ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКОЙ МОЩНОСТИ ИЗЛУЧЕНИЯ И ТЕМПЕРАТУРЫ ЧИПА УФ-СВЕТОДИОДА В ИМПУЛЬСНОМ РЕЖИМЕ
Исследование оптической мощности излучения УФ-светодиода
69
УДК 621.384.4
Ю. Н. ВЕДЕРНИКОВ, И. А. ЕРМАКОВ, Б. П. ПАПЧЕНКО, А. Н. ПИЧУГИН, Е. В. ТАРАКАНОВ
ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКОЙ МОЩНОСТИ ИЗЛУЧЕНИЯ И ТЕМПЕРАТУРЫ ЧИПА УФ-СВЕТОДИОДА В ИМПУЛЬСНОМ РЕЖИМЕ
Исследована возможность работы УФ-светодиодов в импульсном режиме при повышенном рабочем токе и напряжении. Приведены результаты измерения оптической мощности излучения и температуры чипов УФ-светодиодов.
Ключевые слова: УФ-светодиод, импульсный режим, энергия излучения, температурное поле.
В настоящее время область применения светодиодных источников света очень широка. Успехи в разработке мощных УФ-светодиодов позволяют использовать их в системах фотокаталитической очистки, физиотерапии, при люминесцентном анализе, инициации химических реакций в высокоэнергетических веществах, а также в качестве средства бактерицидного воздействия [1].
При использовании светодиодов в некоторых специализированных устройствах, например при фотокаталитической очистке [2] или в системах инициации химических реакций [3, 4], для достижения желаемого результата в ряде случаев необходимо повышать оптическую мощность излучения. Наиболее простой и эффективный способ добиться этого — переход от непрерывного режима работы к импульсному. При этом следует учитывать соотношения таких связанных между собой параметров, как длительность импульса, частота, скважность и амплитуда тока.
В ходе проведенных авторами исследований были проанализированы светотехнические и температурные характеристики УФ-светодиодов NSHU591A, NSHU551A фирмы “Nichia Corporation” (Япония) в режиме одиночных импульсов при повышенном рабочем токе; паспортные параметры светодиодов: напряжение 4 В, ток 25 мА, максимальная мощность
8,5 мВт, максимальная рабочая температура 100 °С. В паспортных данных не приводятся эксплуатационные характеристики работы светодиодов в импульсном режиме, поэтому следует проводить собственные исследования.
Задача исследования состояла в определении зависимости мощности излучения (W) светодиодов от значений прямого импульсного тока (I) и напряжения (U) при разной длительности (t) электрического однократного импульса.
Исследования проводились с помощью пироэлектрической головки PE-50С, Ophir; тепловизора FLIR SC7000, FLIR System; цифрового осциллографа 3021B, Tektronix; генератора импульсов Г5-63 и источника питания PS-2403D. Схема подключения приборов представлена на рис. 1.
Результаты измерений оптической мощности излучения приведены в таблице.
t, мс U, В 4
0,5 12 27 4
1 12 27 4
5 12 27
I, мА 60 75 89 62 83 84 47 75 80
E, мкДж 4,25 4,45 4,75 9,3 10,1 10,7 49 53 55,5
W, мВт 8,5 8,9 9,5 9,3 10,1 10,7 9,8 10,6 11,1
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 9
70 Ю. Н. Ведерников, И. А. Ермаков, Б. П. Папченко и др.
Как следует из таблицы, при увеличении длительности импульса от 0,5 до 5 мс и напряжения от 4 до 27 В, наблюдается 30 %-ное увеличение мощности импульса (с 8,5 до 11,1 мВт), что не приводит к потере работоспособности светодиода.
Измеритель мощности
Генератор импульсов
Фотодиод
Светодиод
Макет импульсного
блока питания
Осциллограф двухканальный
запоминающий
Вх. 1
Вх. 2
Источник питания
Рис. 1
Исследования температурных характеристик чипов светодиодов показали следующее: — в непрерывном режиме при U = 3,5 В и I = 25 мА чип нагревается до температуры Т≈80 °С; температурное поле светодиода показано на рис. 2;
60,00 57,70 55,27 52,70 49,98 47,07 43,94 40,55 36,85 32,76 28,17 22,92 19,99 Т, °С
Рис. 2
— в импульсном режиме при U = 4 В, I = 80 мА и увеличении длительности импульса с 1 до 5 мс температура чипа светодиода возрастает с 240 до 310 °С; при данной длительности импульса кратковременное увеличение температуры чипа не приводит к потере его работоспособности;
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 9
Исследование оптической мощности излучения УФ-светодиода
71
— при U = 8 В, I = 0,32 А и t = 550 мкс мощность импульса составляет 9 мВт, а темпера-
тура чипа достигает 65 °С (рис. 3, здесь по оси абсцисс отложена длительность импульса, пересчитанная относительно количества кадров в микросекунду);
Т, °С
60,00
55,00
50,00
45,00
40,00
35,00
30,00
25,00
20,00
15,00 3000
3080
3160 3220 3280 3360 t, кадр/мкс
Рис. 3
— при U = 20 В, I = 1,6 А и t = 200 мкс температура чипа светодиода превышает макси-
мально допустимую, что приводит к выходу его из строя (рис. 4).
