Badania fotometryczne, kolorymetryczne oraz spektrofotometryczne diod LED.pdf

od 1%, natomiast przy częstotliwości powyżej 35 kHz zbliża

się do zera.. Wyniki badań wartości współczynnika ,,iV'

(głębokości tętnienia) w zakresie zmian częstotliwości

prądu zasilania od 50 Hz do35kHz przedstawiono na

rysunkach 10, 11. W każdej grupie badanych świetlówek

wartość współczynnika tętnienia jest wartością średnią

próby. Otrzymane wyniki badań wskazują:

- Wartość współczynnika tętnienia jest skorelowana

proporcjonalnie z temperaturą barwową świetlówki (im

wyższa temperatura barwową tym większa wartość

współczynnika ,,iV').

- Istotne znaczenie dla kształtowania się wartości

współczynnika ,X' w funkcji zmian częstotliwości mają

związki o własnościach fosforyzujących (rozdz.2)

- Istotne różnice współczynnika tętnienia światła „vf

występują przy niższych częstotliwościach, natomiast

zanikają przy wyższych częstotliwościach.

Przy częstotliwości prądu zasilania 150 Hz tzn

(częstotliwości tętnienia 300 Hz) wartość współczynnika „n/ 1

dla każdego rodzaju świetlówki przekracza wartość 0,37.

mienność wartość współczynnika tętnienia światła ,X'

przy zasilaniu lampy prądem o częstotliwości w zakresie 50

Hz do 0,6 kHz najlepiej opisuje wielomian pierwszego

stopnia, natomiast w zakresie zmian częstotliwości prądu w

obwodzie

Rys. 11. Wartość współczynnika „W w funkcji częstotliwości prądu

zasilającego i temperatury barwowej klasy 90

lampy

powyżej

0,6 kHz funkcja typu

LITERATURA

[1] Banach M.: Tętnienie światła WNT W-wa 1970 r.

[2] Bąk J., Pabiańczyk W.: Podstawy techniki świetlnej.

PL Łódź 1994 r.

[3] Eisberg R.: Fizyka kwantowa PWN W-wa 1983 r.

[4] Godlewski J.: Generacja i detekcja promieniowania optyc-

nego. PWN W-wa 1997 r.

[5] Haken H., Wolf H.: Atomie and Ouantum Physics Berlin.

Spinger 1987 r.

[6] Key T.: Costs and benefits of harmonie current reduktion for

switch-mode power supplies in a commercial office buldings.

Conf. Orlando'95

[7] Mayer Ch.: Discharage lamps Deventer Antwerpen 1988 r.

[8] Różowicz A.: Układy pracy lamp fluorescencyjnych. Konf.

Inżynieria elektryczna w budownictwie" Kraków '97

[9] Różowicz A.: Zagadnienie harmonicznych prądu i napięcia w

stosowanych układach pracy lamp fluorescencyjnych. Konf.

Lumen 01" Myczkowce '01

[10] Soo Yeon Seo, Kee-Sun Sohn: Optimalization of

Gd 2 O 3 - Based Red Phosphors Using Combinatorial Chemis-

try Method. Journal of the Electrochemical Society. 149. 2002.

wykładniczego.

Przy częstotliwości zasilania 20 kHz i więcej wartości

współczynnika ,,iV' są znacznie mniejsze od 0,1 i nie zależą

od temperatury barwowej ani rodzaju luminoforu.

Autor: dr inż. Antoni Różowicz, Politechnika Świętokrzyska

Samodzielny Zakład Urządzeń Elektrycznych i TWN, al. Tysiąclecia

Państwa Polskiego 7, 25-314 Kielce,

tel. 3424243, e-mail:

30 ' IkHzJ 35

rozowicz@tu.kieice.pl

Rys.10. Wartość współczynnika „w" w funkcji częstotliwości prądu

zasilającego i temperatury barwowej świetlówek klasy 80

Zbigniew SIEMION

Politechnika Białostocka, Wydział Elektryczny, Katedra Promieniowania Optycznego

Badania fotometryczne, kolorymetryczne oraz

spektrofotometryczne diod LED

Streszczenie. W pracy przedstawione zostały metody przeprowadzania pomiarów podstawowych parametrów fotometrycznych i kolorymetrycznych

diod LED. Zaprezentowane zostały także wyniki pomiarów wybranych diod LED.

