CC BY
28
УДК 628.9
РАЗРАБОТКА НОВЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ДЛЯ ВХОДНОГО КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА СВЕТОДИОДОВ
В.Р. ИВАНОВА
Казанский государственный энергетический университет
На основе изучения электрических и светотехнических характеристик разработан ряд показателей качества светодиодов для их входного контроля при производстве светильников и устройств световой рекламы. Намечены пути по дальнейшему сравнительному изучению информативности предложенных показателей.
Ключевые слова: маломощные светодиоды, показатели качества, коэффициент вариации, входной контроль.
Введение
Создание светодиодов белого цвета излучения стало возможным благодаря работам Накамуры из фирмы №сЫа (Япония), который в 1993-1995 годах создал научно-техническую базу для их производства [1]. С этого периода началось активное промышленное использование светодиодов для создания источников освещения, устройств декоративной, архитектурной подсветки и световой рекламы. Высоким темпам внедрения белых светодиодов способствует и то, что с каждым годом ведущие производители существенно увеличивают их светоотдачу при одновременном снижении стоимости.
Большой интерес, проявляемый к светодиодам со стороны коммерческих структур, привел к тому, что темпы их практического применения существенно опережают разработку целого ряда таких важных вопросов, как создание ГОСТа, оптимальное сопряжение с источниками питания, формирование базы нормативных показателей и др.
В этих условиях производители светодиодных ламп и прожекторов вынуждены, как правило, доверяться тем параметрам светодиодов, которые указываются в их технических паспортах производителями. Вместе с тем, многие из этих параметров, согласно литературе [2], являются завышенными. Все это указывает на то, что разработка информативных показателей светодиодов и их нормирование являются достаточно актуальной задачей.
В связи с изложенным в работе поставлена задача разработать и предложить целый ряд показателей качества светодиодов, предназначенных для их входного контроля.
Методика исследования
Исследования характеристик светодиодов проведены на установке, показанной на рис. 1. Она состоит из источников стабилизированного напряжения Б5-48 и СРИ-ЗОШОБ, миллиамперметра М1104, с пределом измерения от 5 мкА до сотен мА, и дополнительного микроамперметра М2004, с верхним пределом измерения 200 мкА, двух тумблеров, ограничительного резистора (Иогр), малогабаритного монохроматора (МОМ 1), цифрового мультиметра ОМЦ-20, люксметра ТКА-ПКМ и электротермометра серии 8803.
Основные методики, приемы измерения и некоторые результаты ранее были изложены в работах и апробированы на Международных конференциях [3© В. Р. Иванова
Проблемы энергетики, 2011, № 7-8
5]. Исследования проведены на маломощных (0,05-0,06 Вт) широко применяемых светодиодах белого, красного, оранжевого, синего и зеленого цвета излучения. В каждой серии опытов использованы от 5-7 до 35 светодиодов. Для определения каждого показателя светодиода разработаны специальные методики и приемы их измерения.
Т1
Рис.1. Лабораторная установка для исследования ИарактЁр№гик светодиодов
Полученные данные статистически обработаны.^При этом определяли среднее значение каждого показателя (М), его стандартное отклонение (о), а также коэффициент вариации (Су). Обработку и представление данных осуществляли на основе рекомендаций [6].
Результаты исследований
В результате проведенных исследований впервые в сравнительном плане изучены вольт-амперные характеристики (ВАХ) светодиодов разного цвета излучения. Показано, что крутизна ВАХ находится в пределах 80-180 мА/В. Показано, что ВАХ зеленых и синих светодиядойСс(СД)ьобладают меньшей крутизной, чем красных и белых. Эти данные создают основу для внедрения расчетных методов при оценке вариабельности оежима оаооты светодиодов при изменении напряжения питания и температуры ©йружающейсреды.
Установлено, что коэффициент вариации силы тока, а соответственно и светового потока, у качественных СД имеет значения не более ± 7-8%. К некачественным СД отнесены изделия с коэффициентом вариации силы тока более ±12%.
При разработке разных светодиодных устройств необходимы также сведения о пробивном напряжении светодиодов разного цвета излучения. Такие данные в литературе единичны и существенно занижены. Результаты исследований зависимости силы тока от обратного пробивного напряжения показаны на рис. 2.
Установлено, что у светодиодов значение обратного пробивного напряжения находится в пределах от 14 до 103 В. Наблюдается лишь небольшая зависимость ипроб от цвета излучения светодиода. Необратимый тепловой пробой СД при подаче прямого или обратного напряжения наступает при потребляемой мощности излучения порядка 1 Вт.
Электро 8
-I, мА
Рис. 2. Зависимость силы тока от обратного напряжения у светодиодов разного цвета излучения
В литературе [1, 2] приводятся значения срока службы СД при типовых режимах эксплуатации. Вместе с тем, имеется ряд устройств, например, световой рекламы, срок службы которых может быть ограничен до 5000-10000 ч. Это открывает возможность использования в таких устройствах силы тока в несколько раз большей номинального значения (рис. 3).
Рис. 3. Зависимость светового потока от силы тока: ДДД - оранжевые СД; 000 - красные СД
Как следует из рис. 3, при увеличении тока происходит почти пропорциональное увеличение освещенности объектов с последующим ее снижением при I более 75-100 мА. Отсюда следует, что эти значения тока могут быть взяты за предельно допустимые. Также установлено, что срок службы СД при запредельных значениях тока составляет не менее нескольких тысяч часов.
В результате проведенных исследований выработано более 20 информативных показателей для характеристики качества светодиодов, к основным из которых можно отнести следующие:
- номинальная сила тока при UmM. и его коэффициент вариации;
- рабочее напряжение питания и его коэффициент вариации;
- коэффициент крутизны прямой ветви ВАХ;
- сила тока, обеспечивающая максимальный световой поток;
- длина волны максимума излучения lmax и ее коэффициент вариации;
- ширина полосы пропускания по уровню 0,5 и ее коэффициент вариации;
- сила тока (при плавной ее подаче), вызывающая перегорание светодиода;
- мощность (прямая), при которой наступает тепловой пробой;
- освещенность и ее коэффициент вариации;
- температурный коэффициент прямого тока;
- температура катода при температуре окружающей среды 20 °С.
Дальнейшее исследования должны быть направлены на выработку
нормативных значений коэффициентов вариации предложенных показателей светодиодов и их биннирование по качеству. Такая нормативная база позволит внедрить систему входного контроля качества СД при производстве светодиодных светильников.
Выводы
Результаты проведенных исследований позволили предложить до 20 информативных показателей, из которой наибольшей информативностью обладает коэффициент вариации.
Установлена возможность эксплуатации ряда светодиодных устройств при силе рабочего тока в несколько раз больше номинального значения, что позволяет существенно увеличить их световой поток.
Summary
Based on the study of electrical and lighting characteristics of LEDs developed a number of indicators to assess their quality. It is intended to provide initial control of LEDs in the production of lighting devices and light commercials. The ways for further comparative study of information content of the proposed indicators.
Key words: low-power LEDs, quality indicators, the coefficient of variation, the input control.
Литература
1. Шуберт Ф.Е. Светодиоды / Пер. с англ. под ред. А.Э. Юновича. 2-е изд. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. 496 с.
2. Никифоров С. Исследования параметров светодиодов CREE XLamp XP-E / XP-G /XM/L // Полупроводниковая светотехника. 2011. № 2. С. 12-18.
3. Иванова В.Р. Разработка ряда критериев для характеристики качества светодиодов / В.Р. Иванова, Р.Х. Тукшаитов // Материалы докладов VII Международной научно-технич. конференции «Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики». Т. 1. Саранск: МГУ имени Н.П.Огарева, 2009. С. 14-16.
4. Иванова В.Р. Сравнительный анализ вольт-амперных характеристик маломощных светодиодов по результатам экспериментальных данных / В.Р. © Проблемы энергетики, 2011, № 7-8
Иванова, Р.Х. Тукшаитов // Материалы докладов IV Международной молодежн. науч. конференции студентов и аспирантов «Тинчуринские чтения». Т.1. Казань: КГЭУ, 2009, С. 225.
5. Тукшаитов Р.Х. Основные светотехнические характеристики маломощных светодиодов при повышенных значениях напряжения питания / Р.Х. Тукшаитов, В.Р. Иванова, Д.Р. Абдульменов // Сборник материалов XXIII Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий». Ч.1. Казань: Изд-во «Отечество», 2011. С. 36-38.
6. Тукшаитов Р.Х. Основы оптимального представления результатов статистических обработок на графиках, диаграммах и в таблицах. Казань: КГЭУ, 2006. 287 с.
Поступила в редакцию 17 мая 2011 г.
Иванова Вилия Равильевна - аспирант кафедры «Светотехника и медико-биологическая электроника» (СМБЭ) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел. 8 (843) 519-42-79. E-mail: kgeulight@mail.ru.
