Измерительная лаборатория для комплексного исследования характеристик светодиодов, применяемых в системах отображения информации

№ 7’2007
В статье описана фотометрическая лаборатория фирмы «АТВ Наружные системы» — известного российского производителя устройств отображения информации на светодиодах. На базе лаборатории создан измерительный комплекс для изучения характеристик светодиодов, параметров производимых светотехнических устройств на их основе и исследования в области физики полупроводниковых излучающих структур.

В статье описана фотометрическая лаборатория фирмы «АТВ Наружные системы» — известного российского производителя устройств отображения информации на светодиодах. На базе лаборатории создан измерительный комплекс для изучения характеристик светодиодов, параметров производимых светотехнических устройств на их основе и исследования в области физики полупроводниковых излучающих структур.

Введение

Результатом интенсивного развития технологий в области производства оптоэлектронных приборов на основе полупроводниковых светоизлучающих кристаллов стало широкое использование этих приборов в системах отображения информации, а также в световой сигнализации, декоративной подсветке и освещении. Большой выбор цветов свечения, комбинация мощного излучения с любой формой пространственного распределения и получения любого оттенка цвета в широком динамическом диапазоне световых потоков открывают огромные перспективы использования светоизлучающих диодов в качестве источников света для этих устройств. Однако проектирование и разработка конструкций указанных устройств, а также новых типов светоизлучающих диодов невозможна без подробного анализа характеристик источников излучения. Предложенный в этой статье измерительный комплекс позволяет получать и исследовать практически все существующие фотометрические, спектральные, электрические, энергетические и другие необходимые для подобных работ параметры, зависимости и характеристики светодиодов и излучающих структур. Он также имеет возможность реализации научных программ по исследованию физических свойств излучающих кристаллов, разработки технологии производства светоизлучающих диодов на их основе и экспериментов по изучению механизмов деградации параметров со временем наработки.

Несмотря на отсутствие должной нормативной базы по метрологии светотехнических характеристик светодиодов, работа над которой ведется Международной Комиссией по Освещению (МКО), все измерения основаны на публикациях [1, 2, 6] и дополнены собственными методиками, разработанными непосредственно для измерений и расчетов некоторых необходимых величин [3].

Разработка совершенных методик по тестированию и отбраковке, прогнозу качества и анализу потенциальной надежности светодиодов, оценка заявленных производителем характеристик, оценка реальных, а не декларируемых параметров на работающих изделиях — задача важная для множества областей, где сегодня применяются светодиоды. Однако область, где точное определение параметров светодиодов оказывается критически важной, — это производство светодинамических конструкций и экранов больших размеров.

Почему это нужно?

Давний опыт использования светодиодов в больших полноцветных экранах, а также детальное знакомство с проблемами и трудностями использования привели разработчиков и специалистов «АТВ Наружные системы» к мысли о создании многофункциональной фотометрической лаборатории для исследования параметров светодиодов. Существующий в обычной практике подход к выбору, аттестации и исследованию параметров светодиодов оказался неэффективным при создании таких сложных и высокоточных изделий, как полноцветные экраны. Прецизионной точности сортировка светодиодов по параметрам, глубокий анализ изменения характеристик со временем наработки и измерения величин по оригинальным методикам — вот неполный перечень необходимых мер для построения высококачественного устройства отображения информации.

Подобные мероприятия, проводимые «АТВ Наружные системы» в цикле производства своей продукции, позволяют получать необходимый уровень качества и стабильности характеристик экранов, а также спрогнозировать поведение тех или иных параметров при длительной эксплуатации экрана. В сумме все это позволяет проектировать устройства, имеющие оптимальное соотношение цены и качества и легко обеспечивать необходимые параметры экранов для конкретных заказчиков, сохраняя качество.

Так, например, одно из последних изделий — большой информационный экран, расположенный на ТРЦ «Смоленский Пассаж» (г. Москва) — имеет высокое соотношение люмен на ватт потребленной экраном электрической мощности (приблизительно 25 лм/Вт), что может свидетельствовать об оптимальности использования светотехнических ресурсов светодиодов и максимально возможном соотношении цены, качества, эффективности и энергосбережения.

В мировой практике строительства больших светодиодных экранов найдется не так много установок с такими оптимальными характеристиками. Данный результат— не случайность, а доказательство важной роли научной составляющей в построении современных высокотехнологичных электронных устройств.

