Caracteristicile fotometrice (ușoare) ale LED-urilor
Fotometria este măsurarea luminii în spectrul vizibil. Aceasta este o parte a spectrului de lumină care corespunde aproximativ lungimilor de undă de 380-770 nm și este vizibilă cu ochiul liber al observatorului "mediu". Există multe cantități fotometrice, cum ar fi luminozitatea (1 nit = 1 cd / m 2 sau 1 stilb = 1 cd / cm 2), iluminare (1 lux = 1 lm / m 2) etc. Toate acestea se bazează pe două standarde fotometrice de bază: fluxul luminos și intensitatea luminoasă.
Fluxul luminos este măsurat în lumeni. 1 lumen este definit ca fluxul luminii emise de o sursă punctuală cu o intensitate a luminii 1 candela în interiorul unghiului solid 1 steradian (1 lm = 1 cd × cp). Este important să înțelegem Steradianul determinare, care este unghiul solid (con) centrat în zona de rază r, care taie din aria suprafeței sferei r 2 (a se vedea. Fig.1). Suprafața sferei este 4 π r 2. Prin urmare, fluxul luminos total generat de o sursă de punct, cu o candela de o candelă, este de 4 π lumeni.
Fig.1 - unghiul solid Ω
Rezistența luminii este măsurată în candela. Candela definiție științifică este destul de dificil de percepție a imaginii „unitate a sursei de lumină punctiformă forță într-o direcție predeterminată, care emit radiație monocromatică cu frecvența de 540 × brumărel 12 Hz, intensitatea energetică a care în această direcție este 1/683 W / sr.“ Frecvența de radiație este de 540 x 12 octombrie corespunde Hz la o lungime de undă de 555 nm (emisie verde).
Pentru ușurința înțelegerii, se poate face referire la originea numelui "candela". Deci, o candela (tradusă din latină - "lumânare") este puterea luminii unei lumânări convenționale de ceară.
Pentru mulți, se pune întrebarea: de ce este măsurată intensitatea luminii în unele candele și nu în watți pe steradian? Da, puteți măsura intensitatea luminii în W / cm, iar experții fac câteodată, dar există un neplăcut. Dacă am inclus LED-uri albastre, verzi și roșii cu aceeași intensitate a luminii în W / c, LED-ul verde ar fi mai luminos. Faptul este că ochiul uman are o sensibilitate diferită la diferite lungimi de undă ale radiației. Dar mai mult despre asta mai târziu. Acum să trecem de la teorie la practică, adică la LED-uri.
Pentru a estima conversia candelei în lumeni, utilizați următoarea metodă:
1. Cunoașterea unghiului solid al LED-ului θ (unghiul dublu de jumătate de luminozitate) indicat de producător determină unghiul solid: Ω = 2 π (1 - cos (θ / 2)).
2. Calculați fluxul luminos: F = Iv × Ω, unde Iv este intensitatea luminii LED-ului.
Cu toate acestea, valoarea măsurată reală poate diferi de valoarea calculată datorită variațiilor distribuției spațiale a radiației LED. Acest lucru este deosebit de remarcabil în recalcularea modelelor de radiații asimetrice (de exemplu, LED-uri cu optică ovală) și indicatori ai LED-urilor foarte direcționale. Faptul este că nu există o metodă neechivocă de recalculare a intensității luminii pentru a determina fluxul luminos exact. Numai prin măsurarea directă a acestei cantități putem obține valoarea sa în lumeni cu o precizie ridicată.
Masurarea fotometrica a diodelor emitatoare de lumina poate fi mai mult decat un calcul folosind formule fizice stricte. Există mulți factori (nuanțe geometrice și electrice, diverse erori introduse în stadiul fabricării LED-urilor), ale căror variații pot afecta semnificativ proprietățile optice ale LED-urilor. Nu există nici două LED-uri identice, deci sunt necesare măsuri care vor spori semnificativ precizia măsurătorilor. Acestea includ, dar nu se limitează la:
▪ Luați în considerare deplasarea centrului optic al emisiilor de LED-uri față de centrul mecanic.
