Методика тестирования светодиодных ламп (страница 2)
реклама
Измеритель интенсивности излучения
Методика тестирования ориентирована на светодиодные светильники белого цвета свечения. Их излучающее устройство, светодиод, состоит из двух элементов: светодиодного излучающего элемента (Light-Emitting Diode) и люминофора. Первый испускает излучение в «синей» части спектра, а люминофор – в красно-зеленой, что позволяет получить белый цвет свечения.
Для измерения свойств каждой части устройства требуется измеритель яркости на двух датчиках, работающих в синем-УФ и зеленом-красном диапазонах. С его помощью можно как оценивать изменение уровня излучения светодиодов при исследовании их характеристик, так и проводить построение диаграммы направленности излучения лампы.
Конструктивно, датчик выполнен в виде небольшой трубки с черной поверхностью, в которую установлено два датчика. На фотографии ниже представлен первый фотодиод ФД10В.
реклама
Это обычный кремниевый pin диод с оптической системой фокусировки и «традиционной» спектральной чувствительностью, свойственной всем кремниевым фотодиодам. Для коррекции ее полосы пропускания на корпус фотодиода нанесено селективное покрытие в области 500-650 нм.
Второй датчик достался мне без маркировки и технических данных. Спектральная чувствительность его неизвестна, кроме одного – рабочая полоса простирается от УФ до длины волны где-то 550 нм. Для приведения к требуемому виду на его поверхность нанесено селективное покрытие (примерно) 300-500 нм. Отсутствие возможности откалибровать датчик исключает получение абсолютных значений, но позволяет производить качественную оценку относительного изменения излучения при изменении условий работы. По возможности, он будет заменен или откалиброван.
Примененные фильтры. Синий.
Спектрометр собран на основе фотоаппарата, который обрезает все, что не входит в видимый диапазон. Если судить по четкому отрезу и ровному, без скоса, уровню, то полоса пропускания фильтра явно распространяется и на ближний УФ диапазон.
Второй фильтр, для кремниевого фотодиода.
реклама
Не особо ровно, в чем основная заслуга использованного фотоаппарата, но фильтр со своей задачей справляется, компоненты короче 480 нм вырезаются достаточно эффективно. Легкое нарушение баланса между красным и зеленым несущественно, поскольку фотодатчик используется для сравнительной оценки, а полная кривая взвешивания с учетом видимости реализована в фотометрическом шаре.
Проверка конструкции фотометрического шара
Сделаем небольшой тест, чтобы проверить, влияет ли место расположения лампы на величину показаний. Саму лампу перемещать затруднительно, тем более что стенд этого не позволяет, поэтому проверку можно выполнить несколько иначе – в фотометрический шар на свое обычное место устанавливается измеряемая лампа, плюс еще одна лампа в похожем исполнении в качестве «мешающего» элемента. Проверяются два случая: дополнительная лампа вверху и дополнительная лампа в геометрическом центре шара. Уровень светового потока изменился следующим образом:
- «Вверху» (за цоколем лампы) = -2.5%;
- «В центре шара» = -6%.
Довольно любопытно. Судя по первому результату, фотометрический шар весьма неплохо «интегрирует», коль скоро помещение «помехи» в самую неосвещаемую точку шара сказывается на показаниях датчика. Второй результат еще интереснее – лампа небольшого размера (а в тесте участвовали светодиодные лампочки с внешним диаметром 60 мм) не особо сильно поглощает свет, а значит в шаре диаметром 60 см можно обойтись без дополнительной калибровки при переходе от одной лампы к другой.
Сама цифра «6%» весьма ощутима и перед началом работы с фотометрическим шаром калибровка обязательна. В первой версии стенда вспомогательная лампа отсутствует и настройка выполняется установкой известной лампы в штатный патрон, впоследствии она будет добавлена. Остается только вопрос, а как измеряют аналогичные лампочки в шарах меньшего диаметра, да еще и без вспомогательной лампы? Так или иначе, требование ГОСТ’а в 2% весьма осмысленно и действительно сказывается на качестве измерений.
Анализатор спектра
Для проведения работ требуется не только измерять уровни интенсивности излучения, но и производить анализ спектра. Например, фотоаппаратом можно сделать снимок включенной лампы и получить невразумительную картинку ее цветовой характеристики. Можно, но смысла очень мало, нужен спектрометр. Готовое устройство стоит весьма чувствительных денег, но вполне можно сделать что-то подходящее и в кустарных условиях. По счастью, самой труднодоставаемой деталью является дифракционная решетка, что не является серьезной проблемой и здорово упрощает жизнь.
