Kiss Zoltán - kelet-Európai értékesítési vezető Endrich GmbH.
A LED-szelekciók fizikai alapja – Fénytechnikai alapfogalmak és a binning
2013 február 8.
Összefoglalás :
A fotometria a fény, mint az emberi szem által érzékelhető spektrumú elektromágneses hullám jellemzőinek mérésére alkalmazott tudomány. Az emberi szem olyan érzékszerv, mely eltérően reagál különböző hullámhosszakra és erősen szubjektív módon érzékel különböző embereknél. Ahhoz, hogy az alkalmazott méréstechnikai eljárások számára egységes fotometriai szabályrendszer legyen biztosítható, nemzetközi szabványokban foglalták össze a mérési eljárásokat. A fotometria alkalmazása tulajdonképpen a receptorok hullámhossztól függő, eltérő érzékenységét hivatott kiküszöbölni.A fenti szabványok nemzetközi megegyezések szerint kétféle fénymérési eljárást írnak elő, az úgynevezett V(λ) és a V’(λ) láthatósági függvény szerinti mérést, melyek az ún. láthatósági tényező spektrális eloszlását reprezentálják. Előbbi az emberi szem normál napközbeni fényviszonyokhoz adaptálódott fotopikus, utóbbi az alacsony megvilágításhoz tartozó szkotopikus látásra vonatkozó relatív érzékelést írja le. A két véglet között a közepes megvilágításra (alkonyat) a mezopikus fotometria eljárásrendszere biztosít átmenetet. Az alkalmazandó fényérzékelőknek a fenti körülményekhez adaptálódott emberi szemhez hasonló érzékenységgel kell rendelkezni, így V(λ) és a V’(λ) fotometrikus szenzorokat kell használni.
Fotometriai mértékegységek
A LED gyártók és a lámpatestgyártók katalógusaiban különböző mértékegységekkel találkozunk a fényerősség jellemzésére, nem mindig egyszerű eldönteni, hogy mi jellemzi magát a fényforrást és mit jelent ez a fényerősség a gyakorlatban, a megvilágítani szándékozott objektum számára. Nehéz csak az alapadatok figyelembevételével eldönteni, hogy a meglévő fénytechnika kiváltható-e azzal a LED alapú megoldással, amit éppen adatlap szinten vizsgálunk. Ez a feladat nagyon összetett, és alapvetően szükséges hozzá a különböző fotometriai mértékegységek ismerete.
A fényintenzitás (fényerősség - luminous intensity)
Egy fényforrás adott irányban és szögben kibocsátott fénykisugárzásának a mértéke, SI mértékegysége a candela (cd). Definíciója azonban csak egy adott hullámhosszra és adott sugárzási intenzitásra érvényes, mert az emberi szem ugyanolyan intenzitású, de eltérő frekvenciájú sugárzásra különböző mértékben reagál, legérzékenyebb sárga-zöld tartományban az 555 nm körüli hullámhosszon, ami az emberi fotopikus látás érzékelési maximuma közelébe esik.
Definíció szerint az egy kandela az olyan fényforrás fényerőssége adott irányban, mely monokromatikus 555 nm hullámhosszú és 1/683 W/sr intenzitású sugárzást bocsát ki.
Az egy steradian az a térszög (kúp), mely sugárzási szöggel egy 1 méter sugarú gömb közepében elhelyezkedő, egyenletesen világító fényforrás a gömb belső héjának pontosan 1 négyzetméternyi területét világítja meg. (lásd ábra).
Ha a fényforrás pontszerű és annak sugárzási szöge is kicsi, akkor kis energiájú kibocsátás esetén is erős fényt érzékelünk, tehát a látszólagos fénykibocsátást meg kell különböztetnünk a forrásra jellemző fényerősség területegységre eső hányadától, melyet a candela/m2 mértékegység ír le és elterjedt elnevezése a fénysűrűség.