Când LED-ul este fixat în montarea setării de testare, se presupune că lumina emană din centrul său mecanic. Dar acest lucru nu este întotdeauna cazul (vezi Figura 2). Centrul optic este adesea deviat la 5 grade sau mai mult față de cel mecanic. Poate că aceasta nu este o problemă deosebită când instrumentele măsurate au un unghi larg de lumină, de exemplu 40 de grade sau mai mult. Dar pentru diodele cu emisie luminată cu un unghi strălucitor îngust, rezultatul poate fi diferit cu o cantitate semnificativă. Trebuie remarcat faptul că Comisia Internațională de Iluminare (CIE) recomandă utilizarea unei axe mecanice (și nu optice) a LED-ului în timpul măsurătorilor.
▪ Măsurați puterea luminii la un anumit interval de timp.
După ce puterea este aplicată LED-ului, temperatura de tranziție crește datorită consumului de energie (temperatura de tranziție a LED-ului poate fi definită ca Tj = Ta + (Vf × Dacă) × Rth (j-a)). Acest proces poate dura câteva secunde sau cu câteva minute înainte de debutul echilibrului termic, când ieșirea luminii ajunge la o valoare constantă. În același timp, o scădere a producției de lumină cu 5-20% sau mai mult este un fenomen comun. Această degradare nu este ireversibilă, iar ieșirea inițială a luminii va fi restabilită după dezactivarea energiei. În practică, atunci când se măsoară un număr mare de LED-uri, alegerea unui interval lung de timp între măsurători nu este acceptabilă. Cel mai adesea se stabilește un interval de aproximativ 5 secunde, în ciuda faptului că producția de lumină nu are timp să ajungă la o valoare stabilă.
▪ Asigurați-vă că temperatura ambiantă este constantă în timpul testării.
LED-urile schimbă luminozitatea și culoarea cu schimbările de temperatură. În cazul în care temperatura crește, producția de lumină este redusă, iar culoarea este, de obicei, mutată la partea cu unde lungi a spectrului.
▪ Utilizați întotdeauna o sursă de curent stabilizată.
Căderea de tensiune (Vf) de pe LED-ul poate fluctua de la instrument la instrument, deci dacă sursa de tensiune este o sursă de tensiune, LED-urile nu vor primi același curent.
▪ Folosiți condiții de testare ușor reproductibile.
Condițiile complexe (rigle specializate) pot fi potrivite pentru măsurătorile de laborator. Cu toate acestea, atunci când este necesar să se testeze un număr semnificativ de LED-uri cu diferite tipuri de carcasă, unghi luminos, culoare, etc. este nevoie de un sistem de măsurare care să poată fi reconfigurat rapid, asigurând alinierea identică a axelor mecanice și asigurând că senzorul vede întotdeauna același sector al conului de emisie.
▪ Asigurați-vă că toate echipamentele sunt corect întreținute și calibrate.
Fig. 2 - abaterea unghiului de iluminare
Caracteristicile radiometrice (energetice) ale LED-urilor
Radiometria este implicată în măsurarea radiației totale a luminii în toate intervalele optice (vizibile, infraroșii și ultraviolete). Unitatea de bază a puterii optice radiometrice este W (W). Watt este o valoare absolută care nu depinde de lungimea de undă. Un watt de lumină infraroșie poartă aceeași putere ca 1 watt de lumină vizibilă. Alte valori radiometrice măsurate sunt puterea energetică a radiației (W / cm), iluminarea energetică (W / m 2) și luminozitatea energetică (W / cm2). Principala metodă de măsurare a puterii optice totale se bazează pe utilizarea unui integrator sferic (a se vedea figura 3).
Fig. 3 - integrator sferic
Integratorul sferic măsoară lumina emisă de LED în toate direcțiile. În general, aceste măsurători sunt independente de unghiul strălucirii și nu sunt supuse erorilor unghiulare caracteristice testelor fotometrice. Cele mai utilizate sfere au fost diametre de la 75 la 150 mm. Dacă precizia măsurării este critică, se preferă un diametru mai mare, deoarece raportul dintre suprafața sferei și dimensiunea LED-ului nu este neimportant. Cu toate acestea, atunci când se măsoară diode emițătoare de lumină cu distribuție spațială diferită a intensității luminii, erorile sunt inevitabile. Principalul factor care face o greșeală în măsurători este localizarea LED-ului în sferă. Ultima specificație adoptată de CIE presupune că carcasa LED trebuie să fie complet în sferă - aceasta este așa numita măsurătoare "2 π" a fluxului luminos.