Для проведения работ используется щелевой дифракционный спектрометр по самой тривиальной технологии:
Все просто – свет проходит через узкую щель, попадает на дифракционную решетку и разлагается в спектр. Обычно подобную конструкцию изготавливают из элементов сантехники и на сборку уходит всего пара часов. Но, увы, ничего осмысленного с данного аппарата получить не выйдет – фотоаппарат не предназначен для снятия спектра. По крайней мере, та «мыльница», что была использована в моем аппарате. Проблема даже не столько в насыщении пиков уровня, основной вред заключается в нелинейности фильтров R-G-B матрицы фотоаппарата.
В качестве образца света взята галогенная лампа накаливания. По теории, интенсивность цвета должна снижаться по мере перемещения в высокочастотную часть спектра (синий цвет), здесь же творится черт-те что, особенно на стыке зеленого и красного. Вполне очевидно, что «измерения» на таком оборудовании откровенно несостоятельны.
Однако существует механизм калибровки, который может повысить точность – спектр образцового источника света (лампы накаливания) монотонно снижается от красных к синим цветам, причем эта зависимость известна и зависит, по большому счету, только от температуры нити накала. Это означает, что хотя данный фотоаппарат совершенно и подходит по качеству работы, но его можно использовать с калибровочным профилем.
реклама
Для выполнения данной процедуры пришлось написать свою простенькую программу, попутно обнаружились нелинейности не только по разделительным фильтрам, но и по амплитуде – для данного фотоаппарата гамма не постоянна и уменьшается по мере снижения уровня. Конечно, я пробовал найти более подходящий вариант фотоаппарата, но среди «мыльниц» плохо то одно, то другое. Где-то игнорируется фиксированный режим цветового баланса, где-то чудовищно обрезается уровень (насыщение). Увы, «дешево и хорошо» – это сказка.
Кроме калибровочной таблицы, программа выполняет и, собственно, анализ спектра – строит диаграмму цветового пространства CIE 1931, что позволяет получить цветовую температуру источника света.
К обычному графику температуры черного тела и «рискам» температур добавлена сетка зон на соответствие инструкции №602.
Измеряемые характеристики
Ранее были рассмотрены некоторые способы определения качества работы лампы, остается лишь перевести эти «пожелания» в конкретные методики измерения. И начнем с общих характеристик лампы.
Световой поток
Лампа помещается в фотометрический шар на время, достаточное для установления тепловых и световых режимов. Для светодиодных ламп формата «лампа накаливания 100 Вт» время установления стационарных тепловых режимов составляет 35-45 минут, измерение статических (долговременных) характеристик свечения будет осуществляться через 60 минут.
Попутно, кроме измерения уровня светового потока, будет выполняться измерение температуры корпуса лампы (радиатора) в месте, максимально приближенном к блоку светодиодов. При этом второй термодатчик используется для фиксирования температуры окружающего воздуха на уровне лампы. Во время измерений устанавливается номинальное значение напряжения питания 220 В с частотой 50 Гц.
Практически все производители нормируют характеристики своих светильников при напряжении питания 230 вольт, но оборудование обязано соответствовать нормативным документам того региона, где оно будет реализовано, поэтому тестирование и измерение характеристик будет осуществляться именно при напряжении питания 220 В переменного тока частотой 50 Гц.
Цветовая температура
Для получения Тц используется самодельный щелевой дифракционный спектрометр с последующей программной обработкой. В устройстве применен обычный фотоаппарат, что затрудняет получение абсолютных значений амплитуд спектра, поэтому на графиках отображаются относительные значения, выровненные по максимальному значению полученных данных.
Диаграмма направленности
Получение данной диаграммы довольно просто в исполнении и не содержит сложных элементов – комбинация из гониометра и измерителя излучения, описанного выше, позволяет снимать диаграмму направленности лампы, после чего остается лишь измерить углы свечения по снижению интенсивности до 50% и 10%, при этом за «100%» принимается максимальная величина излучения. В результате получится «угол пучка» (Beam angle) по порогу «50%» и «угол рассеивания прожектора» с критерием «10%».
Изменение светового потока после удаления колбы
Эта характеристика не является классификационной и служит скорее для простейшей оценки степени поглощения рассеивающей колбы, если таковая есть. Измерение производится в фотометрическом шаре после проведения замеров светового потока.
Мощность потребления
Данный параметр измеряется в момент получения величины светового потока по окончании долговременной выдержки в фотометрическом шаре. Мощность потребления измеряется на номинальном напряжении питания 220 В частотой 50 Гц, информация считывается с эмулятора сети.