Назначение

По функциональному использованию все оборудование для эксперимента делится на 3 части. Одну группу составляют средства измерения и регистрации различных величин, устройства преобразования их сигналов (АЦП, периферийные устройства), высокоточные источники питания, электромеханические установки и вспомогательные приборы. Эта группа представляет собой фотометрический стенд. Вторая часть оборудования представлена аналитическим центром на базе компьютера. Последняя группа оборудования предназначена для реализации необходимых режимов во время наработки образцов и представлена устройствами обеспечения стабилизированного питания и температурного режима работы светодиодов.

Концепция большинства экспериментов и программ предполагает изучение максимально возможного количества параметров светодиодов, а их измерение является одной из самых ответственных частей. Поэтому подход к разработке и созданию измерительного комплекса был направлен на интеграцию измерений различных величин с одной стороны и на универсальность такого комплекса без потери метрологических характеристик по отношению к большому динамическому диапазону и типам исследуемых источников с другой. Для осуществления данной программы было специально разработано и изготовлено большинство электронных устройств, механических систем и средств измерения. Наряду с этим, в рамках соблюдения федерального закона «Об обеспечении единства измерений» и для корректности выполняемых исследований, с точки зрения соответствия метрологических характеристик эталонным величинам, основные средства измерения были внесены в Государственный реестр средств измерений и подверглись поверке в соответствии с утвержденной методикой и Государственной поверочной схемой, регламентируемой ГОСТ 8.023-90 «Государственная поверочная схема для средств измерений световых величин непрерывного и импульсного излучений». Поверка осуществляется на эталонной базе Всероссийского научно-исследовательского института оптико-физических измерений (ВНИИОФИ), держателя Государственного первичного эталона единицы силы света — канделы.

Фотометрический стенд

Вся установка располагается в отдельном помещении, особой конфигурации и специальной отделки. Поскольку измерения фотометрических величин ведутся в непрерывном режиме (что верно с точки зрения физики процесса измерения) без использования модуляции излучения, детектирования и усреднения импульсов фототока по времени, при котором нельзя проводить измерения непосредственно при внешнем освещении, очень важным требованием к данному помещению будет полное отсутствие посторонних засветок. Другим, не менее важным требованием будет обеспечение необходимого расстояния фотометрирования для выполнения закона «обратных квадратов» при измерении энергетических величин излучения. Исходя их указанных условий было создано помещение, представляющее собой расширяющийся с одной стороны коридор, все стены, пол и потолок которого обшиты черной тканью, поглощающей свет. Данная конфигурация помещения лаборатории продиктована ГОСТ Р 51000.4-96 [4] и соответствует ГОСТ Р ИСО/МЭК 17025-2000 [5] для использования в качестве составной части прецизионного фотометрического стенда, средства измерения которого имеют статус рабочего эталона и занесены в Государственный реестр СИ.

Размеры коридора обеспечивают измерительную базу (расстояние от источника излучения до фотометра) до 11 м. Для выполнения измерений небольших световых величин (до 10–30 кд) был изготовлен специальный стол, на котором располагается массивный оптический рельс, позволяющий изменять расстояние фотометрирования в пределах 0,1–2,5 м. Большинство средств измерения также располагаются на этом столе в непосредственной близости от двухкоординатного гониометра, жестко связанного с поверхностью стола. Гониометр съюстирован с двумя фотометрами, первый из которых расположен на рейтере, перемещаемом по рельсу, а второй — в конце коридора. Гониометр был разработан и изготовлен специально для этой лаборатории и имеет возможность подсоединения к цепям питания и закрепления на своей поворотной части источников излучения любой конфигурации размером до 0,6×0,6 м и весом до 20 кг (для возможности измерения светотехнических характеристик устройств на основе светодиодов: модулей, ламп, светоблоков, светофоров и т. д., имеющих большую массу и размеры). Для исключения влияния механических вибраций, вызываемых угловым перемещением гониометра во время измерения и передаваемых стенду от пола здания, стол имеет значительную (около 500 кг) массу и особый постамент, регулируемый по высоте для юстировки.

Блок-схема и общий вид фотометрического стенда представлены на рис. 2. Фотометр 1 выполнен на основе фотометрической головки типа ГФ-38, разработанной с применением кремниевого фотодиода типа ФД 228 (прошедшего процесс старения для стабилизации параметров), скорригированной под функцию видности глаза V(λ) не хуже F

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *