Подписка на новости

Опрос

Какие лампы Вы используете для домашнего освещения?

Реклама

2012 №5

Контроль теплового режима кристаллов в светодиодных лампах

Дохтуров Всеволод

Смирнов Серафим


Приведена оценка методов контроля теплового режима кристаллов полупроводниковых светодиодов в типовой конструкции лампы синего и белого цвета. Показано, что наиболее корректным является бесконтактное измерение рабочей температуры p-n-перехода кристаллов оптическим методом, путем контроля температурного смещения максимума спектра излучения или по изменению ширины полосы излучения на уровне 0,5 от ее максимума.

Температура кристаллов СД является важнейшей характеристикой, определяющей эксплуатационную надежность светодиодных осветительных устройств [12]. Для достижения высокой долговечности желательно ее снижение, но это влечет за собой увеличение стоимости и массо-габаритных показателей лампы. Поэтому важно найти оптимальное компромиссное решение проблемы.

Температура кристалла определяется не только его свойствами, но и способом крепления и охлаждения в конструкции светодиодной лампы. Любые отклонения в технологии сборки могут привести к катастрофическим отказам. Поэтому обязательной операцией в производстве ламп является 100%-ный контроль качества крепления кристалла по температуре p-n-перехода. Так как количество полупроводниковых источников света в лампе может изменяться в широких пределах (от одного до десятков и сотен штук), массовый контроль этих ламп вызывает большие трудности и требует существенных материальных затрат. В промышленном производстве для контроля температуры найдены устройства, в принцип работы которых положена регистрация прямого падения напряжения на p-n-переходе полупроводникового кристалла [2]. Однако эти устройства малоприменимы для измерения температуры светодиодов в лампах, поскольку все они объединены в одну электрическую схему с чередованием параллельного и последовательного их включения. В этом случае более эффективно использование устройств, измеряющих температуру кристалла путем регистрации теплового инфракрасного излучения [2]. Но их применение затруднено, когда на поверхности кристалла нанесен слой светопреобразующего люминофора или сформирована фокусирующая излучение линза из силикона, так как они не дают информации о температуре самого p-n-перехода.

Поэтому, на наш взгляд, наиболее эффективно для контроля температуры p-n-переходов кристаллов в светодиодных лампах применение устройств, измеряющих ее путем регистрации температурной зависимости спектра рекомбинационного излучения, а именно длины волны излучения и полуширины полосы излучения [34]. При этом для выявления дефектов, возникших при сборке ламп, не требуется измерение температуры, а необходимо зарегистрировать лишь аномальные отклонения в спектре излучения. Как правило, все светодиоды для отдельной партии ламп берутся также из одной партии и по электрическим и оптическим характеристикам практически не отличаются друг от друга. Поэтому для контроля теплового режима светодиодов по спектральным характеристикам необходимо сравнить характеристики светодиода из какой-либо использованной партии, находящегося в «идеальном» тепловом состоянии, со спектральными характеристиками диодов в конструкции лампы. При измерениях теплового сопротивления и температуры полупроводниковых светодиодов оптическими методами проводят, как правило, сравнение спектра излучения в импульсном и непрерывном режиме питания. Но в условиях производства ламп для упрощения процесса контроля можно использовать в качестве спектра сравнения спектр излучения светодиода КИПД154 из текущей партии, размещенного на одиночном тепловом радиаторе с применением теплоотводящей пасты.

Для регистрации спектров излучения кристаллов в лампе мы использовали устройство (рис. 1), содержащее: спектрометрический приемник типа USB2000; оптическое волокно, передающее оптическое излучение от светодиода к USB2000; шаблон с координатными отверстиями для стыковки волокна со светодиодом. Шаблон позволяет устранить перемещение оптического волокна над контролируемыми светодиодами. С целью уменьшения влияния соседних диодов на результаты измерений шаблон изготавливают из непрозрачного и плохо отражающего световое излучение материала, например текстолита. В данной работе мы приводим результаты контроля теплового режима светодиодной лампы производства ОАО «НИИПП». Типовая конструкция лампы (ЛПК-220) представлена на рис. 2 и состоит из алюминиевого корпуса, на котором размещена плата с пятью светодиодами белого света типа КИПД154А в корпусе К2. Внутри полого корпуса расположен драйвер, обеспечивающий стабилизированный рабочий ток в 350 мА при прямом падении напряжения на каждом светодиоде 3,2–3,4 В. Для измерения температуры каждого светодиода из текстолита толщиной 5 мм изготовлен шаблон, в котором выполнены отверстия диаметром 2 мм. Шаблон накладывается на плату лампы сверху таким образом, чтобы световыводящая область СД располагалась непосредственно перед отверстием в шаблоне. При измерении температуры наконечник световода диаметром 2 мм от спектрометрометрического приемника типа USB-2000 поочередно вставляется в отверстия шаблона. Тепловой режим кристалла светодиода определялся по положению основного пика излучения СД и по полуширине спектра при длине волны 460–470 нм [5]. Критериями для определения дефектных светодиодов в лампах в мае-июне 2012 г. являлись увеличение длины волны максимума излучения КИПД154А более чем до 454,5 нм и увеличение ширины спектра излучения на уровне 0,5 от максимального значения более чем до 30 нм.

Устройство для измерения температуры кристаллов светодиодной лампы

Рис. 1. Устройство для измерения температуры кристаллов светодиодной лампы (1 — СД на плате; 2 — шаблон с координатными отверстиями; 3 — оптическое волокно с разъемами)
Конструкция исследуемой светодиодной лампы ЛПК-220

Рис. 2. Конструкция исследуемой светодиодной лампы ЛПК-220

Предложенный метод может быть использован и для определения температуры отдельных светодиодов в лампе. При этом температурный коэффициент уширения спектра излучения в 1,5 раза выше, чем температурный коэффициент смещения максимума. И, соответственно, точность измерения температуры p-n-перехода кристалла по уширению полосы излучения, определяемая, в основном, разрешающей способностью приемника USB2000, существенно выше и достигает величины ±15% (таблица).

Таблица 1. Результаты измерений температуры кристаллов в светодиодной лампе

Метод определения температуры Перегрев кристалла центрального СД относительно температуры окружающей среды — ΔТ, °С Перегрев кристалла центрального СД относительно периферийных СД — ΔТ, °С Температурный коэффициент, нм/К
По сдвигу максимума длины волны излучения кристалла СД 52 4 0,05
По полуширине спектра излучения кристалла 72,5 10 0,075
По изменению прямого напряжения 63 8  

Заключение

Проведенные исследования показали, что наиболее перспективным для контроля теплового режима многоэлементных светодиодных ламп является бесконтактный метод, основанный на использовании температурной зависимости максимума спектра излучения и полуширины синей линии излучения кристалла. Метод контроля позволяет выявить как дефекты сборки ламп, так и потенциально ненадежные светодиоды в лампе. Предложенный метод может быть использован также для измерения температуры кристаллов отдельных светодиодов в лампе. Точность измерений возможно повысить при использовании оптоволоконного фотоприемника с большей разрешающей способностью, например AvaSpec-3648.

Литература

  1. Мотойа А., Каи М., Манабе И., Шида С. Управление тепловым режимом светодиодных ламп // Полупроводниковая светотехника. 2011. № 4.
  2. Луценко Е. Температура перегрева активной области коммерческих светодиодов // Полупроводниковая светотехника. 2011. № 2.
  3. Смирнов С. В., Саврук Е. В., Гончарова Ю. С. Температурная зависимость спектров излучения светодиодов белого свечения на основе нитрида галлия и его твердых растворов // Доклады ТУСУР. 2011. № 2(24).
  4. Пат. на полезную модель № 116693 (РФ) Устройство для измерения температуры полупроводниковых источников света в осветительных устройствах / Ю. С. Гончарова, Е. В. Саврук, С. В. Смирнов // Заявка № 2011151030 от 14.12.11.
  5. Бадгудинов М. Л., Коробов Е. В., Лукьянов Ф. А. Спектры люминесценции, эффективность и цветовые характеристики светодиодов белого свечения на основе гетероструктур InGaN/GaN // Физика и техника полупроводников. 2006. Т. 40.

Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке