výstupní hodnota v rozsahu 5-10V. Vyšší hodnotu napětí na výstupu nastavíme pomocí změny citlivosti fotočlánku. Citlivost se mění pomocí zvyšování/snižování odporu a kapacity ve vnitřním zapojení. Ideálního rozsahu jsme docílili nastavení odporu na hodnotu 3 (270kΩ) a kapacity na hodnotu 3 (56 pF).
6.3.2 Měření v kulovém integrátoru pomocí fotočlánku
6.3.2.1
Závislost světelného toku na čase
Změřené hodnoty byly získány pomocí osciloskopu Yokogawa DL 850. Proměřeny byly tři typy LED čipů (XP-E neutral, XP-E 80-CRI white, XR-E) při pracovním proudu If=350mA. Zapisovací frekvence osciloskopu byla nastavena na 50samplu/s. Doba měření t=10min. Klesání světelného toku je způsobeno oteplováním LED čipu.
Fotometrie a spektroradiometrie zapouzdřených LED čipů
Obr. 6-8 Závislost světelného toku na čase pro LED typ XP-E neutral
Obr. 6-9 Závislost světelného toku na čase pro LED typ XR-E
61
Fotometrie a spektroradiometrie zapouzdřených LED čipů
62
Obr. 6-10 Závislost světelného toku na čase pro LED typ XP-E 80-CRI
6.3.2.2
Závislost světelného toku na pracovním proudu
Výstupní napětí na fotočlánku bylo měřeno pomocí analyzátoru výkonu LMG 95. Změřené charakteristiky odpovídají katalogovým charakteristikám daných LED čipů (viz příloha A).
Obr. 6-11 Závislost relativního světelného toku na pracovním proudu
Fotometrie a spektroradiometrie zapouzdřených LED čipů
6.3.2.3
63
Závislost světelného toku na teplotě
Měření světelného toku v závislosti na teplotě při aplikaci LED čipu na chladící prvek: Teplota byla měřena pomocí teploměru OPTRIS LASER SIGHT při otevřeném integrátoru po dobu 10 minut. Za tuto dobu se teplota na přechodu diody díky dostatečně velkému chladiči ustálila na hodnotě zhruba 54°C. Pracovní proud XR-E čipu byl nastaven na hodnotu If=1A. Poté bylo provedeno měření světelného toku v uzavřeném integrátoru po dobu 10 minut. Výsledná charakteristika je na obrázku 6-12.
Obr. 6-12 Závislost světelného toku na teplotě přechodu s použitím chladiče
Měření světelného toku v závislosti na teplotě bez použití chladícího prvku: Toto měření probíhalo stejně jako předchozí měření, avšak s tím rozdílem, že LED čip byl do integrátoru umístěn tak, aby se nedotýkal chladiče. Při proudu If=1A teplota přechodu velmi rychle stoupala. Během 4 minut dosahovala hodnoty 150°C, což je maximální teplota přechodu udávaná výrobci.
Obr. 6-13 Závislost světelného toku na teplotě přechodu bez použití chladiče
Fotometrie a spektroradiometrie zapouzdřených LED čipů
64
Z obou průběhů je vidět, jak důležitý je správný návrh chladícího prvku u LED svítidel. Dále je patrné, že chladící zařízení je uvnitř integrátoru důležité pro vytvoření teplotní a tím pádem i světelné stability při déle trvajících měřeních. Chladič uvnitř integrátoru je dost velký na to aby se díky němu ustálila teplota na rozumných hodnotách i při vyšších pracovních proudech. Lineární pokles světelného toku vlivem oteplování (obr. 6-13) odpovídá katalogovému průběhu udávanému výrobcem.
6.4 Zpracování světla z kulového integrátoru spektroradiometrem Postup zapojení měřící sestavy je stejný jako při měření světla spekroradiometrem v goniometru (viz kapitola 5.4).
6.4.1 Kalibrace systému se spektroradiometrem Světlo, rozptýlené v kulovém integrátoru, prochází světlovodným vláknem bez kosinového nástavce. Proto již nemůžeme použít pro kalibraci kulového integrátoru referenční světelný zdroj jako u kalibrace goniometru (referenční hodnoty byly získány při měření s kosinovým nástavcem), ale je potřeba zvolit jiný způsob kalibrace měřící soustavy. Pomocí spektroradiometru OL-770 byl získán průběh spektrální charakteristiky výkonového čipu XP-E. Tento čip je brán jako referenční zdroj světla. Hodnoty spektrální charakteristiky referenčního zdroje jsou zpracovány do patřičného formátu (*.lmp) a vloženy do programu Avasoft. Jednoduše řečeno do programu zadáme, jak by měla vypadat spektrální charakteristika měřeného zdroje, jak ve skutečnosti vypadá (přenos signálu světlovodným vláknem není bezeztrátový a určitou účinnost přenosu má i integrátor) a program z těchto dvou vstupních parametrů vytvoří korekční křivku (obr. 6-14).
Fotometrie a spektroradiometrie zapouzdřených LED čipů
65
Obr. 6-14 Korekční křivka vytvořená programem Avasoft
Slabým článkem je světlovodné vlákno, které má také svou spektrální charakteristiku. Vlákno použité v mém měřícím systému je označeno jako UV-VIS (Ultraviolet-visible), to znamená, že dobře přenáší světlo v ultrafialové a viditelné oblasti. V IR oblasti má dost velký útlum, a proto světlo v této oblasti přenáší špatně. To dokazuje průběh korekční křivky na obrázku 6-12. Nastavením šířky portu (šířka plošky snímající světlo) lze ovlivnit výstupní hodnoty. Šířka je udávána v µm. Port má kruhový tvar. Pro měření s difuzorem mimo kalibrační kouli je v manuálu pro spekroradiometr uváděna hodnoty 3900 µm. Pro měření s difuzorem v kulovém integrátoru Avasphere je šířka portu 15 000 µm. Vypočítáme si plochu pro předchozí dva průměry. V integrátoru si změříme světelný tok nastavení těchto dvou šířek. V tuto chvíli víme, že při nastavení šířky portu 3900 µm spektroradiometr naměřil ɸ=14 lm (tok vyzářený referenční LED při daném pracovním proudu). Při nastavení šířky portu 15 000 µm spektroradiometr naměřil ɸ=208 lm. Z hodnot referenční LED víme, že při daném pracovním proudu má vyzařovat světelný tok přibližně ɸ=119 lm. Z vypočtených ploch a z naměřených světelných toků sestrojíme lineární závislost a určíme plochu portu při referenčním světelném toku. Potom už je snadné vypočítat průměr portu, který by měl být nastavený při měření na rekonstruovaném integrátoru. Průměr portu je 11 350 µm. Celá sestava je opět kalibrovaná podle spektroradiometru OL-770.
Fotometrie a spektroradiometrie zapouzdřených LED čipů
66
6.4.2 Měření v kulovém integrátoru pomocí spektroradiometru
6.4.2.1
Spektrální charakteristiky při různém pracovním proudu
V tabulce 6-2 jsou zobrazeny naměřené hodnoty pro výkonový LED čip typu XR-E cool white. Nejlepší účinnosti dosahuje při hodnotě provozního proudu If=350 mA. Z tabulky je patrné zvyšování chromatičnosti se zvyšujícím se provozním proudem. Dioda má poměrně malý měrný výkon. Z toho vyplývá i nízká účinnost. Výsledky je možné porovnat s hodnotami naměřenými na spektroradiomteru OL-770 v příloze C.
If
Uf
P
ɸ
Pm
η
CCT
[mA]
[V]
[W]
[lm]
[lm/W]
[%]
[K]
350
3,6
1,26
82,137
65,19
9,54
5740,2
500
3,82
1,91
105,91
55,45
8,12
5766,5
750
3,88
2,91
134,18
46,11
6,75
5898,2
1000
4,07
4,07
155,42
38,19
5,59
6001,8
Tab. 6-2 Naměřené parametry výkonového LED čipu XR-E cool white pro různé provozní proudy
Při výpočtu měrného výkonu Pm jsem vycházel ze vzorce (4.7). Pro výpočet procentuální elektronické účinnosti η jsem vycházel ze známé hodnoty maximálního teoretického měrného výkonu Pm,max=683 lm/W. Příklad výpočtu elektronické účinnosti η pro provozní proud 350mA:
η=
Pm Pm , max
⋅ 100 =
65,19 ⋅ 100 = 9,54% 683
(%; lm/W, lm/W)
(6.2)
Průběh spektrální charakteristiky na obr. 6-15 odpovídá katalogovým hodnotám uváděným v příloze D.
67
Fotometrie a spektroradiometrie zapouzdřených LED čipů
Obr. 6-15 Spektrální charakteristika výkonové LED XR-E v závislosti na provozním proudu
6.4.2.2
Spektrální charakteristiky v čase
Průběh spektrální charakteristiky (obr. 6-16) výkonových LED čipů se v čase mění díky jejich oteplování. Díky umístění měřené LED na chladiči se hodnoty uvedené v tabulce 6-3 postupně ustalují. Jediným parametrem, který v závislosti na čase (na teplotě) roste, je chromatičnost. t
If
Uf
P
ɸ
Pm
η
CCT
[min]
[mA]
[V]
[W]
[lm]
[lm/W]
[%]
[K]
0
1000
4,050
4,050
157,09
38,79
5,68
5997
2
1000
3,920
3,920
148,21
37,81
5,54
6061
4
1000
3,906
3,906
145,46
37,24
5,45
6087
6
1000
3,900
3,900
143,84
36,88
5,40
6091
8
1000
3,896
3,896
142,70
36,63
5,36
6103
10
1000
3,895
3,895
141,45
36,32
5,32
6133
Fotometrie a spektroradiometrie zapouzdřených LED čipů
68
Tab. 6-3 Parametry výkonového LED čipu XR-E cool white získané v průběhu 10 minutového měření
Obr. 6-16 Spektrální charakteristika výkonové LED XR-E cool white v čase
Kolorimetrický trojúhelník na obrázku 6-17 určující barvu daného typu LED je vytvořený programu Avasoft, jenž je softwarem k použitému spektroradiometru Avaspec.
Fotometrie a spektroradiometrie zapouzdřených LED čipů
69
7 ZÁVĚR Práce nás seznamuje s parametry výkonových LED diod. Mezi tyto parametry patří zejména konstrukce, optické vlastnosti, napájení pro výkonové LED čipy a tepelný management výkonových LED čipů. V další části práce je pojednáno o základních fotometrických a radiometrických veličinách, které jsou podstatné pro rozlišení jednotlivých druhů svítidel a jejich aplikace do patřičného odvětví. Metody měření těchto veličin jsou předepsány normami, o kterých je v této práci také stručně pojednáno. Na teoretickou část navazuje vytvoření laboratorního modelu pro měření kvalitativních a kvantitativních parametrů světelného výkonu vysoce svítivých LED. Vytvoření tohoto modelu spočívá v uzpůsobení stávajících měřících přístrojů pro měření výkonových LED, které při vykonávané práci vytváří velké množství tepla. Měření je prováděno pomocí kulového integrátoru, který bylo potřeba zrekonstruovat. Rekonstrukce kulového integrátoru je podstatnou částí této práce. Dalším měřícím zařízením je goniometr. Ten je sestaven pomocí optomechanické stavebnice. Obě měřící zařízení jsou kalibrovány a jejich správná funkce je ověřena měřením a porovnáním změřených výsledků s katalogovými hodnotami uváděnými výrobci.
7.1 Současný stav S lepšími vlastnostmi PN přechodů světlo emitujících diod dochází každým rokem k nárůstu jejich měrného výkonu. Dnes se již vyrábí výkonové LED diody s měrným výkonem vyšším než 100 lm/W. Světové špičky v oblasti vývoje a výroby výkonových LED diod překonali hranici 200 lm/W. S přibývajícími aplikacemi využívající světlo emitující diody samozřejmě roste jejich poptávka na trhu a vyšší produkce diod LED snižuje jejich cenu. To jen potvrzuje předpoklad, že výkonové LED 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.
7.2 Závěry práce a její přínos Přínosem práce je uzpůsobení stávajících měřících přístrojů pro měření výkonových LED. Konkrétně vytvoření teplovodivého adaptéru s chladičem použitého v modelu goniometru. Změnu fotometrické vzdálenosti, při měření výkonových LED čipů v goniometru, usnadňuje posuvný systém vytvořený ze systémového hliníkového profilu a z dílů optomechanické stavebnice. Dalším přínosem práce je rekonstrukce kulového integrátoru. Ta spočívá ve vytvoření vnitřního nátěru specifických odrazných vlastností. Dále ve vytvoření podstavce kulového integrátoru, pro zajištění stabilní polohy během měření. Sestrojení nástavce uvnitř kulového integrátoru, který by zajistil polohu měřeného výkonového čipu, jeho napájení a dostatečné
Fotometrie a spektroradiometrie zapouzdřených LED čipů
70
chlazení. Detekce světelného toku měřeného čipu pomocí spektroradiometru a fotočlánku byla umožněna díky na zakázku vytvořenému nástavci.
7.3 Význam a využití dosažených výsledků Z naměřených výsledků na jednotlivých výkonových LED čipech a jejich porovnání s výsledky udávanými výrobci a měřenými na prověřeném měřicím přístroji OL 770, je patrné, že zrekonstruovaný integrátor je plnohodnotné měřící zařízení. Ze závislostí světelných parametrů měřených výkonových LED čipů na teplotě přechodu je zřejmé, že chladicí systémy, jak u kulového integrátoru, tak u goniometru, zlepšily přesnost při měření díky teplotnímu ustálení.
7.4 Návrh dalšího postupu Kulový integrátor by mohl být vybavený aretačním mechanismem pro zajištění stejné polohy při opětovném otevírání a zavíraní kulového integrátoru.
71
8 LITERÁRNÍ PRAMENY [1]
BAXANT, P. Světelná technika. Skripta pro VUT, 68 stran.
[2]
Polovodičové lasery a LED-ky. Microdesignum [online]. 2012 [cit. 2012-02-07]. Dostupné z: http://www.microdesignum.cz/clanky/Polovodicove-lasery-a-LED-ky.html
[3]
TRON elektronické součástky s.r.o. [online]. 2012 [cit. 2012-03-06]. Dostupné z: http://www.tron.cz
[4]
BAXANT, P. Zdroje LED v osvětlovací technice. Elektro (2011) č.:5, FCC Public, Praha 2011, str. 6 – 9, ISSN 1210-0889.
[5]
LED. Wikipedie [online]. http://cs.wikipedia.org/wiki/LED
[6]
MCCLUNEY, R., Introduction to Radiometry and Photometry. London 1994, ISBN 089006-678-7.
[7]
DeCusatis, C., Handbook of applied Photometry. New York 1997, ISBN 1-56396-416-3.
[8]
LED komponenty a moduly. CREE [online]. 2012 [cit. 2012-04-06]. Dostupné z: http://www.cree.com
[9]
Operační manuál “OL 770 Multichannel Spectroradiometer”.
[10]
Yoshi Ohno, IESNA standards on LED and SSL: LM-79, LM-80, and future standards. Prezentace pro CORM 2009 Conference, Gaithersburg, Květen, 2009.
[11]
HABEL, J. Základy světelné techniky. Světlo (2009) č.:4, FCC Public, Praha 2009, str. 50 – 53.
[12]
Optomechanické komponenty. Thorlabs [online]. 2012 [cit. 2012-04-12]. Dostupné z: http://www. thorlabs.com
[13]
ŠKODA, J. Měření účinnosti malých světelných zdrojů, návod k laboratorní úloze. UEEN, FEKT, VUT Brno 2012, 3 strany.
[14]
HABEL, Jiří. A KOL. Světelná technika a osvětlování. Praha: FCC PUBLIC, 1995. ISBN 800-901985-0-3.
[15]
Spektrometry. Avantes http://www.avantes.com
[16]
Napájecí zdroje. Keithley https://www.keithley.fr
[17]
Tepelná vodivost. Wikipedie [online]. 2012 [cit. http://cs.wikipedia.org/wiki/Tepeln%C3%A1_vodivost
2012
[online]. [online].
[cit.
2012 2012
2012-04-02].
[cit. [cit.
2012-04-20]. 2012-05-05]. 2012-05-06].
Dostupné
Dostupné
z:
z:
Dostupné
z:
Dostupné
z:
72
Příloha A - katalogový list společnosti CREE pro výkonové LED typu XP-E.