Т, °С
340,00
320,00
300,00
280,00
260,00
240,00
220,00
200,00
180,00
160,00
140,00
120,00
100,00
80,00 0
200 400 600 800 1000 t, кадр/мкс
Рис. 4
Таким образом, как показали исследования, при импульсном режиме можно повысить
оптическую мощность излучения, не превышая температуру, при которой светодиод выходит
из строя. При этом длительность, частота и скважность импульса могут изменяться в зависи-
мости от практической задачи.
Статья подготовлена по результатам работы, выполненной по договору № 212186 между НИУ ИТМО и ОАО «НПП „Краснознамёнец“» (Санкт-Петербург) в рамках гос. контракта № 11411.1000400.16.032.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Li J., Hirota K., Yumoto H., Matsuo T., Miyake Y., Ichikawa T. Enhanced germicidal effects of pulsed UV-LED irradiation on biofilms // J. of Applied Microbiology. 2010. N 109. Р. 2183—2190.
2. Зайнишев А. В., Полунин Г. А. Перспективный способ очистки воздуха производственных помещений и кабин мобильных агрегатов от оксида углерода // Интернет-журнал „Технологии техносферной безопасности“. 2012. Вып. 6 (46). [Электронный ресурс]: .
3. WIPO Patent Application WO/2011/140549 [Электронный ресурс]: .
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 9
72 Ю. Н. Ведерников, И. А. Ермаков, Б. П. Папченко и др.
4. Optical Initiation of Explosives. Award Information [Электронный ресурс]: .
Юрий Николаевич Ведерников Иван Андреевич Ермаков
Борис Петрович Папченко
Александр Николаевич Пичугин Евгений Васильевич Тараканов
Сведения об авторах — канд. техн. наук; ОАО «НПП „Краснознамёнец“», Санкт-Петербург;
ст. науч. сотрудник; E-mail: vedjrnik@mail.ru — инженер; Санкт-Петербургский национальный исследовательский
университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра лазерной техники и биомедицинской оптики; E-mail: ermik89@mail.ru — Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра лазерной техники и биомедицинской оптики; начальник НТО НИЧ; E-mail: b.p.papchenko@gmail.com — Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра лазерной техники и биомедицинской оптики; техник-метролог — Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра лазерной техники и биомедицинской оптики; ведущий инженер
Рекомендована кафедрой лазерной техники и биомедицинской оптики
Поступила в редакцию 26.04.13 г.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 9
69
УДК 621.384.4
Ю. Н. ВЕДЕРНИКОВ, И. А. ЕРМАКОВ, Б. П. ПАПЧЕНКО, А. Н. ПИЧУГИН, Е. В. ТАРАКАНОВ
ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКОЙ МОЩНОСТИ ИЗЛУЧЕНИЯ И ТЕМПЕРАТУРЫ ЧИПА УФ-СВЕТОДИОДА В ИМПУЛЬСНОМ РЕЖИМЕ
Исследована возможность работы УФ-светодиодов в импульсном режиме при повышенном рабочем токе и напряжении. Приведены результаты измерения оптической мощности излучения и температуры чипов УФ-светодиодов.
Ключевые слова: УФ-светодиод, импульсный режим, энергия излучения, температурное поле.
В настоящее время область применения светодиодных источников света очень широка. Успехи в разработке мощных УФ-светодиодов позволяют использовать их в системах фотокаталитической очистки, физиотерапии, при люминесцентном анализе, инициации химических реакций в высокоэнергетических веществах, а также в качестве средства бактерицидного воздействия [1].
При использовании светодиодов в некоторых специализированных устройствах, например при фотокаталитической очистке [2] или в системах инициации химических реакций [3, 4], для достижения желаемого результата в ряде случаев необходимо повышать оптическую мощность излучения. Наиболее простой и эффективный способ добиться этого — переход от непрерывного режима работы к импульсному. При этом следует учитывать соотношения таких связанных между собой параметров, как длительность импульса, частота, скважность и амплитуда тока.
В ходе проведенных авторами исследований были проанализированы светотехнические и температурные характеристики УФ-светодиодов NSHU591A, NSHU551A фирмы “Nichia Corporation” (Япония) в режиме одиночных импульсов при повышенном рабочем токе; паспортные параметры светодиодов: напряжение 4 В, ток 25 мА, максимальная мощность
8,5 мВт, максимальная рабочая температура 100 °С. В паспортных данных не приводятся эксплуатационные характеристики работы светодиодов в импульсном режиме, поэтому следует проводить собственные исследования.
Задача исследования состояла в определении зависимости мощности излучения (W) светодиодов от значений прямого импульсного тока (I) и напряжения (U) при разной длительности (t) электрического однократного импульса.