Abstract. (Photometric, colorimetric and spectroradioometric LED measurements). In the paper methods of measuring the morę commonly

measured LED photometric, colorimetric and spectroradiometric optical parameters are described. The results of the measurements are presented.

Słowa kluczowe: dioda LED, pomiary fotometryczne.

Keywords: LED, photometric measurements.

Wstęp

i Y r*

Typowymi, podawanymi w katalogach, parametrami

/~i+lni"i_«-\nti //->-7n\ /r*-ii r\ \r\rA i CP\

|~/wua.vvcii jy i MI

Promieniowanie optyczne emitowane przez diody LED

świetlno-optycznymi diod LED są

r><^ •

tj i —

może być scharakteryzowane przy użyciu wielkości

radiometrycznych, fotometrycznych, kolorymetrycznych i

spektroradiometrycznych.

rozkład kątowy emitowanego promieniowania,

kąt połówkowy 0y 2 ,

długość fali dominującej AD ,

PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY R. 80 NR 5/2004

455

• j p*-'»» y i ui,

- długość fali dla maksymalnej wartości natężenia

napromienienia A p ,

- widmowa szerokość połówkowa A2 ,

- światłość maksymalna /.

Parametrami często nie podawanymi przez

producentów w katalogach, a jednak istotnymi z punktu

widzenia zastosowań diod LED są:

- współrzędne trójchromatyczne barwowe np. w układzie

x, y CIĘ 1931,

rozkład widmowy emitowanego promieniowania,

całkowity strumień świetlny <t>,

- temperatura barwowa,

skuteczność świetlna,

wskaźnik oddawania barw.

Fotometr pierwszy zalicza się, z punktu widzenia wartości

/';, do przyrządów najwyższej klasy. Jednak w przypadku

zastosowania ich do pomiarów diod LED emitujących

promieniowanie barwy czerwonej lub niebieskiej wartość

błędu niedopasowania widmowego będzie wielokrotnie

większa, co ilustruje rysunek 2 [1]. Tego rodzaju głowice

fotometryczne nie powinny być stosowane do dokładnych

pomiarów fotometrycznych diod LED.

Podobna sytuacja ma miejsce w przypadku

kolorymetrów szerokopasmowych. Krzywe czułości widmo-

wej poszczególnych torów pomiarowych przykładowego

kolorymetru przedstawiono na rysunku 3. Błędy niedopa-

sowania widmowego tego kolorymetru wynoszą: f v = 7,6 %,

f y = 3,8 %, /'- = 7,7 %. Tego rodzaju głowica kolory-

metryczna nie powinna być stosowana w celu wykonania

dokładnych pomiarów kolorymetrycznych diod LED.

Pomiary przy użyciu fotometrów i kolorymetrów

szerokopasmowych

Metody pomiarowe stosowane przy wyznaczaniu

parametrów świetlno-optycznych LED różnią się od metod

pomiarowych stosowanych przy charakteryzowaniu

klasycznych źródeł światła, ponieważ diody LED różnią się

od powszechnie stosowanych obecnie źródeł światła

rozmiarami, wartością strumienia świetlnego, składem

widmowym oraz rozkładem przestrzennym promieniowania.

2,0

£1,5

o 1,0

•c

t W A C

$ 0,5

s.f/ó

1.0E+00

0,0^

400

o> 1.0E-01

I; 1.0E-02

* 1.0E-03

1 1.0E-04

* 1.0E-05

1.0E-06

380 430 480 530 580 630 680 730 780

długość fali [nm]

450

500

550

600

650

700

dłuaośćfali Tnml

Rys. 3. Względne charakterystyki czułości widmowej

poszczególnych torów pomiarowych kolorymetru S„(X), S y (X) S Z (A.)

oraz krzywe wymaganej czułości widmowej x(A), y(d), z(A)

W związku z tym, że diody LED są wąskopasmowymi

źródłami promieniowania optycznego, pomiary ich

parametrów mogą być przeprowadzane przy użyciu

szerokopasmowych fotometrów lub kolorymetrów, jedynie w

przypadku dokładnego widmowego skorygowania fotometru

lub kolorymetru w tym zakresie, w którym dioda LED

emituje promieniowanie optyczne.

-*- obserwator normalny —»- fotometr 1 -»- fotometr 2

Rys. 1. Względna charakterystyka czułości widmowej obserwatora

normalnego (\Ą) i przykładowych fotometrów

Bardzo istotną sprawą, przy tego typu pomiarach, jest

odpowiednie widmowe skorygowanie detektora (głowicy

fotometrycznej). W przypadku, gdy dioda LED nie emituje

promieniowania o składzie widmowym pokrywającym cały

zakres (od 380 nm do 780 nm) szerokopasmowej głowicy

fotometrycznej należy mieć pewność, czy dla barwy którą

mierzymy, głowica jest dokładnie skorygowana widmowo.

Na podstawie informacji o wartości błędu f-i, mówiącej o

jakości głowicy fotometrycznej, nie można powiedzieć

niczego o jakości pomiarów wąskopasmowej diody LED.

Pomiary światłości

Ze względu na małe rozmiary dioda LED jest traktowana

jako punktowe źródło światła. Jednak często się zdarza, że

odległość pomiędzy obudową diody LED i detektorem

promieniowania optycznego jest względnie mała i natężenie

oświetlenia wytwarzane na powierzchni detektora przy

różnych odległościach LED nie spełnia prawa odległości

kwadratów. W takiej sytuacji mamy do czynienia z

warunkami pomiarowymi pola bliskiego. W przeciwnym

przypadku tj. wtedy gdy odległość pomiędzy obudową diody

LED i detektorem promieniowania optycznego jest odpo-

wiednio duża to prawo odwrotności kwadratów jest

spełnione i mamy do czynienia z warunkami pomiarowymi

pola dalekiego.

złącze

390

440

490

540

590

640

690

740

długość fali [nm]

- fotometr 1 - fotometr 2

Rys. 2. Względne niedopasowanie widmowe przykładowych

fotometrów [1]

Rys. 4. Rozkłady kątowe promieniowania emitowanego przez diody

LED o różnych konstrukcjach gdzie a) dioda powierzchniowa bez

soczewki (rozkład Lambertowski, b) dioda z soczewka

hemisferyczną, c) dioda z soczewka paraboliczną [2]

Fotometry, których krzywe czułości widmowej zostały

przedstawione na rysunku 1 charakteryzują się wartościami

błędu/'; = 1,24 % (fotometr 1) i/', = 2,26 % (fotometr 2).

W warunkach pola dalekiego pomiar światłości i

natężenia oświetlenia diody LED jest przeprowadzany

456

PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY R. 80 NR 5/2004

analogicznie jak w przypadku mierzenia lamp żarowych pod

warunkiem, że oś geometryczna diody LED pokrywa się z

jej osią optyczną (rys. 4). Jednak pojawiające się dosyć

często błędy technologiczne w wykonaniu LED, powodują

że oś geometryczna diody i jej oś optyczna nie pokrywają

się (rys. 5).

pochodzącym od źródła wzorcowego. Dioda LED powinna

zostać umieszczona w kuli całkującej. Ponadto należy

zadbać o to, aby badana i wzorcowa dioda LED

charakteryzowała się podobnym rozkładem przestrzennym i

widmowym emitowanego promieniowania optycznego.

