Способ определения деградации фитооблучателя на основе квазимонохроматических светодиодов и система для его осуществления
METHOD OF DETERMINING PHYTO-IRRADIATOR DEGRADATION BASED ON QUASI-MONOCHROMATIC LIGHT-EMITTING DIODES AND A SYSTEM FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области испытательного оборудования, а именно к способам и устройствам для определения деградационных процессов в фитооблучателях на основе светоизлучающих диодов, что необходимо для определения срока их эффективной службы.
Известно, что в процессе работы у светоизлучающих диодов изменяется как световой (энергетический фотонный) поток, так и спектр излучения (длина волны λ max). Скорость изменения этих параметров существенно зависит от трех основных параметров: плотности тока на кристалле, температуры кристалла и времени наработки.
Известно, что красный и синий светодиод содержат кристаллы с разной скоростью деградации в процессе эксплуатации в течение срока службы, причем скорость деградации красного светодиода выше, чем у синего. Это означает, что выбранное при разработке фитооблучателя оптимизированное на основе фотобиологических исследований соотношение фотосинтетических фотонных потоков будет меняться в процессе эксплуатации изделия в фитоустановке, т.е. интенсивность излучения в красной области будет уменьшаться быстрее. Также известно о том, что скорость спада излучения светодиодов существенно зависит от температуры кристаллов, которая в первую очередь определяется силой протекающего через светодиоды тока.
При использовании в составе одного фитооблучателя различных по типу квазимонохроматических и широкоспектральных светоизлучающих диодов (составные спектры) в процессе эксплуатации наблюдается их нелинейная деградация (снижение потока и/или изменение спектра), которая приводит к существенному отклонению основных параметров фитооблучателя от первоначальных.
Достоверные данные о динамике и характере спада потока излучения фитооблучателей с красными и синими светодиодами в зависимости от величины протекающего через светодиоды тока, длительности периода эксплуатации и способы определения этих показателей – отсутствуют, как и отсутствуют сведения о возможных последствиях взаимовлияния светодиодов в сложных системах, что не позволяет определить срок их эффективной службы.
2
2
J
b
Известен способ отбраковки мощных светодиодов на основе InGaN/GaN, который включает измерение значения спектральной плотности низкочастотного шума каждого светодиода при подаче напряжения в прямом направлении и плотности тока из диапазона 0.1<J<10 А/см до и после проведения процесса старения светодиода, осуществляемого в течение времени не менее 50 часов. Старение проводят при температуре p-n-перехода из интервала T=50-150°С, температуре окружающей среды из интервала T=25-120°С, плотности тока J через светодиод при подаче напряжения в прямом направлении из интервала J=35-100 А/см. Светодиоды со сроком службы менее 50000 часов выявляют по превышению уровня их спектральной плотности низкочастотного шума после процесса старения более чем на порядок по сравнению со значениями до процесса старения. (Патент РФ № 2523105, МПК H01L33/30, опубл. 20.07.2014.)
Недостатком известного способа является то, что он относится к процессу производства светодиодов и не позволяет установить степень деградации кристаллов синего и/или красного цвета при их совместной работе в составе одного фитооблучателя на основе светодиодов.
Известны способ и оборудование для тестирования светодиодов и лазерных диодов. Способ включает этапы: размещение образца светодиода в термокамере; подачу питания на пробный светодиод прямым импульсным током; нагрев камеры и запись температуры в термокамере как функции времени; измерение изменения пиковой длины волны образца светодиода как функции времени; определение функции изменения пиковой длины волны в зависимости от температуры; использование функции изменения пиковой длины волны как функции температуры для определения температуры перехода второго светодиода, идентичного пробному светодиоду, путем измерения пиковой длины волны второго светодиода. Кроме того, способ включает сравнение пиковой длины волны с заданной функцией, связывающей пиковую длину волны идентичного светодиода с температурой перехода; определение температуры перехода на основе температуры, связанной с измеренной максимальной длиной волны в данной функции. Устройство для определения температуры перехода светодиода относительно спектральных данных, которое включает тепловую камеру, которая дополнительно содержит монтажную конструкцию и может подавать электрический ток на светодиод; источник питания, способный подавать прямой импульсный ток, подключённый к монтажной конструкции; термопару, расположенную внутри термокамеры; спектрометр и оптический детектор, предназначенные для измерения спектральных данных, излучаемых светодиодом; компьютер, связанный со спектрометром и термопарой; при этом компьютер хранит и компилирует данные, полученные от спектрометра и термопары, для получения спектральных данных светодиода в зависимости от температуры. (Патент США № 7651268, МПК G01K7/00, опубл.26.01.2010.)
