СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОВОГО ИМПЕДАНСА СВЕТОДИОДОВ
METHOD OF MEASURING THE THERMAL IMPEDANCE OF LEDS

Изобретение относится к технике измерения тепловых параметров полупроводниковых изделий и может быть использовано на выходном и входном контроле качества изготовления светодиодов.
ТЧП
Известен способ измерения теплового сопротивления полупроводниковых диодов, заключающийся в том, что на контролируемый диод подают импульсы греющей мощности фиксированной длительности и амплитуды, а в промежутках между импульсами измеряют изменение температурочувствительного параметра (ТЧП), например, прямого напряжения U диода при пропускании через него малого измерительного тока (ГОСТ 19656, 18-84. Диоды полупроводниковые СВЧ. Методы измерения теплового сопротивления переход-корпус и импульсного теплового сопротивления).
ТЧП
Недостатком способа является низкая точность, обусловленная большой погрешностью измерения импульсного напряжения U(t) из-за влияния переходных тепловых и электрических процессов при переключении полупроводникового диода из режима разогрева в режим измерения (Викулин И.М., Стафеев В.И. Физика полупроводниковых приборов. - М: Сов. радио, 1980. - С. 51).
гр
m1
TU
а
Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению (прототипом) является способ измерения теплового импеданса светоизлучающих диодов (Пат. RU 2556315 РФ МПК G01R 31/00. Способ измерения теплового импеданса светодиодов / Сергеев В.А., Смирнов В.И. - Заявка 2013101864/28, заявл. 15.01.2013, опубл. 10.07.2015, бюл. №19), состоящий в том, что через светодиод пропускают последовательность импульсов греющего тока I, широтно-импульсно модулированную по гармоническому закону с глубиной модуляции ; в промежутках между импульсами греющего тока через светодиод пропускают малый постоянный начальный ток, по результатам измерения напряжения на диоде во время действия импульсов греющего тока и в промежутках между ними определяют амплитуду первой гармоники мощности P(Ω), потребляемой светодиодом, и амплитуду первой гармоники температурочувствительного параметра  с известным отрицательным температурным коэффициентом K - прямого напряжения на светодиоде при протекании через него малого постоянного начального тока, и сдвиг фазы между ними ϕ(Ω) на частоте модуляции греющей мощности, дополнительно измеряют среднюю мощностьоптического излучения светодиода и модуль теплового импеданса находят по формуле
Τ
а фаза ϕ(Ω) теплового импеданса светодиода будет равна сдвинутой на 180° разности фаз между первой гармоникой температурочувствительного параметра и первой гармоникой мощности.
Недостатком известного способа является большая погрешность измерения ТЧП из-за переходных процессов при переключении светодиодов из режима нагрева рабочим током в режим измерения. По этой причине верхняя частота частотного диапазона измерения теплового импеданса СИД известным способом ограничена длительностью этих переходных процессов и не превышает 1 кГц.
Технический результат - повышение точности измерения теплового импеданса и повышение верхней частоты диапазона измерения
гр
Tλ
m1
Технический результат достигается тем, что через светодиод пропускают последовательность импульсов греющего тока I, широтно-импульсно модулированную по гармоническому закону с частотой модуляции Ω и глубиной модуляции а; во время действия импульсов греющего тока измеряют напряжение на светодиоде и центральную длину волны излучения светодиода с известным температурным коэффициентом K, по результатам измерения определяют амплитуду первой гармоники мощности Р(Ω), потребляемой светодиодом, и амплитуду первой гармоники центральной длины волны излучения светодиода, а также сдвиг фазы между ними ϕ(Ω) на частоте модуляции греющей мощности, измеряют среднюю за период модуляции мощностьоптического излучения светодиода и модуль теплового импеданса находят по формуле
T
а фазу ϕ (Ω) теплового импеданса светодиода определяют как разность фаз между первой гармоникой центральной длины волны излучения светодиода и первой гармоникой мощности.
Tλ
д
m1
m1
д
m1
гр
T
Повышение точности измерения модуля теплового импеданса светодиода достигается за счет того, что в качестве ТЧП используется центральная длина волны излучения светодиода, которая, как известно (Шуберт, Ф. Светодиоды / Ф. Шуберт; пер. с англ. под ред. А.Э. Юновича. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. - 496 с.) линейно возрастает с увеличением температуры с постоянным температурным коэффициентом. Температурный коэффициент K обусловлен фундаментальными свойствами полупроводникового материала гетероструктуры и слабо зависит от параметров режима работы светодиода. При этом на изменение этого параметра переходные электрические процессы никакого влияния не оказывают. ШИМ модуляция тока через светодиод по гармоническому закону с заданной глубиной модуляции обеспечивает изменение мощности, потребляемой светодиодом, по закону, близкому к гармоническому, где - постоянная составляющая (среднее значение) греющей мощности, U - напряжение на диоде при протекании через него греющего тока заданной амплитуды, Р=IU - первая гармоника греющей мощности, I=аI - первая гармоника греющего тока. Через некоторое время, превышающее три постоянных времени переход-корпус светодиода, в светодиоде установится регулярный режим и температура р-n-перехода светодиода будет пульсировать относительно некоторого квазистационарного значения, где - установившееся среднее значение температуры перехода, - переменная составляющая температуры перехода светодиода, изменяющаяся по закону, близкому к гармоническому: , ϕ - сдвиг фаз между изменением греющей мощности и изменением температуры. Центральная длина волны излучения будет «отслеживать» измерение температуры именно активной области (гетероперехода) светодиода и будет изменяться также по закону, близкому к гармоническому: , где  - центральная длина излучения при средней температуре перехода; ,  - первая гармоника переменной составляющей изменения центральной длины волны излучения.
Современные средства измерения центральной длины излучения узкополосных оптических сигналов имеют быстродействие порядка 3-5 мкс (см., например, Ульянов, А.В. Методы и средства оперативного контроля параметров спектра узкополосного оптического излучения /А.В. Ульянов, В.А. Сергеев, Рогов В.Н. // Автоматизация процессов управления. - 2015. - №4. - С. 75-80). При этом случайная погрешность, обусловленная шумами фотоприемников, уменьшается в результате фильтрации полезного сигнала при определении первой гармоники. Следует отметить также, что измерение центральной длины производится в те же моменты времени, в которые производится измерение напряжения на светодиоде, что позволяет упростить реализацию способа в конкретных устройствах.
Предлагаемый способ может быть реализован с помощью устройства, структурная схема которого показана на фиг. 1. Эпюры напряжений и сигналов, поясняющие сущность способа и алгоритм работы устройства, приведены на фиг. 2.
Устройство содержит контакты 1 для подключения контролируемого светодиода, генератор греющих импульсов тока 2, устройство управления 3, управляемый аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 4, делитель светового потока 5, управляемый измеритель 6 центральной длины волны излучения с цифровым выходом, измеритель оптической мощности 7 с цифровым выходом и вычислитель 8 с индикатором.
m
сл
k
сл
uk
u0
k
У1
У2
гр
У3
от1
д
д
Устройство работает следующим образом. После установки светодиода в контактную колодку 1 напротив входного отверстия делителя светового потока 5, после подачи команды «Запуск» на устройство управления 3 по сигналам этого устройства генератор импульсов 2 начинает вырабатывать последовательность греющих импульсов тока заданной амплитуды I и постоянной частоты ƒ, которые подаются в контролируемый светодиод. Моменты времени t=kТ начала k-го импульса и его длительность τ=τ(1+asinΩt) определяются управляющими импульсами U (фиг. 2, а) и U (фиг. 2, б) устройства управления; в результате светодиод будет разогреваться последовательностью импульсов греющего тока I, широтно-импульсно модулированной по гармоническому закону с частотой модуляции Ω и глубиной модуляции а (фиг. 2, в). Через некоторое время, превышающее три постоянных времени переход-корпус светодиода, в светодиоде установится регулярный режим и температура р-n-перехода светодиода будет пульсировать относительно некоторого квазистационарного значения (фиг. 2, г), изменяющегося по гармоническому закону. Напряжение на светодиоде во время протекания импульсов тока (фиг. 2, д) по сигналам U устройства управления 3 в моменты времени, где Δt некоторое фиксированное время задержки (фиг. 2, е), управляемым АЦП 6 преобразуется в цифровой код. Цифровые отсчеты напряжения светодиода U(k) передаются в оперативную память вычислителя 8, где формируется массив значений прямого напряжения светодиода {U(k)}. В эти же моменты времени измеритель 6 центральной длины волны излучения преобразует в цифровой код ТЧП - центральную длину волны излучения светодиода (фиг. 2, ж). Цифровые отсчеты λ(k) передаются в оперативную память вычислителя 8, где формируется массив значений ТЧП - {λ(k)}. Значениесредней оптической мощности (фиг. 2, з) с выхода измерителя оптической мощности 7 по сигналу устройства управления передается в вычислитель 8 за несколько тактов до окончания измерения.
д
m
m
m
д
т
m1
P
T
Вычислитель 8 вычисляет значения импульсной мощности для каждого k-го греющего импульса тока, путем умножения U(t) на значение амплитуды греющих импульсов тока I:P(k)=I⋅U(k) и формирует массив значений импульсной мощности {Р(к)}. По массивам данных {Pm(k)} и {λ(k)} методом дискретного преобразования Фурье вычислитель 8 определяет амплитуду и фазу гармоник греющей мощности (Р и ϕ) и ТЧП (и ϕ)  соответственно и далее вычисляет модуль и фазу теплового импеданса полупроводникового диода по формулам:
T
P
ϕ=ϕ-ϕ.                                                                                            (3б)
Результат вычисления высвечивается на индикаторе.
М
сл
Для повышения точности преобразование измеряемых величин осуществляют в течение нескольких (3÷5) периодов модуляции греющей мощности и получают N=(3÷5)Т/Т цифровых отсчетов измеряемых величин.