Коэффициент мощности
Эта характеристика измеряется одновременно с мощностью потребления в тех же условиях. Как и мощность потребления, информацию представляет эмулятор сети.
Уровень пульсации светового потока
Оценка пульсаций производится во время измерений светового потока и заключается в получении осциллограммы формы напряжения светового потока фотодатчиков фотометрического шара с последующим расчетом значения по формуле 100%*(Макс-Мин)/(Макс+Мин). Если во время проведения измерений обнаруживаются какие-либо аномалии, то выбирается график с наибольшим уровнем девиации сигнала.
Широкий диапазон напряжения питания лампы
Тест выполняется на прогретой лампе и заключается в измерении ее светового потока и мощности потребления при изменении напряжения питания от 250 до 90 вольт переменного напряжения частотой 50 Гц. Нижняя граница в 90 В является ориентировочным значением, тест прекращается, если в работе лампы обнаруживается очевидное ухудшение качества работы.
Время включения и выключения
После выполнения предыдущего теста лампа выдерживается некоторое время при напряжении питания 220 В для восстановления теплового режима, после чего кратковременно выключается (несколько секунд), включается (примерно 2 секунды) и выключается. При этом на осциллографе одновременно записывается наличие напряжения питания и величина светового потока с датчика фотометрического шара.
Поддержка светорегулятора
Данный тест проводится только для светодиодных ламп с поддержкой подобного режима работы. Лампа получает питание через светорегулятор от эмулятора сети, на котором настраиваются нормальные установки сети (220 В, 50 Гц). В качестве светорегулятора используется простейший регулятор с ручкой, производитель и марка устройства неизвестны. В связи с «типичностью» тиристорных светорегуляторов нет необходимости проводить исследование на устройствах разных фирм.
Процедура тестирования заключается в оценке качества регулирования светового потока (фотометрический шар) и выявлении каких-либо дефектов в работе, в том числе в уровне пульсаций. Если какие-либо аномалии отсутствуют, то финальной характеристикой является таблица уровня светового потока при значении ручки регулятора в положениях: 0%, 25%, 50%, 75%, 100%. При обнаружении проблем таблица дополняется новыми позициями.
Температура кристалла
Температура кристалла является одной из основных характеристик светодиода, прямо влияющей на срок службы. По данным журнала «Полупроводниковая светотехника» при превышении пороговой температуры кристалла на 25-30 градусов время работы светодиода снижается в шесть раз. К сожалению, на «неизвестные» светодиоды не определена величина критической температуры, получаемые измерения носят лишь ориентировочный характер.
Температура кристалла получается сложением разности температур перехода «кристалл-плата» и температуры самой платы светодиодов. Для получения последнего используется температура радиатора лампы, полученная в долговременном режиме работы лампы при измерении светового потока, с добавлением тепловых потерь от платы светодиодов до того места радиатора, где снималась его температура.
Прямое измерение температуры платы затруднено наличием светорассеивающей колбы, поэтому процесс получения разбивается на две части – вначале получается температура радиатора после долговременной работы лампы в штатном режиме в фотометрическом шаре, потом с лампы снимается колба и выполняется измерение потерь на пути «плата-радиатор». Помимо этого прямое измерение температуры платы лишено смысла – без колбы меняется активная поверхность теплоотвода, что сильно исказит получаемые данные.
Тепловой и стресс-тест светодиода
Блоки светодиодов в конкретных лампах работают при некоторых фиксированных значениях тока, но не совсем ясна мера оптимальности выбранной величины. Если в фирменной продукции, скорее всего, рабочие режимы подобраны верно, то от менее ответственных производителей можно ожидать всякого. Сам светодиод будет светить ярко и при нормальном токе, и при «разогнанном», вот только срок службы будет очень даже разным.
Для получения информации о качестве работы светодиодов производятся замеры как эффективности свечения платы светодиодов при изменении тока через них в интервале от 10% до 150%, так и температуры нагрева платы до +50 градусов (к температуре окружающего воздуха, то есть абсолютное значение составляет 75 градусов). При стресс-тесте по изменению рабочего тока плата светодиодов устанавливается на радиатор достаточно большого размера, что исключает ее дополнительный нагрев. Для теста на тепловой нагрев плата перемещается на радиатор существенно меньшей величины, что обеспечивает медленное повышение температуры платы за счет выделения тепла на светодиодах.
Если требуемая температура не достигается, что часто случается при низком значении тока светодиодов, то производится дополнительный подогрев радиатора (с противоположной стороны от светодиодов) горячим воздухом с помощью паяльной станции. Этот тест позволяет оценить стабильность работы светодиода как от величины тока, так и от значения температуры внутри лампы. Кроме общей оценки этот тест является дополнением к измерению температуры кристалла и может подтвердить (или опровергнуть) предположения о температуре кристалла и меры деградации свойств по отношению к критической температуре (значение которой, в большинстве случаев, окажется неизвестно).