Недостатком известного способа является то, что он позволяет определить срок службы светодиода в целом, не позволяя раздельно установить степень деградации кристаллов синего и/или красного цвета при их совместной работе в составе одного фитооблучателя на основе светодиодов.
Известен способ тестирования светодиодов (LED), который включает этапы: зондирование температуры воздуха или другого газа в камере; нагрев или охлаждение одного или нескольких тестируемых светодиодов внутри камеры путем нагревания или охлаждения окружающей среды в зависимости от измеренной температуры окружающей среды; сбор данных светового потока, испускаемого одним или несколькими светодиодами, блоком сбора светового потока, в то время как светодиоды нагреваются или охлаждаются внутри камеры; подача собирающего света по отдельным каналам измерения света в блок анализа света, расположенный снаружи камеры. Устройство для испытания светодиодов содержит герметичную камеру, которая сконфигурирована для нагрева или охлаждения тестируемых светодиодов по меньшей мере один датчик температуры, сконфигурированный для измерения температуры воздуха в камере; расположенный внутри камеры блок сбора данных параметров светового потока, излучаемого светодиодами, который по каналам связи передаёт их в блок анализа данных параметров светового потока, расположенный снаружи камеры, блок управления температурой, выполненный с возможностью вызывать нагревание или охлаждение светодиодов при увеличении, уменьшении или поддержании температуры окружающей среды внутри камеры на основе измеренной температуры окружающей среды. (Патент США № 9267983, МПК G01R31/02, G01R31/26, опубл. 23.02.2016.)
Недостатком известного способа является то, что он только позволяет определить срок службы светодиода в целом, не позволяя раздельно установить степень деградации кристаллов синего и/или красного цвета при их совместной работе в составе одного фитооблучателя на основе светодиодов.
Наиболее близким по достигаемому результату к заявляемому техническому решению является способ проверки деградации светодиода, заключающийся в том, что первое напряжение измеряется путем выдачи постоянного тока в 1 мкА или менее на светодиоды в их прямом направлении, и светодиоды заданного значения или меньше исключаются. Затем ток, примерно в десять раз превышающий этот, вводится для измерения второго напряжения. Окончательный скрининг выполняется на основе разности значений с первым напряжением. Во втором варианте в прямом направлении pn-перехода проверяемого светодиода последовательно измеряют множество постоянных токов, имеющих различные значения в диапазоне 0,01 мкА или более и 10 мА или менее, для измерения каждого напряжения, значение напряжения считается подходящим, если значение напряжения линейно пропорционально логарифмическому значению во всем диапазоне приложенного тока. (Патент Японии № 3450001, МПК G01R31/26, опубл. 22.09.2003).
Недостатком известного способа является то, что он позволяет определить срок службы светодиода в целом, не позволяя раздельно установить степень деградации кристаллов синего и/или красного цвета при их совместной работе в составе одного фитооблучателя на основе светодиодов.
Отсутствие возможности получения достоверных данных о динамике спада потока излучения фитооблучателей с красными и синими светодиодами в зависимости от величины протекающего через светодиоды тока, длительности периода эксплуатации отсутствуют, не позволяет определить срок их эффективной службы.
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание способа определения динамики спада потока излучения фитооблучателей на основе квазимонохроматических светодиодов в зависимости от условий их эксплуатации для определения степени их деградации и системы, позволяющей реализовать этот способ.
