Например, Бобцов

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