În timpul măsurătorilor radiometrice ale LED-urilor, trebuie respectate aceleași precauții ca și pentru fotometrie.
Caracteristicile colorimetrice (spectrale) ale LED-urilor
Colorimetria este o măsurare științifică și determinarea caracteristicilor de culoare ale LED-urilor. Parametrii colorimetrici ai LED-urilor sunt de obicei exprimați în termeni de cromaticitate sau lungime de undă. percepția culorilor umană este foarte dificilă, deoarece aceasta depinde nu numai de diferitele proprietăți fizice ale luminii, dar și pe obiectele din jur, proprietățile mecanice ale Emițătorul, răspunsul fiziologic al ochiului observatorului și starea lui psihologică. În 1931, Comisia Internațională pentru Iluminat (CIE) a măsurat reacțiile la culoarea câtorva mii de oameni și a introdus conceptul de "observator standard". Reacția unui astfel de observator abstract la culorile unui spectru diferit a fost descrisă prin tristimulus - trei curbe numite X, Y și Z (vezi Figura 4).
Sistemul tristimulus se bazează pe condiția ca fiecare culoare să fie o combinație de trei culori primare: roșu, verde și albastru. Schema de culori a CIE (a se vedea figura 5) este derivată din valorile tristimulus după cum urmează:
X = X / (X + Y + Z) sau X = Roșu / (Roșu + Verde + Albastru)
Y = Y / (X + Y + Z) sau Y = verde / (roșu + verde + albastru)
Deoarece (X + Y + Z) = 1, a treia axă este Z = 1 - (X + Y)
Fig. 4 - ordonate ale curbelor adiționale
(Valorile tristimulus spectrale CIE)
Fig. 5 - diagrama cromaticității CIE (1931g)
De obicei, coordonatele de culoare sunt determinate doar de axele X și Y. Dar dacă LED-ul nu este strălucire „alb“, majoritatea specificațiilor furnizate de producător, nu conțin coordonatele tricromatice, ci mai degrabă de vârf și lungimea de undă dominantă. Lungimea de undă dominantă este utilizată pentru a desemna culoarea în coordonatele CIE și este măsurată în nanometri (nm). Este, de fapt, culoarea care este percepută de ochiul uman. Lungimea de undă de vârf este lungimea de undă a intensității spectrale maxime. Valoarea maximă este ușor de determinat și, prin urmare, este cel mai frecvent parametru specificat de producătorii de LED-uri. Cu toate acestea, lungimea de undă de vârf are o valoare practică pentru zona minimă în intervalul de aplicații viziune umane percepute: două LED-uri pot avea aceeași lungime de undă de vârf, dar va fi apreciat de către o persoană ca având diverse culori.
În prezent, cea mai exactă metodă de măsurare a culorii este utilizarea unui spectroradiometru. Acest dispozitiv detectează și măsoară distribuția spectrală a puterii sursei de lumină, iar apoi se poate calcula matematic toate fotometrice, radiometrice și parametrii colorimetrice. Precizia determinării lungimii de undă a echipamentului nu trebuie să fie mai mică de 0,5 nm (de preferință 0,1 nm).
Așa cum am spus deja, există diverși factori care influențează rezultatul. Una dintre ele este temperatura. Pe măsură ce temperatura ambiantă crește, temperatura zonei active a LED-ului crește de asemenea și, în consecință, crește lungimea de undă a radiației LED. Această creștere are de obicei o valoare în intervalul 0,1-0,2 nm / ºC, în funcție de tipul de cristal utilizat. Unele LED-uri, de exemplu, lumina roșie, pot afișa, de asemenea, o dependență negativă de temperatură a lungimii de undă.
Caracteristicile goniometrice (unghiulare) ale LED-urilor
Goniometria este implicată în măsurarea caracteristicilor unghiulare ale LED-urilor. Goniometru - un dispozitiv care măsoară distribuția spațială a intensității luminii LED-ului (a se vedea figura 6). Esența acestei metode se bazează pe fixarea incrementală a valorilor de intensitate de lumină LED-uri în timpul rotației sale pentru un anumit unghi, care poate fi realizată prin deplasarea senzorului în jurul LED-uri sau LED-uri de înclinare în raport cu senzor fix. Sunt efectuate mai multe măsurători ale luminii pentru fiecare unghi, cu rotație de la 0 ° la 180 °. Ca rezultat, obținem profilul de radiație într-un singur plan. Deoarece majoritatea LED-urilor au o formă de lentilă circulară, cel mai adesea modelul de radiații (indicatrix) este simetric.
Fig. 6 este o diagramă a spațiului
distribuția intensității luminoase
Mulți producători de LED-uri oferă doar o astfel de diagramă ca o reprezentare grafică a unghiului de iluminare a LED-ului. Dar, așa cum am spus deja, abaterile în geometrie și erorile introduse în timpul producției de LED-uri pot afecta semnificativ proprietățile lor optice. Într-un mod bun, trebuie să efectuați scanări suplimentare și să efectuați măsurători în diferite planuri. În plus, unele LED-uri cu forme specifice (ovale sau eliptice) au două modele direcționale (de exemplu, 30º x 70º), astfel încât este necesar atât scanarea la 0º cât și la 90º. Dacă goniometrul nu este disponibil, puteți obține un model de radiații brute folosind un senzor de lumină, rotiți manual LED-ul sau senzorul și înregistrând nivelul de ieșire cu fixarea punctului de date. Cu toate acestea, această metodă poate fi foarte obositoare și consumatoare de timp.
Performanța LED sau testul de degradare
Ultimul subiect de discuție este principala caracteristică calitativă a LED-urilor, și anume durata lor de viață. Funcționare - este gravă, deoarece lămpile ard ... În plus, fluxul luminos al lămpii scade în timpul funcționării. Durata de viață - un parametru operațional cheie al surselor de lumină - reflectă atât aceste fapte neplăcute: distincția completă (până când unitatea va arde) și de viață utilă (până când fluxul luminos scade sub o anumită limită). La proiectarea unei soluții de iluminat, nu ar trebui să uităm despre funcționarea în continuare a sistemului de iluminat, în special, înlocuirea lămpilor. Înlocuirea frecventă a lămpilor în locuri greu accesibile poate transforma exploatarea într-un coșmar. Chiar mai mult cel mai rău caz scenariu - o operațiune pe termen lung a instalației bec, distrugând imaginea luminii, ceea ce este foarte important pentru instalațiile de iluminat arhitectural exterior. Sursele de lumină moderne sunt foarte diferite în ceea ce privește durata de viață. În cazul în care considerați că rapoartele mass-media, liderul absolut aici sunt diode emițătoare de lumină: becul ar trebui să se schimbe mai mult de 100 de ori, iar LED-urile arde și arde ...
Dar, în realitate, acest lucru nu este adevărat. Marea majoritate a diodelor de lumină de astăzi sunt degradate pentru câteva luni (mai mult în articolul nostru despre degradarea LED-urilor). Pentru a testa LED-uri pentru rata de degradare, este necesar să se respecte anumite criterii:
- menținerea stabilității modurilor de lucru ale diodelor emițătoare de lumină. În primul rând, este stabilizarea curentului de alimentare, a cărui permanență trebuie să aibă loc pe tot parcursul perioadei de testare;
- respectarea regimului de temperatură. În timpul perioadei de testare, temperatura substratului în locurile LED-urilor trebuie să fie constantă și să nu depășească temperatura maximă declarată de producător sau calculată pe baza proprietăților termice ale LED-urilor;
- respectarea tuturor măsurilor de precauție necesare la efectuarea măsurătorilor.
Din toate cele de mai sus devine evident că măsurarea luminii poate fi foarte inexactă în comparație cu măsurarea parametrilor electrici mai specifici (tensiune, curent, rezistență). Există mai mulți factori, cum ar fi culoarea, geometria instrumentului, precizia de aliniere a LED-ului în montarea unității de măsurare, temperatura etc. care poate duce la o eroare a măsurătorilor. Astfel de măsurători sunt mai mult legate de artă decât de știință. Precizia măsurării ± 5% este în prezent considerată standard și aplicabilă pe scară largă în industrie, dar cu atenție și atenție cuvenită este foarte posibil să se obțină ± 2,5%.