СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ АКТИВНОЙ ОБЛАСТИ СВЕТОДИОДА
METHOD OF MEASURING TEMPERATURE OF LED ACTIVE AREA

Изобретение относится к средствам измерения тепловых режимов работы светодиодов и может быть использовано для контроля качества сборки и оценки температурных запасов светодиодов и светотехнических изделий с их использованием: светодиодных светильников, панелей, светофоров и т.п.
U
Из существующего уровня техники известен способ измерения температуры р-n перехода светодиода по патенту US 2009/0306912 А1 (опубликован 10.12.2009), который заключается в предварительном определении температурного коэффициента K прямого падения напряжения при пропускании через светодиод прямого импульсного тока и в последующем определении температуры перехода  по изменению прямого падения напряжения при заданном токе по формуле
T
0
0
где U и U - падение напряжения на светодиоде при заданном токе до нагрева, то есть при температуре T, и после нагрева светодиода до температуры , соответственно.
Недостатком способа является невозможность оперативного измерения температуры активной области светодиода в составе светотехнического изделия, когда невозможно (или затруднено) подключение к контролируемому светодиоду. К недостаткам способа следует отнести также большую погрешность измерения из-за переходных тепловых и электрических процессов при однократном переключении светодиода из режима нагрева в режим измерения.
Известен способ измерения температуры активной области светодиода по патенту РФ на изобретение №2473149 по сдвигу спектра излучения светодиода на нескольких длинах волн, заключающийся в том, что получают ряд градуировочных зависимостей длины волны излучения от температуры для заданных точек в выбранной длинноволновой части нормированного спектра излучения светодиода, измеряют спектр светодиода при заданном значении прямого тока, по градуировочным зависимостям рассчитывают значения температуры для каждой заданной точки спектра, и в качестве результата измерения температуры активной области светодиода принимают среднее арифметическое полученного ряда значений температуры.
Известен способ измерения температуры активной области светодиода по сдвигу доминирующей длины волны излучения, которая определяется путем измерений спектра спектрометром по точкам (см. Луценко Е.В. Температура перегрева активной области коммерческих светодиодов и светодиодов с прямым жидкостным охлаждением чипа // Полупроводниковая светотехника. - 2011. - №2. - С. 26-29). Способ основан на использовании линейной зависимости длины волны в максимуме спектра излучения светодиодов от температуры активной области (p-n-перехода):
λ
где K - температурный коэффициент длины волны в максимуме спектра излучения светодиода.
Известны также способы измерения переходной тепловой характеристики светодиодов (то есть изменения температуры активной области во времени при разогреве светодиода заданной мощностью) по сигналам многоэлементных фотоприемников (ФП): фотоприемной КМОП-линейки (по патенту РФ на изобретение №2523731) или фотоприемной КМОП-матрицы (по патенту РФ на изобретение №2609815).
Недостатками указанных выше известных способов является необходимость спектрального разложения излучения светодиода с помощью диспергирующего устройства, регистрации сдвига спектра на нескольких длинах волн излучения и, как следствие, большая трудоемкость настройки и калибровки аппаратуры и сложная обработка сигналов. Поскольку интенсивность излучения светодиода сильно зависит от температуры, то для измерения сдвига спектра необходимо нормировать спектр, то есть делить все значения на максимальное значение. В результате, с помощью известных способов невозможно оперативно измерить температуру активной области светодиодов в полевых условиях и в условиях массового контроля.
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ по патенту РФ на изобретение №2390738 измерения средней длины волны узкополосного излучения (по изменению которой, применительно к излучению светодиода, можно определить изменение температуры активной области светодиода) без использования диспергирующего элемента с помощью двух ФП с различающимися функциями спектральной чувствительности. Недостатком известного способа является сложная подготовка и настройка аппаратуры, в частности, необходимость точного деления светового потока светодиода между ФП, а также многоэтапные преобразования полезных сигналов, что приводит к потере точности.
Технический результат состоит в исключении необходимости установки точного распределения светового потока излучения светодиода между фотоприемниками и, как следствие, в уменьшении времени на подготовку и настройку аппаратуры к измерению.
1
2
н
1
н
2
н
н
Технический результат достигается тем, что через светодиод пропускают греющий ток заданной величины, излучение светодиода подается на два фотоприемника с различающимися функциями спектральной чувствительности, и температуру активной области светодиода определяют по изменению центральной длины волны излучения, отличающийся тем, что первый фотоприемник выбирается с гауссовой спектральной чувствительностью с шириной, во много раз превышающей ширину спектра светодиода, а второй - с равномерной спектральной чувствительностью в заданном диапазоне длин волн излучения, измеряют сигналы U(0) и U(0) фотоприемников сразу после подачи греющего тока и в заданный момент времени t после разогрева: U(t) и U(t), и температуру  активной области светодиода в момент времени t рассчитывают по формуле
λ
1
где , K - известный температурный коэффициент центральной длины излучения светодиода, σ - ширина спектральной чувствительности первого фотоприемника.
Технический результат достигается за счет того, что для определения температуры не требуется знать точное значение длины волны в максимуме спектра излучения светодиода, достаточно зарегистрировать и определить только значение сдвига этой длины волны. А, поскольку спектр светодиода слабо трансформируется в рабочем диапазоне температур, то для измерения сдвига центральной длины волны достаточно двух ФП: одного ФП с участком монотонно растущей (или монотонно спадающей) спектральной чувствительности и второго - с постоянной чувствительностью в заданном спектральном диапазоне. Так как с увеличением температуры интенсивность излучения светодиода падает, то для выделения полезного сигнала, вызванного только сдвигом спектра, надо учитывать это изменение интенсивность излучения. Для этого и необходим второй ФП с постоянной спектральной чувствительностью. При этом обработка измерительной информации сводится только к определению отношения сигналов ФП.
Суть предлагаемого технического решения состоит в том, что сигнал ФП с постоянной спектральной чувствительностью зависит только от интенсивности излучения, а сигнал второго ФП - и от интенсивности и от сдвига спектра с ростом температуры. Выберем первый ФП со спектральной характеристикой гауссова вида и запишем выражения для спектральных характеристик ФП:
m
1
1
где λ - длина волны, соответствующая максимуму функций S(λ) a σ - параметр этой функции, характеризующий ее ширину (фиг. 1, а). Характеристика вида (3а) легко реализуется путем применения широкополосного ФП и полосового фильтра с гауссовой характеристикой пропускания.
Спектр излучения светодиода для определенности представим гауссовой функцией
х
x
x
А - параметр, определяющий интенсивность излучения, λ - длина волны излучения в максимуме спектра светодиода, а σ - параметр, характеризующий ширину спектра светодиода.
Излучение со спектром I(λ при попадании на фотоприемники создает на выходе ФП устройств сигналы, величина которых в общем случае определяется выражениями
i
где k - доля излучения светодиода, попадающего на i-й ФП.
Подставляя в (5) выражения (4) и (3) после несложных преобразований с учетом того что  для величины сигналов на выходе ФП получим следующие выражения
н
Характер изменения сигналов ФП при разогреве светодиода показан на фиг. 1, б. Если измерить сигналы ФП до разогрева (в первые несколько микросекунд после включения светодиода, пока температура не успеет заметно измениться), и через заданное время t разогрева, то получим систему уравнений для нахождения сдвига спектра и, соответственно, температуры активной области светодиода:
н
Для отношения сигналов первого ФП в начале и конце нагрева светодиода (в заданный момент времени t) получим:
н
x
m
Отношение интенсивностей излучения находим из отношения сигналов второго ФП: . Тогда, при малом смещении спектра Δλ<<λ-λ можно записать
где .
Из (8) с учетом (1) нетрудно получить выражение для приращения температуры СИД в общем виде
m
1
m
x
1
н
1
1
н
н
1
а
Известно, что максимум крутизны спектральной чувствительности гауссовой формы будет в точке λ=λ±σ. И, если подобрать фильтр первого ФП так, чтобы λ≈λ±σ, то при обычном условии  и Δλ<<σ⋅Δλ<<1, и чувствительность ФП к сдвигу спектра будет определяться только значением σ: G(Δλ)≈(1+2Δλ/σ) и формула для расчета приращения температуры активной области светодиода существенно упроститься:
Заметим, что измеряемая величина определяется только отношениями сигналов ФП до и после разогрева светодиода рабочим током и не зависит от распределения излучения светодиода между ФП, что существенно упрощает реализацию способа, поскольку юстировка ФП относительно светового потока светодиода исключается.
Структурная схема одного из вариантов устройства, реализующего способ, представлена на фиг. 2. Устройство содержит: клеммы 1 для подключения контролируемого СИД; 2 - источник греющего тока; 3 - устройство управления; 4, 5 - ФП с гауссовой и постоянной спектральной чувствительностью, соответственно; 5, 6 - АЦП; 8 - вычислитель; 9 - индикатор.
1
2
1
2
0
н
Устройство работает следующим образом. Излучение контролируемого светодиода после подачи греющего тока от источника тока 2 по сигналу устройства управления 3 попадает на два ФП 4 и 5 со спектральными чувствительностями S(λ) и S(λ) соответственно. Сигналы U(t) и U(t) с выходов ФП поступают на входы АЦП 6 и 7, соответственно, которые по команде устройства управления в моменты времени t и t преобразуют эти напряжения в код и передают в вычислитель 8. Вычислитель по измеренным значениям сигналов ФП по формуле (6) вычисляет сначала значение H(Δλ) и затем рассчитывает приращение температуры активной области светодиода по формуле (7) или (8). Результат вычисления отображается на индикаторе 9.
У известных фильтров с гауссовой спектральной характеристикой значение σ≈40 нм. Относительный температурный коэффициент сигнала ФП даже для синего светодиода с малым температурным коэффициентом:
, то есть 0,2%/К.
Для красного СИД этот коэффициент примерно в 4 раза больше:
или 0,75%/К.
p-n
Для примера, температурный коэффициент прямого падения напряжения на кремниевом диоде составляет - 2 мВ/К. При напряжении на кремниевом диоде 0,8 В относительный температурный коэффициент U равен 0,25%/К.
н
Время t саморазогрева светодиода греющим током выбирается, исходя из задач контроля. Для контроля, например, качества пайки кристалла светодиода достаточно нескольких миллисекунд; при контроле качества сборки светодиода для саморазогрева его конструкции необходимо уже несколько секунд; для достижения стационарного теплового режима светодиодных изделий (светильников, панелей и т.п.) необходимо несколько минут или даже десятков минут.