Pomiary spektrofotometryczne

Pomiar rozkładu widmowego określonej wielkości

radiometrycznej diody LED powinien być wykonywany

zgodnie z zaleceniami CIĘ [4]. Pomiar ten polega na

porównaniu źródła badanego ze źródłem odniesienia,

którego rozkład widmowy mierzonej wielkości jest znany.

Przy pomiarze rozkładu widmowego strumienia

świetlnego dioda LED powinna zostać umieszczona w kuli

całkującej. Używany do tego rodzaju pomiarów

spektroradiometr powinien charakteryzować się zdolnością

rozdzielczą lepszą od 1 nm.

Pomiar rozkładu widmowego promieniowania

optycznego emitowanego przez diodę LED może zostać

wykonany przy użyciu spektroradiometrycznego stanowiska

pomiarowego złożonego z:

monochromatora OL 750-D produkcji firmy Optronic

Laboratories USA z kulą całkującą na wejściu,

kontrolera sterującego monochromatorem,

- detektora OL 750 HSD-310 PMT,

komputera PC służącego do zbierania danych

pomiarowych.

Wzorcowanie tego stanowiska odbywa się, przy użyciu

wzorcowej lampy halogenowej o znanym energetycznym

rozkładzie widmowym.

oś_geometryczna

oś optyczna

Rys. 5. Rozkład kątowy promieniowania emitowanego przez diodę

LED w przypadku, gdy jej oś geometryczna nie pokrywa się z osią

optyczną

Zarówno w przypadku geometrii pomiarowej A jak i

geometrii pomiarowej B detektor pomiarowy powinien mieć

kołową aperturę wejściową o średnicy 11,3 mm. Ponadto oś

geometryczna diody LED powinna przechodzić przez punkt

będący środkiem apertury wejściowej detektora (rys. 6).

Warunki A i B różnią się między sobą przyjętą przy

pomiarach odległością d diody LED od detektora. W

przypadku geometrii pomiarowej typu A odległość ta wynosi

316 mm, a w geometrii pomiarowej typu B odległość ta

wynosi 100 mm.

A i / LE D

B .

DŚ_ geometryczna

detektor

O.OE+OO

Rys. 6. Warunki geometryczne pomiaru światłości według zaleceń

CIĘ [3]

380 430 480 530 580 630 680 730 780

długość fali [nm]

Pomiary strumienia świetlnego diod LED

Pomiaru strumienia świetlnego diody LED dokonuje się

przy użyciu fotometrycznej kuli całkującej (lumenomierza),

metodą goniofotometyryczną lub spektrofotometryczną.

-10mA •

- 20mA •

- 30mA •

-40mA

Rys. 8. Rozkład widmowy promieniowania diody GL5EG43 o

barwie zielonej w zależności od wartości natężenia prądu pracy

480

580

680

780

długość fali [nm]

Rys. 7. Ilustracja zasady pomiaru strumienia świetlnego z

wykorzystaniem lumenomierza: 1 - kula fotometryczna, 2 -

przesłona, 3 - ogniwo fotoelektryczne, 4 - filtry korekcyjne, 5 -

konwerter I/U, 0„ - mierzony strumień świetlny

-10mA •

- 30mA -

-SOmA

- SOmA

Rys. 9. Rozkład widmowy promieniowania diody o barwie białej w

zależności od wartości natężenia prądu pracy

Pomiar strumienia świetlnego za pomocą lumenomierza

(rys. 7) należy do metod porównawczych. Porównuje się

badany strumień świetlny ze strumieniem świetlnym

W czasie pomiarów należy zapewnić stałą wartość

natężenia prądu przewodzenia diody LED. W normalnych

warunkach pracy jakość emitowanego przez diodę LED

PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY R. 80 NR 5/2004

457

W celu uniknięcia niepewności pomiarowej związanej z

warunkiem pola bliskiego i zapewnieniu porównywalności

parametrów różnych diod, CIĘ wprowadziła pojęcie

„uśrednionej światłości diody LED" i określiła dwie

geometrie (A i B) pomiaru światłości [3]. Według zaleceń

CIĘ powinny być one oznaczane jako / LE D

promieniowania optycznego w dużej mierze zależy od

wartości natężenia prądu jej pracy (rys. 8, rys. 9). Ponadto

należy zapewnić właściwą stabilizację temperaturową

układu pomiarowego, ponieważ zachodzi duży wpływ

temperatury na charakterystykę widmową diody LED [5].

