IES LM-85 обеспечит однородность требований к измерению и описанию параметров светодиодов повышенной яркости

В наши дни светодиоды, используемые в осветительных приборах (SSL) и требующие теплоотвода при нормальных условиях эксплуатации, относят к категории устройств с повышенной яркостью. Световой поток, цветность, температура или зависимость параметров от тока — все эти фотометрические характеристики светодиодов повышенной яркости, как и других видов светодиодов, несут очень важные данные, требующие от производителей или пользователей данного оборудования применения последовательных и надежных методов измерения и проверки. В стандарте IES LM-85 сформулированы методы измерения и описания параметров светодиодов с учетом фактической рабочей температуры компонентов светодиодных осветительных приборов.

Частично проблему точного описания параметров светодиодов связывают с высокой чувствительностью компонентов к рабочему температурному режиму, вследствие чего измерение их фотометрических характеристик представляет собой довольно сложную задачу. Несмотря на то, что светодиоды повышенной яркости применяются уже несколько десятков лет, сама эта отрасль по-прежнему нуждается в стандартах, которые позволили бы производителям и потребителям получить воспроизводимые результаты. Производители указывают фотометрические данные светодиодов повышенной яркости в листе технических данных, однако при сравнении измеренные пользователями показатели могут существенно отличаться от указанных в документации.

В современной практике фотометрических измерений производители, как правило, используют импульсный режим, обеспечивающий работу светодиодов высокой яркости без теплоотвода. Данный метод предполагает, что температура перехода не будет повышаться за счет протекающего в короткое время импульса тока и останется в пределах комнатной (в основном 25 °C). Следовательно, в большинстве опубликованных даташитов этих светодиодов указывается не воспроизводимое на практике значение температуры перехода в 25 °C.

Импульсный режим и режим постоянного тока

Учитывая, что светодиоды повышенной яркости в основном эксплуатируются в режиме постоянного тока, температура перехода может значительно превышать вышеназванные 25 °C. А при более высоких температурах светоотдача снижается из-за изменения характеристик светодиодов при тепловом воздействии. Обычно производители предоставляют потребителям температурные характеристики или сведения об изменении фотометрических характеристик данных устройств при различных температурах. Однако в большинстве случаев они составляются для температуры 25 °C, а листы технических данных могут и вовсе не содержать сведений для более высоких рабочих температур.

Стандартные методы измерения параметров светодиодов повышенной яркости, в частности, для более высоких температур отсутствуют. Несколько лет назад Комитет по методике проведения испытаний (TPC) Общества инженеров-светотехников (IES) сформировал рабочую группу, которая и занялась разработкой стандарта для нужд отрасли. В 2008 году Национальный институт стандартов и технологий (NIST) опубликовал исследование в области измерения фотометрических характеристик светодиодов повышенной яркости в режиме постоянного тока. В отчете о нем предложена методика проведения испытаний, а также дано сравнение результатов измерений с показателями, полученными в импульсном режиме.

Руководствуясь исследованием NIST и современным опытом в данной области, рабочая группа IES составила проект стандарта LM-85 «Методика измерения электрических и фотометрических параметров светодиодов повышенной яркости», где описаны методы получения точных измерений суммарных показателей светового потока, лучевого потока (мощность излучения), фотонного потока, электрической мощности, светоотдачи, цветности и спектральной характеристики данного вида светодиодов. Метод включает в себя светодиодные сборки и применяется для лабораторных измерений. Документ не распространяется на светодиодные схемы или модули, светодиодные источники света, светодиодные лампы и фонари, а также на светодиоды переменного тока и не применяется для проведения измерений по контролю качества или относительных измерений температурных характеристик светодиодов.

Температурные аспекты

Широко известно, что оптические характеристики светодиодов в основном зависят от температуры перехода. Следовательно, поддержание предустановленной температуры перехода как одно из условий получения воспроизводимых результатов, действительных для всех типов светодиодов, дает возможность достичь равнозначности результатов испытаний в импульсном режиме, проводимых производителями светодиодов, и испытаний в режиме постоянного тока, проводимых потребителями.

Стандарт LM-85 составлен на основании температуры перехода на уровне комнатной (25 °C) или любой другой температуры. В стандарте описаны подробные методы испытания в режиме постоянного тока и в импульсном режиме для получения абсолютных фотометрических характеристик светодиодов. Для импульсного режима работы далее описано, как проводятся измерения в моноимпульсном режиме или в режиме непрерывных импульсов.

В LM-85 отдельно указываются температура окружающей среды и рекомендации по термоустойчивости при измерении фотометрических характеристик, поскольку это необходимые условия точности измерений. Так, учитывая, что температура окружающей среды очень важна в случае, когда температура перехода установлена на ее основании, необходимо поддерживать ее в узких пределах. Если же она выходит за эти пределы, необходимо внести соответствующие поправки исходя из зависимости температурных характеристик светодиодов до достижения необходимых температурных условий.

При повышенной температуре, если необходимо измерить светоотдачу при более высокой температуре перехода, следует добиться выравнивания и стабилизации температуры светодиода до проведения измерений, независимо от того, используется ли термокамера либо регулируемый теплоотвод для повышения температуры или нет. Для использования термокамеры стандарт LM-85 устанавливает минимальный период термоустойчивости — 30 минут. Для регулируемого теплоотвода, в зависимости от теплоемкости или размера светодиодной сборки, термоустойчивость может составлять несколько минут.

Описание параметров в режиме постоянного тока

Метод измерения параметров в режиме постоянного тока требует размещения соответствующего светодиода на работающее охлаждающее устройство или теплоотвода с регулируемой температурой, например термоэлектрического охладителя (TEC). В зависимости от мощности TEC, если на нем установлена температура 25 °C, необходимо достичь состояния температурного равновесия светодиода, при котором температура перехода выровняется с температурой корпуса или панели в короткий промежуток времени. После достижения температурного равновесия на светодиод подается постоянный ток в форме ступенчатых или коротких импульсов. Далее необходимо измерить текущее прямое напряжение сразу после электрической стабилизации и до нагрева светодиода.

В период нагревания светодиода можно заметить реакцию снижения светоотдачи на протяжении нескольких микросекунд, а также изменения прямого напряжения. Методы измерения в режиме постоянного тока, предложенные в LM-85, обеспечивают работу светодиода на указанном уровне постоянного тока в процессе его нагревания, а также регулировку мощности ТЕС до наименьшего уровня температуры, причем прямое напряжение на светодиоде равно первоначальному напряжению, а температура перехода достигает температурного равновесия — приблизительно 25 °C. Измерения оптических показателей светодиода (радиометрические, фотометрические и колориметрические) проводятся с постоянным контролем мощности ТЕС и прямого напряжения. Измеренные результаты — показатели температуры перехода в 25 °C.

Если используются теплоотводы с регулируемой температурой или ТЕС, можно установить более высокую температуру перехода светодиода. Причем метод испытания в режиме постоянного тока, описанного в стандарте, можно также использовать для измерения фотометрических параметров светодиода при более высокой температуре перехода. Если прямой ток одинаковый при любой температуре, в результате такого измерения потребители могут получить результаты зависимости светоотдачи от температуры.

Описание параметров в импульсном режиме

Согласно методу измерения в моноимпульсном режиме, широко применяемому производителями светодиодов, на светодиод подается единичный импульс тока, а затем измеряются оптические показатели во время действия импульса. В принципе в таком режиме берется температура перехода светодиода, примерно равная температуре окружающей среды, при условии, что импульс короткий. Однако для измерения оптических показателей необходим определенный временной интервал. Если измерение длится слишком долго, температура перехода светодиода может значительно увеличиться.

В соответствии со стандартом LM-85 измерение оптических характеристик светодиодного излучения следует проводить в пределах длительности импульса. Ширина же импульса, в свою очередь, определяется скоростью используемого фотометрического или спектрорадиометрического измерительного прибора. Температура перехода светодиода может значительно увеличиваться в пределах длительности токового импульса. Рекомендуется также оценить и откорректировать увеличение температуры перехода или последующее снижение измеренной светодиодной отдачи.

Метод измерения в режиме сигнальных импульсов согласно LM-85 требует следующих действий:

• Выровнять температуру светодиода для нужной температуры перехода. Подать сигнальный импульс тока на светодиод и выждать время стабилизации, рекомендованное производителем светодиодов (как правило, 5 мс).
• Провести измерение оптических и электрических показателей в течение промежутка времени, рекомендованного производителем светодиодов (как правило, 20 мс).

В современной практике используется также измерение методом непрерывных импульсов. На светодиод подают непрерывные импульсы тока при коротком цикле нагрузки с определенной частотой и проводят измерение оптических параметров средневзвешенного сигнала подобно измерению в режиме постоянного тока. Поскольку цикл нагрузки короткий, ошибки при измерении оптических параметров в связи с увеличением температуры перехода не принимаются в расчет. Рекомендованный стандартом цикл нагрузки — 1% и меньше. Сам же метод измерения в режиме непрерывных импульсов требует следующих действий:

• Выровнять температуру светодиода для нужной температуры перехода.
• Подать непрерывный импульс и выждать необходимое время стабилизации (например, 100 мс).
• Измерить оптические и электрические показатели в течение определенного времени интегрирования или снять средневзвешенные показатели сигнала в устойчивом состоянии.

Согласно LM-85, для исключения ошибок необходимо установить время интегрирования (это целое число, кратное длительности импульсов). Далее следует разделить измеренные фотометрические и радиометрические показатели на текущий цикл нагрузки.

Оба импульсных режима позволяют измерить светодиодную отдачу при более высокой температуре перехода, используя термокамеру или регулируемый теплоотвод. При этом следует применять методы измерения в моноимпульсном режиме или в режиме непрерывных импульсов. Для светодиодных сборок с очень высокой термоустойчивостью можно использовать поправочный коэффициент, если импульс может вызвать повышение температуры перехода и, следовательно, стать причиной снижения светоотдачи. В стандарте LM-85 приведены примеры термической модели светодиодов, с помощью которых можно рассчитать соответствующий поправочный коэффициент, если известно поведение светодиода при температурной нагрузке.

Стандарт LM-85 «Методика измерения электрических и фотометрических параметров светодиодов повышенной яркости», будучи основой последовательных надежных и воспроизводимых методов, позволит потребителям оценивать фотометрические характеристики светодиодов, которые будут приближены к сведениям, указанным в листах технических данных, предоставленных производителями. Введение стандартной методики может способствовать получению абсолютных фотометрических параметров светодиодов повышенной яркости, что, как и в случае с другими источниками света, послужит точной оценке и стандартизации светодиодов, а также расширит возможности контроля со стороны NIST.