Теория светотехнических и электрических характеристик современных светодиодов и ее связь со спецификациями производителей

Самой распространенной и обобщающей единицей, характеризующей энергетические

параметры светодиода, является осевая сила светаI v [ cd ]. Однако эта величина абсолютно

не читаема, если не указать угол излучения Θ, по некоторому уровню от I v max. Обычно говорится об угле излучения по уровню половины максимальной силы света — Θ_{0,5 I v max} , хотя иногда указывают и силу света по уровню 0,1 I v max — Θ_{0,1 I v max} .

Совокупность двух параметров — угла излучения и осевой силы света — уже дает представление (хотя и очень грубое), в каком направлении распространяется и какой будет сила света при различных углах наблюдения. Для более точного определения величины силы света при любом угле наблюдения обычно приводится двухкоординатная плоская зависимость I v(Θ), часто называемая индикатрисой излучения (рис. 1).

Важной энергетической характеристикой излучения светодиода является световой поток F (lm), определяющийся как интеграл всей энергии, заключенной под пространственной индикатрисой излучения [1]. Именно этот параметр производители светодиодов часто указывают в спецификациях.

Рис.1. Индикатриса излучения светодиода с овальной линзой в полярных координатах. Изображены вертикальная (меньший угол) и горизонтальная (больший угол) плоскости излучения.

Особенно это касается мощных приборов с большим углом излучения и равномерным пространственным распределением, стремящимся к Ламбертовскому. Однако даже в этом случае невозможно достоверно оценить распределение светового потока внутри диаграммы и, соответственно, правильно оценить силу света светодиода. Подавляющее большинство простых математических пересчетов единиц, которыми пользуются потребители светодиодной продукции, оказываются абсолютно неверными и приводят к большой ошибке в проектировании энергетических характеристик устройств на светодиодах. Особенно это заметно при попытках пересчета несимметричных диаграмм направленности излучения (например, светодиодов с овальной оптикой) и индикатрис узконаправленных светодиодов.

Поэтому стоит остановиться на некоторых методах определения светового потока и связи его с другими фотометрическими единицами, потому как только непосредственным измерением этой величины можно с большой точностью получить ее значение.

Методы определения светового потока на основе малых сферических интеграторов (радиус сферы составляет порядка 300–400 мм) широко используются в электронной промышленности. При этом светодиод располагается во входном окне сферы. При измерениях светодиодов с разным пространственным распределением силы излучения можно получить большие ошибки, так как геометрия распределения освещенности на внутренней поверхности интегратора будет различной.

Классический подход к измерениям полного светового потока с помощью сферического интегратора — это размещение источника излучения в центре сферы. Но даже в этом случае связь с эталоном люмена, погрешности, связанные с неравномерностью спектральных и зонных характеристик внутренней поверхности сферы, требуют особого внимания. Поэтому наиболее перспективным (с точки зрения точности и информативности) является метод пространственного

сканирования силы света — гониофотометрический метод. Используемые для этих целей

приборы — гониометр с достаточным угловым разрешением и фотометрическая головка с известным коэффициентом преобразования.

Суть этого метода основана на пошаговой фиксации значений силы света при повороте светодиода на известный угол. Уменьшение погрешности измерений и получение наиболее

достоверного углового распределения возможно при минимальном значении шага угла поворота светодиода относительно фотометра (или наоборот). Современные гониофотометрические установки имеют шаг 3–10 угловых минут. Одновременно выполняются измерения осевой силы света и ее пространственное распределение. На основании этих данных рассчитывается световой поток.

Получение светового потока светодиода F с пространственным распределением силы света произвольной формы определяется с помощью индикатрис излучения большого числа плоскостей (nIv (Θ) при n → oo) и последующим вычислением среднего значения F [2].

Распределение светового потока внутри диаграммы направленности позволяет судить

о том, какая его часть попадет к наблюдателю в зависимости от угла его зрения.

Следует напомнить, что МКО 1931 г. регламентирует т.н. «стандартного колориметрического наблюдателя», угол зрения которого определен в 1 градус (рис. 2).

Это обстоятельство учитывается при выборе данного параметра светоизлучающего диода в зависимости от его назначения. Однако часто пользуются лишь индикатрисой излучения, что не всегда верно при расчетах восприятия изображения, необходимой его интенсивности на разных расстояниях от источника и размеров самого источника излучения.