A valóságban a fényforrások sosem 555 nm-es hullámhosszú monokromatikus fényt adnak, hanem a látható spektrum egészén vagy annak egy részén sugároznak. Sokkal kisebb energia szükséges az emberi szem számára a sárga-zöld spektrumban keltett ugyanolyan érzethez, mint a kék és a vörös tartományokban. A gyakorlatban a fehér fényforrás fényerőssége felfogható az adott hullámhosszon kibocsátott energia és az emberi szem ezen a hullámhosszon értelmezett érzékenységének szorzataként. Ezeknek az értékeknek a zöld-sárga tartománybeli láthatósághoz viszonyított értékét spektrális fényhatásfokként foghajuk fel, melynek hullámhossz szerinti eloszlását reprezentálja a relatív intenzitást leíró fotopikus V(λ) és szkotopikus V’(λ) láthatósági függvény, melyeket nagy számú emberen végzett vizsgálatok eredményeinek átlagolásával határoztak meg. Ezen függvények felhasználásával kapcsolat teremthető az emberi szem által és a mérhető fizikai mennyiségek (energia kibocsátás) alapján érzékelt fényerősség között, így a láthatósági függvények alapján működő szenzorok jól reprezentálják a valóságos fényérzetet.
A candela a fényerősség mértékegysége, azonban a forrás emittálhat 1 candelát minden irányban, vagy csak egy meghatározott szűk fénypászmában, a intenzitás ugyanaz lesz, azonban a kibocsátott energia-fluxus már nem. A teljes fényáram (fluxus, total liminous flux) egy az irodalomban szintén gyakran megtalálható fogalom, mely egy forrás a tér minden irányába (4π steradian teljes térszögben) kisugárzott fénymennyiségét írja le. Mértékegysége a lumen (lm) és a candelából az alábbi módon származtatható:
Mivel a gömb a teljes 4π steradian térszögnek felel meg, egy a teljes térben egyenletesen sugárzó forrás fényárama az alábbi formulával írható le:
A világítótestek gyártói fényeloszlási diagramokat mellékelnek termékeikhez. Ezek a jelleggörbék a fényerősség értékeket mutatják a sugárzási szög függvényében. Az ábrán látható eloszlási görbéről leolvasható, hogy a világítótest kb. 400 cd fényerősséget emittál az optikai tengelytől mért 45° irányban, még a tengelyirányú fényerősség 490 cd. Függetlenül az elé helyezett objektum távolságától, az adott irányban a fényerősség állandó, azonban semmit sem tudunk a tárgyon érzékelhető fényviszonyokról, pedig ez lenne a tervezőmérnökök számára a legfontosabb adat, ha például létező hagyományos világítás LED alapú megoldással való kiváltásának várható hatását vizsgálják a fényforrástól adott irányban és adott távolságban. A kibocsátott fényenergia teszi a tárgyat láthatóvá és az energiasűrűség határozza meg a megvilágítás mértékét, amely szintén fontos fotometriai fogalom. Mértékegysége a lux és definíciója szerint az adott felületre beeső fényáramnak és a felületnek a hányadosa, azaz a fényáram felület szerinti sűrűsége. Pontszerű fényforrás esetén a fény irányára merőleges felületen a megvilágítás a fényintenzitás és a távolság négyzetének a hányadosa. Ha ismét a világítótest eloszlási ábráját tekintjük, akkor kiolvasható, hogy a candela érték 60 fokos irányban kb. 230, ami 230 lumennek felel meg egy 1 steradian térszögű pászma esetére, ami pontosan 1 m2 területet világít meg az egységugarú gömb belső felületén. Ebben a távolságban (1m) az 1 m2 felület pontosan 230 lumen fényáramot kap, ami 230 lux megvilágítást jelent, azonban 3 méteren csak ennek kilenced részét, azaz kb. 25.6 lux megvilágítást kapunk.