Поставленная техническая задача решается тем, что способ определения деградации фитооблучателя на основе квазимонохроматических светодиодов согласно заявляемому изобретению заключается в том, что по меньшей мере 3 одинаковых фитоблучателя на основе светодиодов с синими и красными кристаллами одновременно в течение выбранного периода времени подвергают воздействию током, при этом фитооблучатели составляют три группы, количество фитооблучателей в каждой из групп составляет ≥1, а количество фитооблучателей в первой группе равно количеству фитооблучателей в третьей группе. Через фитооблучатели первой группы пропускают отличающиеся друг от друга по значению токи, плотность которых меньше номинальной плотности тока, установленной для данного светодиода, через фитооблучатели второй группы пропускают ток, равный номинальной величине, через фитооблучатели третьей группы пропускают токи, отличающиеся друг от друга по значению, плотность которых выше номинальной плотности тока. Далее с выбранной периодичностью фитооблучатели помещают в фотометрический шар, в котором с помощью последовательно устанавливаемых на квантовый датчик светофильтров красного и синего цвета измеряют последовательно общий спад светового потока фитооблучателей с синим светофильтром, общий спад светового потока фитооблучателей с красным светофильтром, измеряют общий спад светового потока фитооблучателей без светофильтров, по результатам измерений определяют интенсивность излучения синего и красного светового потока и строят графики снижения светового потока по каждому из фитооблучателей в зависимости от силы тока и времени воздействия. Кроме того, через один из первой группы фитооблучателей пропускают ток, плотность составляет 1/2 номинальной плотности тока. Кроме того, через один из третьей группы фитооблучателей пропускают ток, плотность которого выше номинальной плотности тока на 10 %. Кроме того, сила тока, пропускаемого через фитооблучатели, изменяется с постоянным шагом. Кроме того, дополнительно по полученным результатам снижения интенсивности излучения по времени каждого из фитооблучателей формируют таблицу токовой компенсации по каждому из фитооблучателей и определяют динамику спада потока излучения фитооблучателей и степень их деградации, что позволяет определить срок эффективной службы фитооблучателей. Для получения достоверных данных о деградации требуется снимать данные не реже, чем каждые 2000 часов наработки, в течение не менее 20000 часов общей наработки фитооблучателя.
Поставленная техническая задача решается также тем, что система для определения деградации фитооблучателя на основе квазимонохроматических светодиодов, согласно заявленному изобретению, включает фотометрический шар с красным и синим светофильтрами, датчики измерения интенсивности излучения, стеллаж с по меньшей мере двумя ярусами, к верхнему ярусу стеллажа прикреплены элементы крепления фитооблучателей, система содержит датчики измерения температуры фитоизлучателей, на верхнем ярусе стеллажа расположены источники питания фитооблучателей, на лицевой панели верхнего яруса расположено соответствующее количество коммутаторов для включения/выключения фитооблучателей, а также дисплей с выводом информации о текущих значениях температуры в точке пайки светодиода на печатную плату, дисплей с выводом информации о текущих значениях напряжения и тока, на рабочую поверхность нижнего яруса стеллажа нанесена сетка с контрольными точками для установки датчиков для проведения периодических измерений облученности. Кроме того, элементы крепления фитооблучателей могут быть выполненными в виде жёсткого подвеса. Кроме того, элементы крепления фитооблучателей могут быть выполненными в виде кронштейнов. Кроме того, расстояние между рабочей поверхностью нижнего яруса стеллажа и между элементами крепления фитооблучателей и выбрано из условия, что расстояние от рабочей поверхности нижнего яруса до установленного (прикрепленного) на них фитооблучателями составит не менее 50 см. Кроме того, расстояние между элементами крепления фитооблучателей выбрано из условия, что расстояние между установленными на них фитооблучателями составит не менее 15 см.
Технический результат, достижение которого обеспечивается реализацией всей заявляемой совокупностью существенных признаков, заключается в достоверном определении снижения светового потока (деградации) фитооблучателя, а также изменения спектрального состава излучения в зависимости от условий его эксплуатации, в частности силы тока и времени работы, что позволяет определить срок эффективной службы фитооблучателя.