Исследования проводились с помощью пироэлектрической головки PE-50С, Ophir; тепловизора FLIR SC7000, FLIR System; цифрового осциллографа 3021B, Tektronix; генератора импульсов Г5-63 и источника питания PS-2403D. Схема подключения приборов представлена на рис. 1.
Результаты измерений оптической мощности излучения приведены в таблице.
t, мс U, В 4
0,5 12 27 4
1 12 27 4
5 12 27
I, мА 60 75 89 62 83 84 47 75 80
E, мкДж 4,25 4,45 4,75 9,3 10,1 10,7 49 53 55,5
W, мВт 8,5 8,9 9,5 9,3 10,1 10,7 9,8 10,6 11,1
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 9
70 Ю. Н. Ведерников, И. А. Ермаков, Б. П. Папченко и др.
Как следует из таблицы, при увеличении длительности импульса от 0,5 до 5 мс и напряжения от 4 до 27 В, наблюдается 30 %-ное увеличение мощности импульса (с 8,5 до 11,1 мВт), что не приводит к потере работоспособности светодиода.
Измеритель мощности
Генератор импульсов
Фотодиод
Светодиод
Макет импульсного
блока питания
Осциллограф двухканальный
запоминающий
Вх. 1
Вх. 2
Источник питания
Рис. 1
Исследования температурных характеристик чипов светодиодов показали следующее: — в непрерывном режиме при U = 3,5 В и I = 25 мА чип нагревается до температуры Т≈80 °С; температурное поле светодиода показано на рис. 2;
60,00 57,70 55,27 52,70 49,98 47,07 43,94 40,55 36,85 32,76 28,17 22,92 19,99 Т, °С
Рис. 2
— в импульсном режиме при U = 4 В, I = 80 мА и увеличении длительности импульса с 1 до 5 мс температура чипа светодиода возрастает с 240 до 310 °С; при данной длительности импульса кратковременное увеличение температуры чипа не приводит к потере его работоспособности;
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 9
Исследование оптической мощности излучения УФ-светодиода
71
— при U = 8 В, I = 0,32 А и t = 550 мкс мощность импульса составляет 9 мВт, а темпера-
тура чипа достигает 65 °С (рис. 3, здесь по оси абсцисс отложена длительность импульса, пересчитанная относительно количества кадров в микросекунду);
Т, °С
60,00
55,00
50,00
45,00
40,00
35,00
30,00
25,00
20,00
15,00 3000
3080
3160 3220 3280 3360 t, кадр/мкс
Рис. 3
— при U = 20 В, I = 1,6 А и t = 200 мкс температура чипа светодиода превышает макси-
мально допустимую, что приводит к выходу его из строя (рис. 4).
Т, °С
340,00
320,00
300,00
280,00
260,00
240,00
220,00
200,00
180,00
160,00
140,00
120,00
100,00
80,00 0
200 400 600 800 1000 t, кадр/мкс
Рис. 4
Таким образом, как показали исследования, при импульсном режиме можно повысить
оптическую мощность излучения, не превышая температуру, при которой светодиод выходит
из строя. При этом длительность, частота и скважность импульса могут изменяться в зависи-
мости от практической задачи.
Статья подготовлена по результатам работы, выполненной по договору № 212186 между НИУ ИТМО и ОАО «НПП „Краснознамёнец“» (Санкт-Петербург) в рамках гос. контракта № 11411.1000400.16.032.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Li J., Hirota K., Yumoto H., Matsuo T., Miyake Y., Ichikawa T. Enhanced germicidal effects of pulsed UV-LED irradiation on biofilms // J. of Applied Microbiology. 2010. N 109. Р. 2183—2190.
2. Зайнишев А. В., Полунин Г. А. Перспективный способ очистки воздуха производственных помещений и кабин мобильных агрегатов от оксида углерода // Интернет-журнал „Технологии техносферной безопасности“. 2012. Вып. 6 (46). [Электронный ресурс]: .
3. WIPO Patent Application WO/2011/140549 [Электронный ресурс]: .
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 9
72 Ю. Н. Ведерников, И. А. Ермаков, Б. П. Папченко и др.
4. Optical Initiation of Explosives. Award Information [Электронный ресурс]: .
Юрий Николаевич Ведерников Иван Андреевич Ермаков
Борис Петрович Папченко
Александр Николаевич Пичугин Евгений Васильевич Тараканов
Сведения об авторах — канд. техн. наук; ОАО «НПП „Краснознамёнец“», Санкт-Петербург;
ст. науч. сотрудник; E-mail: vedjrnik@mail.ru — инженер; Санкт-Петербургский национальный исследовательский
университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра лазерной техники и биомедицинской оптики; E-mail: ermik89@mail.ru — Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра лазерной техники и биомедицинской оптики; начальник НТО НИЧ; E-mail: b.p.papchenko@gmail.com — Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра лазерной техники и биомедицинской оптики; техник-метролог — Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра лазерной техники и биомедицинской оптики; ведущий инженер
Рекомендована кафедрой лазерной техники и биомедицинской оптики
Поступила в редакцию 26.04.13 г.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 9