73
74
75
76
77
78
79
80
Příloha B – světelné parametry LED XP-E změřené na OL– 770 kulovém integrátoru pro různé velikosti proudů. Pracovní proud [mA] 350 350 350 500 500 500 750 750 750 1000 1000 1000
Pracovní proud [mA] 350 350 350 500 500 500 750 750 750 1000 1000 1000
Luminous flux
Efficacy
U
CCT
[lm] 119,061 119,385 119,228 159,983 159,616 159,737 218,895 218,468 217,739 266,387 266,319 265,471
[lm/W] 109,965 110,141 110,022 99,234 99,124 99,205 85,449 85,337 85,219 74,425 74,379 74,291
[V] 3,097 3,100 3,099 3,227 3,223 3,223 3,417 3,415 3,408 3,581 3,582 3,575
[K] 3952,448 3952,916 3952,719 3968,647 3968,694 3968,778 3991,191 3991,802 3991,493 4011,671 4011,920 4013,052
CRI
Dom. Wavelength
Half bandwidth
Peak Wavelength
[-] 81,465 81,434 81,436 81,344 81,358 81,339 81,260 81,247 81,281 81,279 81,292 81,330
[nm] 578,041 578,000 578,015 578,262 578,290 578,274 578,658 578,673 578,713 579,143 579,142 579,168
[nm] 26,670 26,656 26,658 27,217 27,331 27,342 28,114 28,248 28,403 29,480 29,461 29,671
[nm] 453,911 453,519 453,519 453,519 453,519 453,519 453,128 453,128 453,519 452,736 453,519 453,519
81
Příloha C – světelné parametry LED XR-E změřené na spektroradiometru OL–770 pro různé pracovní proudy. Pracovní proud [mA] 350
Luminous flux [lm] 75,28
350
75,21
62,4
3,44
5760,02
71,66
350
75,18
62,7
3,45
5760,57
71,66
500
96,98
53,0
3,64
5859,97
71,65
500
96,80
53,8
3,64
5859,88
71,74
500
96,79
53,7
3,64
5861,30
71,75
750
124,88
42,3
3,92
5992,13
71,73
750
124,58
42,1
3,91
5989,82
72,02
750
124,18
42,0
3,91
5990,57
72,06
1000
142,84
34,4
4,16
6102,23
72,59
1000
144,11
34,8
4,18
6098,92
72,47
1000
142,95
33,0
4,28
6100,42
72,58
Efficacy
U
CCT
CRI
[lm/W] 62,8
[V] 3,45
[K] 5759,72
[-] 79,59
82
Příloha D - část katalogového listu společnosti CREE pro výkonové LED typu XR-E.
83
84
85
Příloha E - Měření křivek svítivosti v různých rovinách pro výkonový LED čip XP-E C0° α[°] -90 -85 -80 -75 -70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90
E[lux]
I[cd]
0 0 2,41325 37,06752 47,78235 320,4796 383,1276 423,6702 468,074 509,0992 552,0551 587,5781 620,6879 650,9018 675,3239 694,9195 710,4608 720,886 725,2299 723,8785 717,1214 706,0204 688,452 663,0646 635,6501 603,1194 567,6929 523,3857 478,1131 435,833 390,2708 233,6991 21,33313 3,37855 0 0 0
0 0 0,024133 0,370675 0,477824 3,204796 3,831276 4,236702 4,68074 5,090992 5,520551 5,875781 6,206879 6,509018 6,753239 6,949195 7,104608 7,20886 7,252299 7,238785 7,171214 7,060204 6,88452 6,630646 6,356501 6,031194 5,676929 5,233857 4,781131 4,35833 3,902708 2,336991 0,213331 0,033786 0 0 0
C45° α[°] -90 -85 -80 -75 -70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90
E[lux]
I[cd]
0 0,57918 2,60631 4,24732 41,89402 315,1705 386,6027 427,9175 469,715 514,9876 553,0204 588,5434 624,8387 650,033 673,7794 694,3403 709,592 719,6312 726,0987 726,3883 721,4652 710,1712 693,4715 671,4627 644,9169 612,5794 576,3806 534,6797 487,1869 438,4393 385,3478 225,6871 15,25174 3,47508 1,9306 0,09653 0
0 0,005792 0,026063 0,042473 0,41894 3,151705 3,866027 4,279175 4,69715 5,149876 5,530204 5,885434 6,248387 6,50033 6,737794 6,943403 7,09592 7,196312 7,260987 7,263883 7,214652 7,101712 6,934715 6,714627 6,449169 6,125794 5,763806 5,346797 4,871869 4,384393 3,853478 2,256871 0,152517 0,034751 0,019306 0,000965 0
C90° α[°] -90 -85 -80 -75 -70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90
E[lux]
I[cd]
0 0,57978 2,41575 3,57531 37,97559 325,16 400,2415 444,2081 482,4736 522,9616 559,5843 595,0475 625,7759 655,7312 677,8595 698,345 712,6463 722,116 727,5273 725,8846 720,3767 707,0417 688,8753 665,0077 636,5018 604,324 565,0922 523,4447 478,6084 433,5788 386,3267 255,2965 15,36417 3,47868 2,12586 0,19326 0
0 0,005798 0,024158 0,035753 0,379756 3,2516 4,002415 4,442081 4,824736 5,229616 5,595843 5,950475 6,257759 6,557312 6,778595 6,98345 7,126463 7,22116 7,275273 7,258846 7,203767 7,070417 6,888753 6,650077 6,365018 6,04324 5,650922 5,234447 4,786084 4,335788 3,863267 2,552965 0,153642 0,034787 0,021259 0,001933 0
86
Příloha F - Porovnání křivek svítivosti při rozlišné fotometrické vzdálenosti h=10 cm (podmínka B) α[°] -90 -85 -80 -75 -70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90
E[lux]
I[cd]
0 0 2,41325 37,06752 47,78235 320,4796 383,1276 423,6702 468,074 509,0992 552,0551 587,5781 620,6879 650,9018 675,3239 694,9195 710,4608 720,886 725,2299 723,8785 717,1214 706,0204 688,452 663,0646 635,6501 603,1194 567,6929 523,3857 478,1131 435,833 390,2708 233,6991 21,33313 3,37855 0 0 0
0 0 0,024133 0,370675 0,477824 3,204796 3,831276 4,236702 4,68074 5,090992 5,520551 5,875781 6,206879 6,509018 6,753239 6,949195 7,104608 7,20886 7,252299 7,238785 7,171214 7,060204 6,88452 6,630646 6,356501 6,031194 5,676929 5,233857 4,781131 4,35833 3,902708 2,336991 0,213331 0,033786 0 0 0
h=31,6 cm (podmínka A) α[°] -90 -85 -80 -75 -70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90
E[lux] 0,019306 0,115836 0,38612 0,48265 2,094701 36,26632 43,69913 48,7573 53,54519 58,29447 63,36229 68,17914 71,94381 75,52507 78,6623 81,25895 83,09302 84,44444 85,05258 85,0912 84,44444 83,09302 81,36514 78,60438 75,11965 71,44185 67,30072 62,65762 57,0975 52,1262 46,67226 35,34929 1,409338 0,48265 0,366814 0,106183 0,009653
h=67 cm I[cd] α[°] E[lux] I[cd] 0,001738 -90 0 0 0,010425 -85 0,057918 0,005783 0,034751 -80 0,241325 0,024098 0,043439 -75 0,357161 0,035665 0,188523 -70 3,793629 0,378817 3,263969 -65 32,48235 3,243557 3,932922 -60 39,98273 3,992515 4,388157 -55 44,37484 4,431094 4,819067 -50 48,19743 4,812802 5,246502 -45 52,24204 5,216681 5,702606 -40 55,90052 5,582003 6,136123 -35 59,44317 5,935758 6,474943 -30 62,51283 6,242281 6,797256 -25 65,50526 6,541093 7,079607 -20 67,7158 6,761828 7,313306 -15 69,76223 6,966177 7,478372 -10 71,19088 7,108836 7,6 -5 72,13687 7,203299 7,654732 0 72,67744 7,257278 7,658208 5 72,51334 7,240892 7,6 10 71,96312 7,185949 7,478372 15 70,631 7,052929 7,322862 20 68,81624 6,871714 7,074394 25 66,43195 6,633628 6,760768 30 63,58431 6,349275 6,429767 35 60,36986 6,028293 6,057064 40 56,45074 5,636945 5,639186 45 52,2903 5,2215 5,138775 50 47,81131 4,774246 4,691358 55 43,31301 4,325064 4,200503 60 38,59269 3,853712 3,181436 65 25,50323 2,54665 0,12684 70 1,534827 0,153262 0,043439 75 0,347508 0,034701 0,033013 80 0,212366 0,021206 0,009556 85 0,019306 0,001928 0,000869 90 0 0