1000 lumen fényáram 1 m2–es területen való koncentrálása 1000 lux megvilágítást jelent, míg egy 10 m2–es területen ez az érték mindössze 100 lux. Így a lux és lumen értékek összefüggése az alábbiakban határozható meg:
Miután részletesen értelmeztük a fény erősségével kapcsolatos fogalmakat, ki kell térni a színérzet kérdéskörére is. Mivel az írásunkban elsősorban világítástechnika megoldások támogatását célozzuk, elsősorban a fehér fényről kell beszélnünk. A fehér szín leírására használt legfontosabb világítástechnikai fogalom a színhőmérséklet, melyet Kelvinben adnak meg és a meleg (sárgás) színkarakterisztikától a hideg (kékes) árnyalatokig értelmezett. Tudományosabb definíciója szerint a színhőmérséklet egy feltételezett izzó fekete-test által létrehozott színérzet, melyet az izzás hőmérsékletével jellemzünk. Mivel a Led (és egyéb modern) technológiák nem hőmérsékleti sugárzás elvén működő fény- források, a színhőmérsékletnek fizikai értelmezése nincsen, ezért ezekben az esetekben korrelált színhőmérsékletről (CCT - correlated color temperature) beszélünk és fényforrás fénye által létrehozott színérzetet a hozzá legközelebb eső színérzetet adó fekete-test színhőmérsékletéhez igazítjuk. Az izzó fényforrások folytonos spektrumban sugároznak, így az általuk megvilágított objektum minden színét képesek megjeleníteni.
Az olyan fényforrások, melyeket korrelált színhőmérséklettel jellemzünk (pl. fehér LED), nem rendelkeznek egyenletes sugárzással a spektrum összes hullámhosszán, ezért az általuk visszaadott színérzet nem tökéletes. A fényforrások színvisszaadására jellemző mennyiség az ún. színvisszaadási tényező - CRI (color rendering index), mely az izzó fekete test sugárzók esetében a maximális 100-as érték. Professzionális megvilágítás esetén, a technológiától függetlenül, minimálisan 90-es CRI értéket kell biztosítani.
LED-ek osztályozása fizikai jellemzők szerint - binning
A LED alapú technológia gyors fejlődése a világítástechnika számos területén nyitott lehetőséget alkalmazására, az épület- és utcavilágítástól kezdve az autóipari megvilágítási feladatokig mindenütt használatban van. A hagyományos világítástechnikai szabványok betartása ezzel a merőben eltérő technikával sok fejtörést okoz a terület specialistáinak. Ahhoz, hogy a hatékony gyártási folyamatokat tegyenek lehetővé, a gyártók különféle osztályozási eljárásoknak vetik alá a világító diódákat, ezen osztályozások gyűjtőneve a „binning”. A legfontosabb tulajdonságok a szín és a fényerő, mely paraméterek a gyártási folyamatok közben mérésre kerülnek, ez lehetővé teszi a válogatást. A binning nagyon fontos a lámpatest gyártók számára, mert megteremti az egyensúlyt a végtermék működési jellemzői, ára és a várható szállítási határidők között. Ahhoz azonban, hogy ennek jelentőségét megértsük a fehér LED gyártástechnológiájának néhány részletére ki kell térni.
A fehér LED lelke általában egy kék félvezető chip, melyet a gyártók vagy maguk állítanak elő, vagy a szabadpiacon vásárolnak. A diódák egy waferen állnak rendelkezésre, amit aztán kis méretű részekre (die) darabolnak, és a LED tokozásba helyezik, mikro-hozzávezetésekkel látják el őket és végül a LED gyártó saját receptje által összeállított foszfor hozzáadásával, fehér fényforrássá alakítják. A chip minősége és fajtája a LED egy sor későbbi jellemzőjét eleve meghatározza (pl. fényerő, nyitóirányú feszültségesés), de az alkalmazott foszfornak is komoly szerepe van az optikai jellemzők alakításában. Bár a kutatás-fejlesztés és a befektetett anyagi erőforrások nagy része is a minél egyenletesebb teljesítményű és minőségű végtermék előállítására irányul, még mindig nagy a gyártástechnológia szórása. Emiatt még mindig szükség van a kész komponensek válogatására lumen, szín és nyitóirányú feszültségesés alapján azért, hogy a vásárlóknak ezen csoportokon belül egyenletes minőségű termékeket tudjanak ajánlani.
