7. Исследование характеристик светодиодных матриц

Цель работы – исследование световых, электрических и временных характеристик светодиодных (СД) матриц.

7.1. Основные положения

СД – это полупроводниковый диод, излучающий свет за счет прохождения через него электрического тока в прямом направлении через p–n-переход, который является активной областью СД. При этом носители заряда (электроны и «дырки») рекомбинируют с излучением квантов света. Данный процесс называется электролюминесценцией.

Современные СД условно разделяются по потребляемой мощности на три группы: индикаторные, сверхъяркие и мощные. Индикаторные СД – это компактные устройства с относительно небольшой силой света (до 100 мкд). Их номинальный ток порядка 20 мА. Применяются, как правило, в оптических индикаторах. Сверхъяркие СД имеют относительно высокие световые характеристики (сила света до 10 кд, средний световой поток порядка 20…30 лм и более). Рабочий диапазон токов от 20 мА до 150…200 мА. Сверхъяркие СД широко используются во всех сферах жизни: световая реклама, дорожные светофоры и указатели, автомобильная светотехника, экраны, мобильные телефоны и т. д. Мощные СД изготавливаются из самых крупных кристаллов и имеют наибольшие значения светового потока. Потребляемая мощность в номинальном режиме при токе 350 мА составляет порядка 1 Вт. Возможно использование СД при токах 500…700 мА. Повышение рабочего тока вызывает увеличение светового потока, но при этом наблюдается уменьшение светоотдачи. Мощные СД выполняются в корпусе для поверхностного монтажа (SMD-корпусе). В основном они используются для освещения.

Внутренняя структура современных СД-устройств может состоять из одного или нескольких СД, соединенных параллельно или последовательно в цепи (часто комбинированно). Существуют СД-устройства в виде печатной платы на стеклотекстолитовой, алюминиевой или керамической основе, на которую монтируются один или несколько СД, которые тоже соединены параллельно или последовательно в цепи. В плате размещаются отверстия для установки устройства, пластина для контакта с теплоотводящей поверхностью и разъемы для подсоединения питания, кроме того могут быть распаяны элементы питания: диодный мост, балластные сопротивления и микросхема драйвера питания СД. Такие устройства называются комбинированными СД-модулями или СД-матрицами.

Конструкция мощных однокристальных СД-матриц «чип на плате» (chip on board) выполняется в виде набора чипов, устанавливаемых на подложки из слоев металла и диэлектрика или на керамические подложки. Керамические подложки обладают несколькими положительными качествами: у них высокая теплопроводность, они подходят для высокомощных СД в режиме высоких температур. Из недостатков можно выделить то, что форма корпуса должна быть выбрана с учетом процесса изготовления керамики, а изготовление таких подложек отличается высокой стоимостью.

Для описания экспериментальных характеристик необходимо описать некоторые световые величины и единицы их измерения.

Сила света – базовая световая величина:

.

Определяется отношением светового потока , сосредоточенного в элементарном телесном угле к величине этого угла. Характеризует свечение источника видимого излучения в заданном направлении. При этом стерадиан [ср] – телесный угол с вершиной в центре сферы радиусом R, вырезающий на ее поверхности площадь, равную πR². Единица измерения силы света – кандела, одна из семи основных единиц международной системы (СИ). Сила света определяет пространственное распределение потока излучения. Для точечного источника I (рис. 1) одинакова по всем направлениям: .

I₀

I₀

Диаграмма направленности (ДН) имеет вид сферы с источником излучения в центре. Для плоского диффузного излучателя ДН также имеет форму сферы, но опирающейся на плоскость xy. У диффузного излучателя (рис. 2) сечение ДН в нормальной плоскости уz определяется законом косинуса: ,

где α – линейный угол, отсчитываемый от нормали к плоскости xy.

Рис. 1. Точечный источник. Рис. 2. Диффузный источник

Световой поток F_v – световая величина, оценивающая поток (мощность) оптического излучения по вызываемому им световому ощущению – по воздействию на усредненный глаз человека, адаптированный к дневному зрению, спектральная чувствительность которого описывается функцией ν_λ = f(λ). Энергетический аналог светового потока – мощность Р или энергетический поток оптического излучения F_e, [Вт]. Единица измерения светового потока – люмен [лм]. Поток dF_v = 1 лм – световой поток, испускаемый точечным источником в телесном угле dω = 1 ср при силе света I = 1 кд. Тогда: .

Для диффузного источника по (3) следует

.

Для точечного источника света полный телесный угол излучения равен 4π, для плоского диффузного излучателя – π.

Интегральная световая эффективность излучения К [лм/Вт] – отношение светового потока F_v [лм] к величине энергетического потока F_e [Вт], который это световое излучение создает:

.

Для сравнения световой эффективности самих источников излучения пользуются понятием светоотдачи [лм/Вт]:

где F_v – интегральный световой поток источника; P_пот – мощность, потребляемая источником.

Освещенность [лк] – определяет световой поток, падающий на элементарную площадку dS_об поверхности объекта облучения, и совпадает по размерности с лучистостью.

.

Единица измерения освещенности – люкс [лк]: 1 лк = 1 лм·м^–2. Пороговая освещенность равна 10^–6…10^–8 лк. Нормой является Е_N = 200…500 лк, освещенность более 10³ лк вызывает утомление зрения. Освещенность, создаваемая точечным источником пропорциональна его силе света I, обратно пропорциональна квадрату расстояния l до объекта и зависит от угла падения света на объект:

.

Так как СД принято считать диффузными излучателями, то, исходя из выше представленных характеристик:

,

где I – ток, протекающий через СД-матрицу, U – напряжение, падающее на ней.

Эффективность большого числа современных СД превышает 100 лм/Вт, а некоторые лабораторные образцы имеют эффективность или светоотдачу в 140 лм/Вт и более. Это почти в два раза выше светоотдачи люминесцентных ламп (50 лм/Вт) и в десять раз выше светоотдачи ламп накаливания (10 лм/Вт). Срок службы светодиодов достигает 30...100 тыс. ч, что многократно больше срока службы ламп накаливания и люминесцентных ламп. При этом в первую очередь выходят из строя элементы питания, а полупроводниковые элементы остаются целыми.