Рис.2. Элементарный световой поток, заключенный в телесном угле dΩ

Применительно к экрану, табло или бегущей строке как к источнику излучения совокупности светодиодов, площадью которого нельзя пренебречь по отношению к расстоянию l до наблюдателя, не выполняется закон «обратных квадратов» [3]; используется другая единица, с помощью которой характеризуется энергетика излучения такого протяженного источника — яркость Y [ cd/m^2 ].

Яркость определяется как сила света источника c произвольным распределением излучения по отношению к площади его излучающей поверхности [4].

Эффективность излучателя света характеризуется отношением светового потока (lm) к потребляемой электрической мощности (W). Эта величина, называемая светоотдачей, для светодиодов из материалов типа A^IIIB^V стала больше, чем у ламп накаливания во всех основных цветах видимого диапазона. Современные светодиоды имеют эффективность, достигающую 20–30 lm/W, а КПД колеблется от 9–16% в приборах на основе нитрида галлия и его твердых растворов GaN, In_xGa_1–xN, Al_xGa_1–xN и до 25–55% — у светодиодов на основе гетероструктур из твердых растворов In_yAl_xGa_1–x–yP.

Помимо энергетических, светодиоды характеризуются колориметрическими характеристиками. Знание этих параметров особенно важно при формировании правильной цветопередачи изображения в любом устройстве отображения информации, при использовании в светосигнальной технике, при проектировании оттенков подсветки в архитектуре и т. д.

МКО 1931 г. установила трехкоординатную XYZ-систему обозначения цвета любого источника излучения (рис. 3).

Рис.3. Цветовой график МКО 1931 года.

Как уже отмечалось, светодиоды являются достаточно узкополосными (квазимонохроматическими) излучателями, полуширина спектров которых составляет всего 15–30 nm, что соответствует средней тепловой энергии электронов, поэтому координаты цветности их излучения лежат практически на линии «чистых» цветов локуса МКО 1931 г. Однако имеется и более простая единица, характеризующая цвет — доминирующая длина волныλ_dom, получаемая как результат пересечения прямой, проходящей через точку равноэнергетического источника

типа «Е» и точку с координатами цветности данного светодиода и локуса МКО 1931 г.

Именно ее указывают в технических характеристиках на светодиоды монохроматического излучения. Лишь отдельные фирмы, и NICHIA в их числе, указывают координаты цветности, что, по сути, правильнее. Но для устройств отображения информации, где важность цветопередачи изображения имеет очень высокий статус, этих характеристик зачастую оказывается недостаточно. Поэтому разработчики пользуются как правило, спектральными характеристиками светодиодов, преобразования которых могут позволить получить ряд параметров спектрального распределения излучения, позволяющих детально оценить возможность использования конкретного светодиода в формировании необходимого оттенка или

гаммы цветов.

Спектр излучения характеризуется, помимо указанных, такими характеристиками, как центральная λ_c и максимальная λ_max длины волн, полуширина спектра λ_1/2, интегральный коэффициент K [ lm / Wopt ] [5].

Здесь E(λ) — относительное спектральное распределение светодиода, V(λ) — относительная спектральная световая эффективность.

Так например, для получения высококачественного изображения на светодиодном экране, работающем по схеме формирования белого из трех основных цветов — RGB, необходимо, чтобы полуширина спектра источника каждого цвета была минимальна, что обеспечит высокую чистоту цвета поля изображения.

Рис.4. Типичные вольт-амперные характеристики светодиодов

Не менее важными также являются электрические характеристики светоизлучающих диодов. Это прямые и обратные вольт-амперные характеристики (рис. 4), зависимости прямого напряжения U_f и прямого тока I_f от температуры окружающей среды, люмен-амперные характеристики (зависимости интенсивности излучения от прямого тока через светодиод). По этим параметрам можно определить необходимые характеристики источников питания проектируемых устройств и рассчитать режимы оконечных устройств коммутации, нагрузкой которых будут используемые светодиоды.

Следует отметить, что все описанные выше характеристики светоизлучающих диодов находятся в непосредственной зависимости друг от друга, поэтому, как правило, лишь их совокупность позволяет правильно судить о тех или иных параметрах светодиода. Однако наиболее точно определить соответствие заявленным производителем параметров светодиода, его качество и долговечность можно лишь проведя комплекс измерений и расчетов его характеристик.

Рис.5. Зависимость потребляемой мощности Р_{di s} от прямого тока I_f и динамическое сопротивление R_din светодиодов. Зеленым цветом – на основе InGaN / AlGaN / GaN, красным – на основе AlInGaP/GaP

Рис. 6. Типичные обратные вольт-амперные характеристики светодиодов