CC BY
81
УДК 621.384.4
Ю. Н. Ведерников, И. А. Ермаков, Б. П. Папченко, А. Н. Пичугин, Е. В. Тараканов
ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКОЙ МОЩНОСТИ ИЗЛУЧЕНИЯ И ТЕМПЕРАТУРЫ ЧИПА УФ-СВЕТОДИОДА В ИМПУЛЬСНОМ РЕЖИМЕ
Исследована возможность работы УФ-светодиодов в импульсном режиме при повышенном рабочем токе и напряжении. Приведены результаты измерения оптической мощности излучения и температуры чипов УФ-светодиодов.
Ключевые слова: УФ-светодиод, импульсный режим, энергия излучения, температурное поле.
В настоящее время область применения светодиодных источников света очень широка. Успехи в разработке мощных УФ-светодиодов позволяют использовать их в системах фотокаталитической очистки, физиотерапии, при люминесцентном анализе, инициации химических реакций в высокоэнергетических веществах, а также в качестве средства бактерицидного воздействия [1].
При использовании светодиодов в некоторых специализированных устройствах, например при фотокаталитической очистке [2] или в системах инициации химических реакций [3, 4], для достижения желаемого результата в ряде случаев необходимо повышать оптическую мощность излучения. Наиболее простой и эффективный способ добиться этого — переход от непрерывного режима работы к импульсному. При этом следует учитывать соотношения таких связанных между собой параметров, как длительность импульса, частота, скважность и амплитуда тока.
В ходе проведенных авторами исследований были проанализированы светотехнические и температурные характеристики УФ-светодиодов NSHU591A, NSHU551A фирмы "Nichia Corporation" (Япония) в режиме одиночных импульсов при повышенном рабочем токе; паспортные параметры светодиодов: напряжение 4 В, ток 25 мА, максимальная мощность 8,5 мВт, максимальная рабочая температура 100 °С. В паспортных данных не приводятся эксплуатационные характеристики работы светодиодов в импульсном режиме, поэтому следует проводить собственные исследования.
Задача исследования состояла в определении зависимости мощности излучения (W) светодиодов от значений прямого импульсного тока (I) и напряжения (U) при разной длительности (t) электрического однократного импульса.
Исследования проводились с помощью пироэлектрической головки РЕ-50С, Ophir; тепловизора FLIR SC7000, FLIR System; цифрового осциллографа 3021B, Tektronix; генератора импульсов Г5-63 и источника питания PS-2403D. Схема подключения приборов представлена на рис. 1.
Результаты измерений оптической мощности излучения приведены в таблице.
t, мс U, В I, мА E, мкДж W, мВт
4 60 4,25 8,5
0,5 12 75 4,45 8,9
27 89 4,75 9,5
4 62 9,3 9,3
1 12 83 10,1 10,1
27 84 10,7 10,7
4 47 49 9,8
5 12 75 53 10,6
27 80 55,5 11,1
Как следует из таблицы, при увеличении длительности импульса от 0,5 до 5 мс и напряжения от 4 до 27 В, наблюдается 30 %-ное увеличение мощности импульса (с 8,5 до 11,1 мВт), что не приводит к потере работоспособности светодиода.
Рис. 1
Исследования температурных характеристик чипов светодиодов показали следующее: — в непрерывном режиме при и = 3,5 В и I = 25 мА чип нагревается до температуры Г^80 °С; температурное поле светодиода показано на рис. 2;
60,00 57,70 55,27 52,70
49.98 47,07 43,94 40,55 36,85 32,76 28,17 22,92
19.99 Т, °С
Рис. 2
— в импульсном режиме при и = 4 В, I = 80 мА и увеличении длительности импульса с 1 до 5 мс температура чипа светодиода возрастает с 240 до 310 °С; при данной длительности импульса кратковременное увеличение температуры чипа не приводит к потере его работоспособности;
— при U = 8 В, I = 0,32 А и t = 550 мкс мощность импульса составляет 9 мВт, а температура чипа достигает 65 °С (рис. 3, здесь по оси абсцисс отложена длительность импульса, пересчитанная относительно количества кадров в микросекунду);
Т, °с
3000
3080
3280 3360 t, кадр/мкс
3160 3220 Рис. 3
— при U = 20 В, I = 1,6 А и t = 200 мкс температура чипа светодиода превышает максимально допустимую, что приводит к выходу его из строя (рис. 4).
т, °с
340,00 320,00 300,00 280,00 260,00 240,00 220,00 200,00 180,00 160,00 140,00 120,00 100,00 80,00
0 200 400 600 800 1000 I, кадр/мкс Рис. 4
Таким образом, как показали исследования, при импульсном режиме можно повысить оптическую мощность излучения, не превышая температуру, при которой светодиод выходит из строя. При этом длительность, частота и скважность импульса могут изменяться в зависимости от практической задачи.
Статья подготовлена по результатам работы, выполненной по договору № 212186 между НИУ ИТМО и ОАО «НПП „Краснознамёнец"» (Санкт-Петербург) в рамках гос. контракта № 11411.1000400.16.032.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Li J., Hirota K., Yumoto H., Matsuo T., Miyake Y., Ichikawa T. Enhanced germicidal effects of pulsed UV-LED irradiation on biofilms // J. of Applied Microbiology. 2010. N 109. Р. 2183—2190.
2. Зайнишев А. В., Полунин Г. А. Перспективный способ очистки воздуха производственных помещений и кабин мобильных агрегатов от оксида углерода // Интернет-журнал „Технологии техносферной безопасности". 2012. Вып. 6 (46). [Электронный ресурс]: <http://ipb.mos.ru/ttb>.
3. WIPO Patent Application W0/2011/140549 [Электронный ресурс]: <http://www.sumobrain.com/patents/wipo/ Method-blasting/W02011140549.html>.
4. Optical Initiation of Explosives. detail/132136>.
Юрий Николаевич Ведерников Иван Андреевич Ермаков
Борис Петрович Папченко
Александр Николаевич Пичугин Евгений Васильевич Тараканов
Рекомендована кафедрой лазерной техники и биомедицинской оптики
Award Information [Электронный ресурс]: <http://www.sbir.gov/sbirsearch/
Сведения об авторах
— канд. техн. наук; ОАО «НИИ „Краснознамёнец"», Санкт-Петербург; ст. науч. сотрудник; E-mail: vedjrnik@mail.ru
— инженер; Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра лазерной техники и биомедицинской оптики;
E-mail: ermik89@mail.ru
— Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра лазерной техники и биомедицинской оптики; начальник НТО НИЧ;
E-mail: b.p.papchenko@gmail.com
— Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра лазерной техники и биомедицинской оптики; техник-метролог
— Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра лазерной техники и биомедицинской оптики; ведущий инженер
Поступила в редакцию 26.04.13 г.
