Charakteryzowanie diod elektroluminescencyjnych za pomocą analizatora odpowiedzi częstotliwościowej i liniowego iniektora

Charakteryzowanie diod elektroluminescencyjnych za pomocą analizatora odpowiedzi częstotliwościowej i liniowego iniektora

Istnieje wiele parametrów elektrycznych diod LED, które są potrzebne np. do symulacji tych elementów w SPICE. W tym artykule skupimy się na pomiarze jednego z tych parametrów – rezystancji dynamicznej diody elektroluminescencyjnej.

Współcześnie, diody LED dominują w przemyśle oświetleniowym, zastępując żarówki, świetlówki kompaktowe i żarówki halogenowe. Charakteryzują się znacznie wyższą sprawnością, pozwalając na oszczędzanie energii, a jako urządzenia półprzewodnikowe charakteryzują się znacznie wyższą niezawodnością, niż klasyczne żarówki. Większość elementów LED jest zasilana przez sterowniki stałoprądowe w celu utrzymania równomiernego oświetlenia w rozmieszczeniu ciągłym źródeł, z dopasowaną intensywnością światła i temperaturą barwową. Stabilność pracy takiego impulsowego stabilizatora prądu uzależniona jest od dynamicznej impedancji diody LED. W artykule opisano metodykę pomiaru rezystancji dynamicznej diody LED.

W opisywanych poniżej pomiarach uwzględniono również pomiar pojemności diody LED spolaryzowanej w kierunku przewodzenia, ponieważ wpływa to na stabilność działania jej sterownika i może być ważne dla oceny poziomu generowanych zakłóceń elektromagnetycznych, szczególnie w przypadkach, gdy prąd diody LED jest modulowany z pomocą sygnału PWM (przebiegu o zmiennym wypełnieniu) w celu redukcji jasności diody.

Budowa diody LED

Dioda elektroluminescencyjna to półprzewodnikowe złącze P-N z napięciem przewodzenia, typowo w zakresie od 2,5 V do 3 V. Wiele aplikacji zawiera całe macierze diod LED w konfiguracjach równoległych i/lub szeregowych. Ponadto diody LED można kupić, jako gotowe moduły z wieloma złączami P-N z różnych materiałów, połączonych w konfiguracjach równoległych i/lub szeregowych. W artykule zignorowano układy macierzowe diod, traktując LED jak czarną skrzynkę, co oznacza, że jest ona charakteryzowana, jako cały komponent – niezależnie od tego, czy składa się z pojedynczej diody LED, czy z wielu diod LED. Podejście to może nie jest w 100% poprawne, jednak idealnie sprawdza się w praktyce projektowania i symulowania projektowanych urządzeń.

Przygotowanie testowanej diody

Pomiar parametrów elektrycznych diod LED wiąże się z dwoma wyzwaniami w porównaniu z innymi rodzajami pomiarów impedancji. Jednym z problemów jest to, że diody LED są bardzo jasne i w przypadkach takich jak diody laserowe mogą spowodować trwałe uszkodzenie oczu nawet, jeśli emitowane światło jest niewidoczne, jeśli środki ostrożności nie są ściśle przestrzegane. Konieczne jest zachowanie ostrożności w czasie tego rodzaju pomiarów, szczególnie w przypadku diod laserowych i zwracanie uwagi na to, gdzie pada emitowane światło.

Drugim problemem jest to, że diody LED, zwłaszcza dużej mocy, intensywnie nagrzewają się podczas pracy. Oznacza to, że wymagane jest odprowadzanie ciepła z diody – chłodzenie elementu. Jednym z powodów bezpośredniego pomiaru impedancji dynamicznej (zamiast używania pochodnej krzywej napięcia w funkcji prądu) jest fakt, że impedancja jest mniej wrażliwa na samonagrzewanie niż mierzone napięcia DC, więc stabilizacja temperatury jest mniejszym problemem w przypadku tego rodzaju pomiarów.

Jednym ze sposobów uzyskania impedancji dynamicznej diody LED jest dopasowanie krzywej do danych – napięcia i prądu dla napięcia stałego – do równania Shockleya, używając pierwszą pochodną napięcia z równania Shockleya w odniesieniu do prądu diody LED, co daje w rezultacie rezystancję dynamiczną badanej diody. Można to zrobić, ale wymaga to dużo dosyć złożonych obliczeń, co sprawia, że to podejście jest dosyć żmudne.

Istnieją jeszcze dwa inne problemy, związane z bezpośrednim użyciem napięcia i prądu w omawianym pomiarze:

  1. Napięcia będą dryfować wraz z samonagrzewaniem się diody. Bezpośredni pomiar rezystancji jest mniej wrażliwy na samonagrzewanie.
  2. Metoda bezpośredniego pomiaru impedancji zapewnia nie tylko informacje o rezystancji, ale także o indukcyjności i pojemności diody.

Z powyższych powodów, pomiar impedancji wprost, jest o wiele efektywniejszy, szczególnie, że ostatecznie chcemy opracować ogólny model SPICE dla diody LED, który będzie działał z każdym symulatorem SPICE w szerokim zakresie warunków, nie tylko dla DC. Model SPICE będzie nadal pasował do równania Shockleya, nawet, jeżeli zastosujemy metodę pomiaru bez dopasowywania pomiarów do tej zależności, ponieważ SPICE używa tego równania do reprezentowania złączy półprzewodnikowych.

Bezpośredni pomiar impedancji dostarczy dwóch kluczowych składników modelu SPICE, które razem pozwolą na przedstawienie impedancji LED, jako funkcji prądu diody. Do modelowania napięcia stałego diody LED wymagane będzie jedno napięcie DC, a pomiar ten można przeprowadzić przy niskim prądzie, gdzie samonagrzewanie się struktury diody jest mniejszym problemem.

W konfiguracji przygotowanej do pomiaru układ zawiera wentylator chłodzący i cztery matryce LED zamontowane na aluminiowym radiatorze. Szklana rurka działa jak kanał powietrzny, rozprowadzając powietrze chłodzące nad diodami LED. W module, pokazanym na fotografia 1 wszystkie cztery moduły LED zostały odłączone od ich fabrycznego sterownika, a następnie do jednego z nich podłączone zostały krótkie przewody, które pozwolą na podłączenie macierzy diodowej do układu pomiarowego. Następnie cała szklana rurka, pokrywająca moduł została zakryta szczelnie taśmą izolacyjną, aby jasne światło nie przeszkadzało w trakcie pomiaru – dzięki temu nie potrzebujemy ochrony oczu.

Fotografia 1. Otwarty układ do pomiaru z diodami LED. Zdemontowana została szklana rurka, odpowiedzialna za chłodzenie

Konfiguracja do pomiaru oporu dynamicznego

Celem pomiaru jest zmierzenie rezystancji dynamicznej diody LED przy różnych prądach roboczych. Dioda LED jest w trakcie pomiaru spolaryzowana prądem pracy, a następnie napięcie diody LED jest modulowane prądem zmiennym. Analizator odpowiedzi częstotliwościowej (FRA) służy do dostarczania sygnału modulacji podczas pomiaru napięcia modulacji na diodzie LED i prądu modulacji płynącego, przez diodę LED. Dzieląc napięcie przez prąd, otrzymujemy rezystancję dynamiczną diody LED.

Do pomiaru zastosowano moduł Picotest J2121 A, który istotnie upraszcza zadanie, zapewniając izolowany pomiar prądu i modulowane wyjście. Zasilanie tego iniektora z zasilacza stałoprądowego, takiego jak P9610 A, pozwala na precyzyjną kontrolę prądu diody w czasie trwania pomiaru. Konfiguracja układu podczas pomiaru pokazana jest na schemacie, znajdującym się na rysunku 1.

Rysunek 1. Schemat blokowy układu pomiarowego

Kalibracja systemu

Wiemy już, jak dokonać pomiaru, jednak, aby był on realnie przydatny i ścisły, trzeba skalibrować ustrój pomiarowy. W tym celu urządzenie Picotest J2121 A zawiera jednoomowy opornik kalibracyjny w wygodnym uchwycie. Zamiast niego oczywiście możliwe jest użycie dowolnego innego precyzyjnego opornika. Dla rezystora 1 Ω ustawiamy ograniczenie prądu zasilacza na 500 mA i podłączamy sondę napięciową do punktów pomiarowych kalibratora. Wykonujemy kalibrację THROUGH na FRA. Pozwoli to na odjęcie impedancji kabla od zmierzonych wartości. Konfiguracja układu do wykonania kalibracji jest pokazana na fotografii 2.

Fotografia 2. Kalibracja systemu testowego

Na fotografii 3 widzimy sposób podłączenia J2121 A do Bode 100 sterującego jednoomowym kalibratorem. Zasilanie stałoprądowe jest ustawione na 500 mA, a sonda napięciowa monitoruje napięcie kalibratora. Widzimy również izolowane złącze monitora prądu podłączone do kanału CH1 Bode 100 oraz wtyki bananowe, które połączą diodę LED z J2121 A.

Fotografia 3. Zbliżenie połączeń kalibratora

Przemiatanie częstotliwości

Po dokonaniu kalibracji układu, opornik, służący do kalibracji, zastępowany jest badaną diodą. Pomiar ten pokazano na fotografii 4. Dzięki zasłonięciu diody taśmą, nie jest ona nazbyt jasna i można przeprowadzić pomiar bez używania osłony wzroku, czy dodatkowego zasłaniania diody. Drugi zasilacz, widoczny na zdjęciach, dostarcza zasilania dla wentylatora chłodzącego diodę.

Fotografia 4. Pomiar rezystancji dynamicznej diody LED

Przemiatanie częstotliwości i pomiary rezystancji dynamicznej są zapisywane w pamięci wraz z prądem roboczym. Przemiatanie odbywa się w zakresie od 10 mA do 1,5 A. Rosnące nachylenie przy wyższych prądach polaryzacji, widoczne na czarnym wykresie, między 100 Hz a 100 kHz, może być spowodowane samonagrzewaniem się diody LED. Przy niskim prądzie dioda LED reprezentuje wysoką rezystancję, a sygnał jest większy. Wyniki pomiarów pokazano na rysunkach 2 i 3.

Rysunek 2. Część przykładowej tabeli z wynikami
Rysunek 3. Wykres impedancji w funkcji częstotliwości dla różnych prądów od 10 mA do 1,5 A

Aby uzyskać dokładniejsze wyniki, od zmierzonych wartości powinniśmy odjąć rezystancję (i indukcyjność) krótkich przewodów łączących J2121 A z mierzoną macierzą LED. W pokazanej w tym artykule konfiguracji jest to około 20 mΩ.

Nikodem Czechowski, EP

Źródło: www.allaboutcircuits.com

Artykuł ukazał się w
Elektronika Praktyczna
lipiec 2023

Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik czerwiec 2024

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio maj - czerwiec 2024

Świat Radio

Magazyn krótkofalowców i amatorów CB

Automatyka, Podzespoły, Aplikacje maj 2024

Automatyka, Podzespoły, Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna czerwiec 2024

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Elektronika dla Wszystkich czerwiec 2024

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów