RU2676246C1 - Способ измерения температуры активной области светодиода - Google Patents
Способ измерения температуры активной области светодиода Download PDFInfo
- Publication number
- RU2676246C1 RU2676246C1 RU2017139686A RU2017139686A RU2676246C1 RU 2676246 C1 RU2676246 C1 RU 2676246C1 RU 2017139686 A RU2017139686 A RU 2017139686A RU 2017139686 A RU2017139686 A RU 2017139686A RU 2676246 C1 RU2676246 C1 RU 2676246C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- led
- temperature
- radiation
- active region
- spectral sensitivity
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 20
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 30
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims abstract description 23
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 21
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 claims abstract description 20
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims abstract description 18
- 230000008859 change Effects 0.000 claims abstract description 7
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000010792 warming Methods 0.000 abstract 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 14
- 238000000295 emission spectrum Methods 0.000 description 6
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 5
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 3
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 2
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 238000013021 overheating Methods 0.000 description 1
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 238000005476 soldering Methods 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 238000000844 transformation Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
- G01J5/60—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using determination of colour temperature
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
- G01R31/26—Testing of individual semiconductor devices
- G01R31/2607—Circuits therefor
- G01R31/2632—Circuits therefor for testing diodes
- G01R31/2635—Testing light-emitting diodes, laser diodes or photodiodes
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
- G01R31/26—Testing of individual semiconductor devices
- G01R31/265—Contactless testing
- G01R31/2656—Contactless testing using non-ionising electromagnetic radiation, e.g. optical radiation
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Toxicology (AREA)
- Led Devices (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области измерительной техники и касается способа измерения температуры активной области светодиода. Способ заключается в том, что через светодиод пропускают греющий ток заданной величины, излучение светодиода подается на два фотоприемника и температуру активной области светодиода определяют по изменению центральной длины волны излучения. Первый фотоприемник выбирается с гауссовой спектральной чувствительностью с шириной, во много раз превышающей ширину спектра светодиода. Второй фотоприемник имеет равномерную спектральную чувствительность в заданном диапазоне длин волн излучения. При проведении измерений измеряют сигналы фотоприемников U1(0) и U2(0) сразу после подачи греющего тока и U1(tн) и U2(tн) в заданный момент времени tн после разогрева. Температуру Тпн активной области светодиода в момент времени tн рассчитывают по формуле
Description
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.
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 KU 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
где UT и U0 - падение напряжения на светодиоде при заданном токе до нагрева, то есть при температуре T0, 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):
где Kλ - 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.
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 U1(0) и U2(0) фотоприемников сразу после подачи греющего тока и в заданный момент времени tн после разогрева: U1(tн) и U2(tн), и температуру 
активной области светодиода в момент времени tн рассчитывают по формуле
где 
, Kλ - известный температурный коэффициент центральной длины излучения светодиода, σ1 - 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:
где λm - длина волны, соответствующая максимуму функций S1(λ) a σ1 - 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
Ах - параметр, определяющий интенсивность излучения, λx - длина волны излучения в максимуме спектра светодиода, а σx - 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
где ki - 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
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 tн разогрева, то получим систему уравнений для нахождения сдвига спектра и, соответственно, температуры активной области светодиода:
Для отношения сигналов первого ФП в начале и конце нагрева светодиода (в заданный момент времени tн) получим:
Отношение интенсивностей излучения находим из отношения сигналов второго ФП: 
. Тогда, при малом смещении спектра Δλн<<λx-λm можно записать
где 
.
Из (8) с учетом (1) нетрудно получить выражение для приращения температуры СИД в общем виде
Известно, что максимум крутизны спектральной чувствительности гауссовой формы будет в точке λ=λm±σ1. И, если подобрать фильтр первого ФП так, чтобы λm≈λx±σ1, то при обычном условии 
и Δλн<<σ1 а⋅Δλ<<1, и чувствительность ФП к сдвигу спектра будет определяться только значением σ1: G(Δλн)≈(1+2Δλн/σ1) 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.
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 S1(λ) и S2(λ) соответственно. Сигналы U1(t) и U2(t) с выходов ФП поступают на входы АЦП 6 и 7, соответственно, которые по команде устройства управления в моменты времени t0 и tн 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:
Для красного СИД этот коэффициент примерно в 4 раза больше:
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 Up-n равен 0,25%/К.
Время tн 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.