Графики строятся в несколько необычном варианте исполнения, использована не зависимость яркости от тока (и температуры), а мера сохранения приращения яркости при этих воздействиях. Например, при изменении тока через светодиод с 100 мА до 200 мА яркость возросла до 190% (за 100% принимается уровень свечения при токе 100 мА). Если представить график в обычном виде (зависимость яркости от тока), то полученная (почти) прямая линия окажется малоинформативной, особенно при небольших нарушениях линейности. Если же значения продифференцировать, то на графике окажется два отсчета: 100% и 90%, что хорошо заметно и сразу несет качественную информацию о том, что эффективность светодиода уменьшилась.
Плотность тока через кристалл светодиода
Через светодиод протекает ток известной величины, геометрические размеры его кристалла можно оценить по характеру свечения. Из этой информации вполне возможно вычислить плотность тока через кристалл. Эта характеристика несколько повторяет «температуру кристалла», полученную ранее, и тоже позволяет оценить степень надежности работы светодиода.
Фактически, оба параметра сильно взаимосвязаны – возрастание тока приводит к повышению перепада температур «кристалл-плата» и при превышении порогового значения тока наступает критический перегрев кристалла. Но оба критических параметра неизвестны, и для получения оценки надежности работы светодиода (срока службы) требуются разнообразные тесты, причем их результаты не будут являться окончательными и представляют скорее интерес при сравнении с другими лампами схожего типа.
Эффективность излучения
Светодиод излучает в широком диапазоне спектра, но за световой поток принимается лишь его видимая часть, причем совместно со специальным взвешивающим фильтром видимости глаза. Для оценки излучения по всему спектру предлагается проводить измерение полной мощности излучения светодиода как разность между подведенной и рассеянной тепловыми мощностями. Для этого на небольшом радиаторе размещается исследуемая плата светодиодов и нагревательный элемент. Размер и тепловое сопротивление радиатора выбирается из рабочей мощности светодиодов таким образом, чтобы плата прогревалась на типичную величину, свойственную их работе в составе лампы (+35…45 градусов).
Тест состоит из двух фаз:
- Нагрев платы светодиодов до стационарного состояния пропусканием неизменного тока (соответствующего номинальному току при работе в составе лампы) с фиксированием достигнутой температуры;
- Подбор такой мощности нагревательного элемента, чтобы температура в контрольной точке составила то же значение, что и в первой фазе.
В первой фазе нагрев радиатора осуществлялся за счет тепла от светодиодов, во второй – от нагревательного элемента. Причем переход от первой ко второй фазе выполняется без каких-либо манипуляций с самой измерительной системой, что обеспечивает неизменность коэффициента теплового рассеивания. В результате излучаемая мощность светодиодов получается как разность между двумя фазами теста.
Электронный балласт
Светодиодная лампа состоит из двух основных частей – некоторого набора светодиодов и электронного балласта (инвертера) для обеспечения их питания стабильным током. Электронный балласт должен обеспечить именно постоянный ток с высоким коэффициентом полезного действия, но это выполняется далеко не в каждом устройстве, что порождает либо повышенный нагрев, либо дефекты свечения того или иного вида.
Типичным случаем является повышенный уровень пульсаций светового потока с удвоенной частотой сети (100 Гц). При необходимости будет осуществляться разборка блока электроники (полная или частичная) для выяснения схемной реализации и возможных причин появления недостатков свечения.
Кроме изучения особенностей схемного решения, будут выполняться обычные проверки на электробезопасность – измерение электрической изоляции на мегомметре при измерительном напряжении 1000 В (мегомметр Ф4102/1-1М) и оценка величины емкостной связи корпуса лампы с сетевой частью.
- Методика тестирования светодиодных ламп;
- Светодиодные лампы: LG против Verbatim, бой в полусреднем и легком весе;
- Светодиодные лампы: LG и Verbatim – электроника.
реклама
Страницы материала
Лента материалов раздела
Соблюдение Правил конференции строго обязательно!
Флуд, флейм и оффтоп преследуются по всей строгости закона!
Комментарии, содержащие оскорбления, нецензурные выражения (в т.ч. замаскированный мат), экстремистские высказывания, рекламу и спам, удаляются независимо от содержимого, а к их авторам могут применяться меры вплоть до запрета написания комментариев и, в случае написания комментария через социальные сети, жалобы в администрацию данной сети.
Комментарии Правила