Сущность заявляемого изобретения поясняется рисункам, где:
на фиг. 1 представлена система для осуществления способа определения деградации фитооблучателя на основе квазимонохроматических светодиодов;
на фиг. 2 приведен график снижения относительного потока за 8000 часов для бинарного фитооблучателя.
Рисунок фиг. 1 содержат следующие позиции:
1 – фитооблучатель;
2 – крепление фитооблучателя;
3 – стеллаж;
4 – верхний ярус стеллажа;
5 – нижний ярус стеллажа;
6 – датчик температуры;
7 – дисплей температуры (общий);
8 – коммутатор для включения/выключения фитооблучателя;
9 – источник питания;
10 – дисплей напряжения и тока.
В данном описании авторами используются понятия:
Белый (широкоспектральный) светодиод – полупроводниковый прибор, излучающий свет, вызывающий в силу особенностей психофизиологии восприятия цвета человеком (метамерия) ощущение света, близкого к белому. Конструктивно состоит из кристалла синего свечения (400–500 нм) и люминофора, частично преобразующего излучение синего кристалла в зеленое (500–600 нм) и красное (600–700 нм) излучение.
Цветной светодиод – твердотельный источник квазимонохроматического излучения, основанный на эффекте электролюминесценции полупроводника.
Светодиодный фитооблучатель – светотехнический прибор, в котором в качестве источника излучения используются различные комбинации белых и цветных светодиодов.
ср
ср
Квазимонохроматический источник света – источник света, для которого выполняется соотношение Δλ<<λ, где Δλ – ширина спектра излучения; λ – средняя длина волны, т.е. в квазимонохроматическом излучении источника света присутствуют волны, частоты которых расположены в узком спектральном диапазоне.
Система определения деградации фитооблучателя 1 на основе квазимонохроматических светодиодов (фиг. 1) включает по меньшей мере три элемента крепления 2 фитооблучателей, например три, на которые крепятся фитооблучатели 1. Фитооблучатели 1 с помощью креплений 2, выполненных, например, в виде жестких подвесов, прикрепляются к верхнему ярусу 4 стеллажа 3. Расстояние между фитооблучателями и рабочей поверхностью нижнего яруса 5 стеллажа 3 составляет не менее 50 см, расстояние между фитооблучателями составляет не менее 15 см, что обеспечивает оптимальный уровень теплообмена между ними и самой установкой.
Каждый фитоизлучатель снабжается датчиком температуры 6. На верхнем ярусе 4 стеллажа 3 расположены источники питания 9 фитооблучателей 1. На лицевой панели верхнего яруса 4 расположены три коммутатора 8 для включения/выключения фитооблучателей 1, а также дисплей 7 с выводом информации о текущих значениях температуры на печатной плате со светодиодами фитооблучателей 1, дисплей 10 с выводом информации о текущих значениях напряжения и тока. На рабочую поверхность нижнего яруса 5 стеллажа 3 нанесена сетка с контрольными точками для установки датчиков для проведения периодических измерений облученности. Система определения деградации фитооблучателя 1 включает фотометрический шар с красным и синим светофильтрами, датчики измерения интенсивности излучения.
У любого светильника, в том числе и светодиодного, в процессе эксплуатации меняются рабочие характеристики: яркость (световой поток, лм). Эта величина дает возможность зрительно оценить световую энергию. О яркости свечения лампы можно судить по ее светоотдаче, которая исчисляется как частное между световым потоком и потребляемой мощностью. У качественных светодиодных светильников этот параметр составляет 100 лм/Вт и выше. Меняется световой поток, меняются отражающие свойства элементов. В упомянутых фитооблучателях рассматривается композиция красных и синих светодиодов. Сочетание красного и синего света необходимо для развития растения. Красный и синий цвет обуславливается использованием различных кристаллов. Это, в свою очередь, обуславливает разную степень деградации светильника в этих цветовых диапазонах. Со временем меняется соотношения в спектре светильника. Скорость старения светодиода определяется силой протекаемого тока, который определяет температуру кристалла, которая не должна превышать 80°С, после чего возникают проблемы. Срок жизни светильника в среднем составляет 50–100 тысяч часов. Заявляемый способ даёт возможность определить, когда начинаются нарушения заданных характеристик и определить гарантированный срок службы при заданных характеристиках.
Заявляемый способ определения деградации фитооблучателей на основе квазимонохроматических светодиодов осуществляется следующим образом.
Способ определения деградации фитооблучателя на основе квазимонохроматических светодиодов заключается в том, что для выделения нужного спектрального состава фитооблучателя 1 выбирают соответствующие длинам волн светоизлучающих диодов красный и синий светофильтры, например светофильтры СС8 и КС13. Нечетное количество одинаковых фитооблучателей, например три одинаковых фитооблучателя, одновременно в течение длительного периода времени подвергают воздействию током. Через первый фитооблучатель пропускают ток, плотность которого меньше номинальной плотности тока, предпочтительно плотность составляет 1/2 номинальной плотности тока, через второй фитооблучатель пропускают ток, равный номинальной величине, через третий облучатель пропускают ток, плотность которого выше номинальной плотности тока, предпочтительно плотность тока выше номинальной плотности тока на 10%.
Номинальная плотность тока задается производителем светодиодов в сопроводительной технической документации. Также существуют усредненные параметры плотности токов для каждого типа кристалла на основе его химического состава. У синих и красных светодиодов химический состав разный. Под номинальной плотностью тока для светодиодов как правило считается плотность тока j =100 А/см², если иное не определено производителем светодиодов.
Большинство светодиодов рассчитаны на ток 20 мА, хотя существуют светодиоды, для которых сила тока может превышать 150 мА. Для устройств с одним действующим кристаллом достаточно значения 0,02 А. Если количество больше, характеристика повышается кратно числу элементов. По данному параметру подбирают резистор (стабилизатор), который устанавливается на вводе.
Далее с выбранной периодичностью с использованием фотометрического шара (сферы Ульбрихта) с помощью последовательно надеваемых светофильтров красного или синего цвета, которые позволяют исключить указанный световой поток из результатов исследования, измеряют последовательно общий спад светового потока фитооблучателя с синим светофильтром, общий спад светового потока фитооблучателя с красным светофильтром, общий спад светового потока фитооблучателя на основе светодиодов с синими и красными кристаллами без светофильтра. По результатам измерений определяют интенсивность излучения синего и красного светового потока и составляют графики снижения светового потока (деградации) по каждому из фитооблучателей в зависимости от силы тока и времени воздействия. Кроме того, по полученным результатам снижения светового потока по времени каждого из светодиодов формируют таблицу токовой компенсации по каждому из фитооблучателей. Токовая компенсация является обратной функцией от снижения интенсивности излучения (деградации) по времени.
Для измерений облученности может быть использован фотометрический шар SPR-600S, измерения могут осуществляться, например, при помощи измерителя облученности LI-250A с квантовым датчиком LI-190R компании Li-COR. Для получения достоверных данных о деградации требуется снимать данные не реже, чем каждые 2000 часов наработки, и не менее 20000 часов общей наработки фитооблучателя.
Ф
Ф2
led1
led2
В качестве примера на фиг. 2 приведен график снижения относительного потока за 8000 часов для бинарного фитооблучателя. На графике отчётливо видно, что снижение светового (энергетического) потока у одного светодиода происходит быстрее, чем у другого светодиода. Таким образом, при одновременном использовании таких светодиодов в составе одного фитооблучателя, при прочих равных условиях, будут происходить различные изменения светового (энергитического) потока по времени. Соотношения светового (энергетического) потока светодиодов K можно выразить формулой K= Ф/ Ф для бинарного фитооблучателя. По результатам измерений составляется график деградации  кристаллов в зависимости от силы тока и времени воздействия. На основании полученных данных определяют срок эффективной службы фитооблучателя.
Заявленное изобретение может быть реализовано в условиях промышленного производства.