Claims (3)
- Способ измерения температуры активной области светодиода, заключающийся в том, 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 U1(0) и U2(0) фотоприемников сразу после подачи греющего тока и в заданный момент времени tн после разогрева: U1(tн) и U2(tн), и температуру Тпн активной области светодиода в момент времени tн рассчитывают по формуле
-
- где, Кλ - известный температурный коэффициент центральной длины излучения светодиода, σ1 - ширина спектральной чувствительности первого фотоприемника, Т0 - температура активной области светодиода до разогрева.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017139686A RU2676246C1 (ru) | 2017-11-14 | 2017-11-14 | Способ измерения температуры активной области светодиода |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017139686A RU2676246C1 (ru) | 2017-11-14 | 2017-11-14 | Способ измерения температуры активной области светодиода |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2676246C1 true RU2676246C1 (ru) | 2018-12-26 |
Family
ID=64753837
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2017139686A RU2676246C1 (ru) | 2017-11-14 | 2017-11-14 | Способ измерения температуры активной области светодиода |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2676246C1 (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2727340C1 (ru) * | 2019-12-04 | 2020-07-21 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д.И. Менделеева" | Способ измерения действительной температуры и спектральной излучательной способности объекта |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2008020841A1 (en) * | 2006-08-15 | 2008-02-21 | X-Rite, Incorporated | Sensing temperature of a light emitting diode |
| JP2014096573A (ja) * | 2012-10-09 | 2014-05-22 | Ｈｏｙａ Ｃａｎｄｅｏ Ｏｐｔｒｏｎｉｃｓ株式会社 | 発光ダイオードジャンクション温度測定装置、発光ダイオードジャンクション温度測定方法、発光ダイオードジャンクション温度測定プログラム及び光照射装置 |
| RU2609815C2 (ru) * | 2015-06-03 | 2017-02-06 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук | Способ измерения переходной тепловой характеристики светоизлучающего диода |
-
2017
- 2017-11-14 RU RU2017139686A patent/RU2676246C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2008020841A1 (en) * | 2006-08-15 | 2008-02-21 | X-Rite, Incorporated | Sensing temperature of a light emitting diode |
| JP2014096573A (ja) * | 2012-10-09 | 2014-05-22 | Ｈｏｙａ Ｃａｎｄｅｏ Ｏｐｔｒｏｎｉｃｓ株式会社 | 発光ダイオードジャンクション温度測定装置、発光ダイオードジャンクション温度測定方法、発光ダイオードジャンクション温度測定プログラム及び光照射装置 |
| RU2609815C2 (ru) * | 2015-06-03 | 2017-02-06 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук | Способ измерения переходной тепловой характеристики светоизлучающего диода |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| А.В. Ульянов и др. "Методы и средства оперативного контроля параметров спектра узкополосного оптического излучения", АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ УПРАВЛЕНИЯ, No 4 (42), 2015 г., стр. 115-120. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2727340C1 (ru) * | 2019-12-04 | 2020-07-21 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д.И. Менделеева" | Способ измерения действительной температуры и спектральной излучательной способности объекта |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN102422711B (zh) | 用于感测光特性的方法和电路 | |
| CN101354287B (zh) | 一种光谱仪及其校正方法 | |
| EP1922532B1 (en) | Spectrophotometer with temperatur corrected system response | |
| US8699023B2 (en) | Reflectivity measuring device, reflectivity measuring method, membrane thickness measuring device, and membrane thickness measuring method | |
| US8587783B2 (en) | Spectral estimation parameter generation device, method of generating spectral estimation parameter, and spectral estimation device | |
| DE102012007016B3 (de) | Optischer Gassensor | |
| US10323985B2 (en) | Signal processing for tunable Fabry-Perot interferometer based hyperspectral imaging | |
| KR20080083307A (ko) | 조명 유닛의 특성 결정 장치 및 조명 시스템과 광원 특성결정 방법 | |
| RU2676246C1 (ru) | Способ измерения температуры активной области светодиода | |
| CN104792710A (zh) | 一种物体光学特性测量装置 | |
| WO2005001399A2 (en) | Method and apparatus for measuring bandwidth of an optical spectrum output of a very small wavelength very narrow bandwidth high power laser | |
| KR900005778B1 (ko) | 온도측정장치 | |
| CN108398191A (zh) | 基于光纤光谱仪的高精度色温测量方法及系统 | |
| CN114026396A (zh) | 检测器灵敏度的光谱重建 | |
| CN201069388Y (zh) | 一种光谱仪 | |
| JP5743189B2 (ja) | 光学測定装置および光学測定方法 | |
| RU169583U1 (ru) | Устройство для калибровки микроволнового радиометра | |
| CN102564573B (zh) | 多波长激光功率时分测量方法 | |
| RU2609815C2 (ru) | Способ измерения переходной тепловой характеристики светоизлучающего диода | |
| US20170370774A1 (en) | Direct-Stimulus-Valve-Reading-Type Colorimetric Photometer | |
| Vannacci et al. | Study of the Light Emitting Diode as a photoreceptor: Spectral and electrical characterization as function of temperature and lighting source | |
| CN115291071B (zh) | 基于锁相放大器的led阵列光热一体检测装置及方法 | |
| CA2677282A1 (en) | Apparatus and method for the spectral diagnosis of substances and/or surfaces | |
| Hahn et al. | Interpolation equation for the calibration of infrared pyrometers | |
| RU2018133722A (ru) | Способ измерения переходной тепловой характеристики светодиода |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20191115 |