A gyártás során mindig van egy célérték az adott jellemzőcsoporton belül és természetesen a végtermékek nagy része a Gauss eloszlás szerint ennek a célértéknek a közelébe eső jellemzőket mutat, hiszen a gyártó ezek alapján választotta meg az alapanyagokat. Minél közelebb van ez a célérték a végfelhasználó elképzeléséhez, annál olcsóbb lesz a komponens ára, viszont olyan elvárások esetén, ahol az adott gyártásból viszonylag kevés késztermék kerül ki, az ár nagyon magas lesz, mivel rengeteg komponens legyártására van szükség a kellő számú megfelelő minta kinyeréséhez. Ha a vásárló elfogadja, hogy széles válogatásból (akár osztályozás nélkül) kap anyagot, akkor bár az ár és a szállítási idő tekintetében nagy előnyre tesz szert, a technikai megoldás nem lesz precíz, nagy szórást tapasztal majd fényerőben, színhőmérsékletben vagy nyitóirányú feszültségesésben is. Ellenkező esetben, ha szűk toleranciát hajlandó csak elfogadni, a termék nem lesz versenyképes a magas komponensár miatt. A döntés megkönnyítése érdekében vezették be a LED gyártók a késztermékeik csoportonkénti értékesítését, ahol az egy csoportba tartozó komponensek egymáshoz képest közel azonos fizikai jellemzőkkel bírnak.
Az legkritikusabb kritérium a végfelhasználó számára a fényerő és a színhőmérséklet. A fényerő alapú klasszifikáció meglehetősen egyértelmű, a gyártási folyamat során a fényerő mérésével a komponensek előre definiált csoportokba sorolódnak, ezekből tudnak a felhasználók később választani. Minél precízebb szelekcióra van szükség, annál kevesebb a megengedhető csoportok száma, ezért az ár magasabb lesz.
A színhőmérséklet alapján történő besorolás már sokkal bonyolultabb feladat. A CCT csoportok a CIE 1931 színdiagram (xmax,ymax) és (xmin, ymin) koordináta párokkal leírt területei által értelmezhetők a parabola alakú RGB színtér belső fehér részén.
Ahogy az egyik neves LED gyártó, a Dominant Opto Technology fehér PRIMAX LED családjának adatlapján található ábrán is látható, a fehér szín teljes területe (x,y) koordináta párok által meghatározott csoportok szerinti felosztásra került, és ezekből az adott színhőmérséklethez képesti szűk toleranciával kialakított kvadráns alcsoportok lettek kijelölve. Ha a világítótest gyártója nagyon precíz színhőmérsékletet szeretne elérni, csak a négy alcsoportból választ komponenseket, de dönthet úgy is, hogy több bin megvásárlásával kedvezőbb áron jut hozzá az alkatrészekhez.
Meg kell jegyezni, hogy a gyakorlatban a gyártók standard szelekciókat állítanak össze adatlapjaikban, amik figyelembe veszik a gyártási jellemzőket és vevői igényeket is. Mivel a CCT és a fényerő is összefüggésben van (magasabb színhőmérsékleten nagyobb fényerők érhetők el), természetesen nem válogathatóak össze tetszőleges fényerő és CCT „bin” -ek. Ezekre a speciális válogatásokra 4-8-16 CCT alcsoport és több fényerő osztály befoglalása jellemző.
Mivel a LED alapú fényforrások általában állandó áramú táplálással működnek, az egyes komponenseken eső feszültség értéke meghatározó a teljesítmény szempontjából. A nyitóirányú feszültségesés szerinti válogatás azért fontos ilyen esetben, mert az esetleges nagy szórás miatt komoly fogyasztáskülönbségek léphetnek fel az egyes komponenseken, vagy a fénymező fogyasztása lesz túl magas. Ha feszültséggenerátoros táplálást használunk párhuzamosan kötött nem válogatott nyitóirányú feszültségű komponensek esetén, akkor az egyes diódák fényereje fog jelentősen eltérni egymástól.
A LED gyártók esetenként más jellemzők alapján is válogatják termékeiket, pl. színes LED esetében szokásos a hullámhossz szerinti csoportosítás, ami fontos lehet olyan alkalmazásoknál, ahol precíz színbeállításra van szükség.
| Megosztás a Facebookon | Megosztás a LinkedIn-en |
Hivatkozások
A cikk megjelent az alábbi helyeken:
| # | Média | Link |
|---|---|---|
| 1 | Elektronet 2013/1 | Elektronet : elektronikai informatikai szakfolyóirat, 2013. (22. évf.) 1. sz. 16-18. old. |
| 2 | Elektronet online | A LED-szelekciók fizikai alapja |
| 3 | English version | Photometric principles used in LED classification - binning |
| 4 | Jövő Gyára 2019/1 | 2019. 1.sz. 9-13.o. |