Tabela 1. Temperatura barwową i ogólny wskaźnik oddawania

barw diody o barwie białej w zależności od wartości prądu pracy

/,[mA]

T, [K]

tf„

12000

13095

14821

19028

2,5

2,0 -

1,5 -

1,0 -

0,5

0,0

Na rysunkach 12 i 13 przedstawiono zmianę wartości

współrzędnych x, y diod LED emitujących światło o barwie

białej i zielonej w zależności od prądu pracy.

0,58 -

— ,

10 m/*

30 40

prąd [mA]

x x

40 mA

Rys. 10. Wartość strumienia świetlnego diody emitującej

promieniowanie o barwie białej w zależności od wartości natężenia

prądu pracy

r\ cn

15 i

0,40

0,42

0,44

0,46

0,48

0,50

10-

5 -

Rys. 13. Współrzędne x, y diody emitującej promieniowanie o

barwie zielonej w zależności od wartości natężenia prądu pracy

30 40

prąd [mA]

Podsumowanie

Dokładne pomiary parametrów fotometrycznych i

kolorymetrycznych diod LED wymagają stosowania metod

spektroradiometrycznych i nie powinny być wykonywane

przy użyciu fotometrów i kolorymetrów szerokopasmowych.

Przedstawione wyniki pomiarów pokazują silną

zależność parametrów fotometrycznych i kolory-

metrycznych diod LED od wartości natężenia prądu pracy.

Należy zwracać na to szczególną uwagę w zastosowaniach

diod LED w technice świetlnej.

Rys. 11. Skuteczność świetlna diody emitującej promieniowanie o

barwie białej w zależności od wartości natężenia prądu pracy

Na podstawie danych pochodzących z pomiaru

spektroradiometrycznego można również obliczyć

parametry kolorymetryczne badanej diody LED, takie jak

współrzędne x, y (np. w układzie CIĘ 1931), temperaturę

barwową 7 C , ogólny wskaźnik oddawania barw R a .

O,2

0.4

0,6

0,8

LITERATURA

[1] Fryc l., Analiza zależności opisującej jakość dopasowania

fotometru do czułości widmowej ludzkiego oka, Materiały VI

Krajowego Sympozjum Kolorymetrycznego, Białystok -

Białowieża 4-6 czerwca 2003, 169-178

[2] Bahaa E. A. Saleh, Malvin Carl Teich, Fundamentals

of photonics, John Wiiey & Sons, Inc. 1991

[3] Publikacja CIĘ No 127, Measurement of LEDs, 1997

[4] Publikacja CIĘ No 63, The spectroradiometric measurement of

light sources, 1984

[5] Siemion Z., Fryc L, Wpływ temperatury na parametry

kolorymetryczne promieniowania optycznego emitowanego

przez diody LED, Materiały VI Krajowego Sympozjum

Kolorymetrycznego, Białystok - Białowieża 4-6

Rys. 12. Współrzędne x, y diody emitującej promieniowanie o

barwie białej w zależności od wartości natężenia prądu pracy

czerwca

2003, 131-138

W tabeli 1 przedstawiono wartości temperatury

barwowej i ogólnego wskaźnika oddawania barw diody LED

emitującej promieniowanie o barwie białej w zależności od

wartości natężenia prądu pracy.

Autor: mgr inż. Zbigniew Siemion, Politechnika Białostocka,

Wydział Elektryczny, ul. Wiejska 45 D, 15-351 Białystok

458

PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY R. 80 NR 5/2004

11001

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: