LED – Teknologi Pencahayaan yang Mendominasi
Jika ada pertanyaan bahwa LED akan menjadi teknologi pencahayaan yang mendominasi, lihat saja sekelilingnya. Mereka hampir ada di mana-mana. Dari indikator standar pada peralatan stereo, laptop dan mainan hingga lampu lalu lintas, tanda pesan variabel dan pencahayaan otomotif, LED telah menikmati pertumbuhan eksplosif selama beberapa tahun terakhir tanpa akhir yang terlihat. Sebagian besar ini disebabkan oleh tingkat kecerahan yang terus meningkat yang dicapai dengan material baru dan proses fabrikasi wafer serta munculnya LED biru dan putih untuk RGB (Full Color) dan aplikasi penerangan umum. Seiring dengan meningkatnya tingkat kecanggihan penggunaan LED, kebutuhan akan pengukuran yang akurat dari sifat optik LED juga meningkat. Saya telah berada di industri Optoelektronik selama hampir 25 tahun sekarang dan sejauh ini jenis pertanyaan paling umum yang selalu saya tanyakan terkait dengan pengukuran LED. (Apa itu lumen? Bagaimana cara mengonversi dari lumen ke candela? Bagaimana cara mengukur kecerahan secara akurat? Mengapa pengukuran saya tidak sama dengan Anda?) Saya berharap untuk membahas ini dan banyak masalah serupa di artikel berikutnya. Rincian pengukuran optik dalam diskusi ini akan dipecah menjadi empat topik yang terpisah namun saling terkait. Ini adalah: besaran fotometrik, besaran radiometrik, panjang gelombang atau besaran kromatisitas dan terakhir besaran sudut atau goniometrik. Meskipun seluruh buku dapat dengan mudah ditulis tentang satuan, standar, dan metodologi pengujian di atas, saya akan mencoba meringkas bidang minat yang lebih umum dan mendasar.
Fotometri
Fotometri hanyalah pengukuran cahaya dalam spektrum yang terlihat (sekitar 380nm-770nm). Ini adalah cahaya yang terlihat oleh mata telanjang dari pengamat manusia biasa. Ada banyak jenis unit fotometrik seperti nits (cd/m2), lux (lumen/m2), footcandle (lumen/ft2), stilb (cd/cm2) dll. Semua ini didasarkan pada dua standar fotometrik dasar, LUMEN dan CANDELA. Candela adalah satuan intensitas cahaya, yang dapat didefinisikan sebagai jumlah fluks cahaya (daya cahaya total yang dipancarkan dari sumber dan dinyatakan sebagai lumen) per unit sudut padat dalam arah tertentu. Lumen dapat didefinisikan sebagai fluks cahaya yang dipancarkan per satuan sudut padat dari sumber titik seragam yang intensitas cahayanya 1 candela. (1 candela=1 lumen/steradian) Penting juga untuk memahami definisi steradian, yaitu sudut padat (kerucut) di pusat bola dengan jari-jari “r” yang membentuk luas “r2” pada permukaan bola. (Lihat gambar 1) Luas permukaan bola adalah 4π r2; oleh karena itu, sebuah bola memiliki 4π steradian. Sebagian besar LED standar yang dipasok saat ini diukur dalam candela, namun, karena meningkatnya permintaan untuk LED sebagai pengganti lampu pijar di pasar penerangan umum, Lumen sekarang sering digunakan sebagai unit pengukuran untuk keluaran cahaya. Metode sederhana untuk mengonversi dari Candela ke Lumens ditunjukkan pada Gambar 2 (di bawah). Langkah 1.) Dapatkan Sudut Padat LED w=* (θ1/2)2 w=(25)2, dengan asumsi setengah sudut LED adalah 25° w=(.43633)2, ubah derajat ke radian .598 Langkah 2.) Hitung Lumens f=Iv * wf=2.00 * .598, dengan asumsi kecerahan LED adalah 2000mcd f=1.196 Lumens Meskipun perhitungan empiris dimungkinkan untuk mengonversi berbagai jenis satuan fotometrik, nilai terukur yang sebenarnya mungkin berbeda dari nilai yang dihitung karena variasi dalam karakteristik radiasi spasial LED. Dalam kebanyakan kasus, perhitungan empiris cukup akurat. Konversi fotometrik tambahan ditunjukkan pada gambar 3. Meskipun ada banyak sekali konversi lain yang mungkin, misalnya candela ke nit atau lambert ke candela, tidak ada faktor perkalian langsung yang mudah yang dapat digunakan. Informasi seperti area sumber dan/atau detektor, atau jarak pengukuran dan karakteristik sudut mungkin diperlukan. Pengukuran fotometrik LED bisa lebih merupakan seni daripada ilmu pasti. Ada berbagai masalah geometri, kelistrikan, dan perakitan yang dapat sangat memengaruhi sifat optik LED. Karena tidak ada dua LED yang persis sama, ada langkah-langkah yang akan sangat meningkatkan akurasi pengukuran Anda. Ini termasuk tetapi tidak terbatas pada:
Mengetahui pusat optik emisi cahaya LED vs pusat mekanik. Saat menempatkan LED ke dalam perlengkapan uji tipikal, biasanya ditempatkan sedemikian rupa untuk mengasumsikan bahwa cahaya berasal dari pusat mekanis perangkat. Hal ini sering tidak terjadi. (Lihat gambar 4) Pusat optik sering menyimpang 5 ° atau lebih besar dari pusat mekanik LED. Meskipun hal ini mungkin tidak menimbulkan banyak masalah saat mengukur perangkat dengan sudut pandang lebar seperti 40° atau lebih besar, untuk perangkat sudut sempit, perbedaan pembacaan bisa cukup besar. (Perlu dicatat bahwa rekomendasi CIE (Commission Internationale de l'Eclairage) adalah menggunakan sumbu mekanik LED daripada sumbu optik sebagai referensi pengukuran)
Mengukur output pada interval waktu tertentu atau ketika stabil. Ketika LED pertama kali diberi energi, suhu sambungan meningkat karena daya listrik yang dikonsumsi. (Suhu sambungan LED ditentukan oleh Tj=Ta+(Vf*If)*Rth(ja)) Mungkin diperlukan beberapa detik atau beberapa menit sebelum keluaran cahaya mencapai kesetimbangan termal dan nilai stabil. Penurunan output 5-20% atau lebih tidak jarang terjadi. Ini bukan degradasi permanen dan akan pulih setelah de-energizing. Seringkali tidak praktis untuk menunggu waktu yang lama ketika banyak LED memerlukan pengujian, oleh karena itu, interval waktu yang ditetapkan seperti 5 detik sering ditetapkan meskipun output mungkin tidak stabil.
Mengasuransikan suhu sekitar konsisten selama pengujian. LED biasanya berubah dalam kecerahan dan warna dengan suhu. Saat suhu naik, output menurun dan warna bergeser ke arah ujung spektrum yang lebih tinggi. Hal ini akan diuraikan pada pembahasan Kolorimetri.
Selalu gunakan sumber arus konstan. Tegangan maju (Vf) LED dapat berfluktuasi dari perangkat ke perangkat, oleh karena itu, jika catu daya atau sumber tegangan standar digunakan, setiap LED mungkin tidak menerima arus yang sama.
Gunakan pengaturan pengujian yang mudah direproduksi. Pengaturan yang rumit mungkin baik untuk pengukuran jenis laboratorium, namun, ketika banyak LED memerlukan pengujian, masing-masing dengan gaya paket yang berbeda, sudut pandang, warna, dll., sistem yang dapat dengan cepat dimodifikasi sambil memastikan keselarasan sumbu mekanis yang identik dan menjamin detektor selalu melihat bagian yang sama dari kerucut emisi diperlukan.
Pastikan semua peralatan dirawat dan dikalibrasi dengan benar
Radiometri
Radiometri mengacu pada radiasi total atau pengukuran semua cahaya baik dalam spektrum tampak, inframerah, atau ultraviolet. Satuan dasar daya optik radiometrik (Radiant Power) adalah watt (W). Watt adalah satuan mutlak karena tidak bergantung pada panjang gelombang. Satu watt cahaya inframerah mengandung daya sebanyak satu watt cahaya tampak. Istilah radiometrik lain yang biasa diukur adalah intensitas pancaran (Watt/Steradian), Irradiance (W/m2) dan Radiance (W/m2 sr). Metode utama untuk mengukur daya pancaran total/fluks bercahaya adalah dengan menggunakan bola terintegrasi. (Lihat gambar 5) Bola terintegrasi mengukur cahaya yang dipancarkan dari LED ke segala arah. Umumnya pengukuran ini tidak tergantung pada sudut pandang dan tidak tunduk pada ketidakakuratan pengukuran sudut yang terlihat saat pengujian secara fotometrik, namun kesalahan masih mungkin terjadi. Diameter bola sekitar 3 dan 6 inci banyak digunakan. Jika akurasi sangat penting, jenis diameter yang lebih besar lebih disukai karena rasio area bola yang menguntungkan dengan ukuran LED dan port, namun, ini juga mengakibatkan hilangnya intensitas. Sumber utama kesalahan pengukuran adalah di mana memposisikan LED di dalam bola integrasi. Spesifikasi terbaru yang diadopsi oleh CIE, Publikasi 127, menyatakan bahwa seluruh paket LED harus berada di dalam bola yang disebut 2 pengukuran fluks bercahaya. Tindakan pencegahan yang sama yang digunakan untuk mengukur LED secara fotometrik juga harus diikuti saat melakukan pengukuran radiometrik. Seperti halnya konversi fotometrik, ada banyak sekali konversi radiometrik yang dapat dilakukan dengan informasi yang sesuai. Nilai radiometrik biasanya diperlukan untuk aplikasi yang digunakan bersama dengan detektor foto seperti dalam serat optik, pemindaian, atau penginderaan.
Kolorimetri
Pengukuran ilmiah dan kuantifikasi warna LED disebut Kolorimetri. Satuannya biasanya diberikan sebagai koordinat kromatisitas atau dalam panjang gelombang. Persepsi warna sangat rumit karena tidak hanya tergantung pada berbagai sifat fisik cahaya tetapi juga pada hal-hal seperti benda-benda di sekitarnya, sifat mekanik perangkat, respons mata pemirsa, serta keadaan psikologisnya. CIE telah menetapkan standar untuk pengukuran cahaya tampak yang berkaitan dengan "respon mata manusia standar." Yang disebut kurva pengamat standar ini pertama kali dibuat pada tahun 1931 (lihat gambar 6a). Dari kurva ini, nilai tristimulus untuk mendefinisikan warna secara akurat diperoleh. Sistem tristimulus X, Y, Z didasarkan pada asumsi bahwa setiap warna adalah kombinasi dari tiga warna primer; merah, hijau dan biru. Diagram Kromatisitas CIE 1931 (lihat gambar 6b) diturunkan dari nilai tristimulus sebagai berikut: x=X/(X+Y+Z) atau x=Merah/(Merah {{6} } Hijau + Biru) y=Y/(X+Y+Z) atau y=Hijau/(Merah + Hijau + Biru) Sejak ( x + y + z) =1, sumbu ketiga, z=1 – (x + y)
Koordinat kromatisitas biasanya ditentukan oleh sumbu x dan y saja. Secara umum, sebagian besar spesifikasi yang disediakan oleh produsen LED tidak mencantumkan koordinat kromatisitas, melainkan panjang gelombang puncak dan dominan (kecuali LED berwarna putih). Panjang gelombang dominan, ditentukan dalam nanometer, diperoleh dari koordinat warna yang dibahas di atas. Ini pada dasarnya adalah warna yang benar-benar dirasakan oleh mata manusia. Panjang gelombang puncak adalah panjang gelombang pada intensitas spektral maksimum. Nilai puncak mudah diperoleh dan oleh karena itu merupakan nilai paling umum yang ditentukan oleh produsen LED, namun, nilai ini memiliki sedikit signifikansi praktis untuk aplikasi yang dilihat dengan mata manusia karena dua LED mungkin memiliki panjang gelombang puncak yang sama tetapi dapat dianggap berbeda. warna. Saat ini, metode yang paling akurat untuk mengukur warna adalah dengan menggunakan Spektroradiometer. Perangkat ini melakukan distribusi daya spektral lengkap dari sumber yang diukur dari mana semua parameter fotometrik, radiometrik dan kolorimetri dapat dihitung secara matematis. Akurasi panjang gelombang peralatan harus lebih baik dari 0.5nm dengan 0.1nm lebih disukai. Seperti yang telah disebutkan sebelumnya, ada beberapa faktor yang dapat mempengaruhi nilai yang diperoleh. Salah satunya adalah suhu. Saat suhu lingkungan naik, demikian pula panjang gelombang LED. Peningkatan ini biasanya dari 0,1nm/°C-0,2nm/°C tergantung pada jenis LED yang digunakan.
Karakterisasi Goniometrik / Sudut
Topik terakhir untuk diskusi adalah goniometrik atau karakterisasi sudut. Goniometer adalah perangkat yang mengukur distribusi spasial atau pola radiasi LED (lihat gambar 8). Ini dapat dicapai dengan menggerakkan detektor di sekitar LED atau dengan memiringkan LED saat detektor tetap diam. Dalam kedua kasus tersebut, beberapa pengukuran keluaran diambil untuk setiap sudut sebagai rotasi dari 0°-180° dilakukan. Setelah selesai, profil sinar terpancar dalam satu bidang diperoleh. Sering diasumsikan bahwa karena kebanyakan LED berbentuk bulat, pola radiasinya simetris. Ini bahkan tampaknya ditunjukkan oleh representasi grafis dari sudut pandang yang disediakan oleh banyak produsen LED. Hal ini sering tidak terjadi. Seperti disebutkan sebelumnya, variasi geometris dan perakitan yang terjadi selama pembuatan LED dapat sangat mempengaruhi sifat optiknya. Mungkin perlu untuk melakukan pemindaian tambahan dan merekam beberapa bidang pandang. Selain itu, beberapa LED berbentuk khusus seperti tipe oval atau elips, pada dasarnya memiliki dua pola radiasi (30 ° x 70 ° misalnya), oleh karena itu, pemindaian perangkat 0° dan 90° diperlukan. Jika goniometer tidak tersedia, dimungkinkan untuk mendapatkan pola radiasi kasar dengan menggunakan detektor foto dan memutar LED atau detektor secara manual, merekam tingkat keluaran dan memplot titik data, namun ini bisa sangat membosankan dan memakan waktu. . Harus jelas dari apa yang telah dibahas bahwa pengukuran cahaya bisa sangat tidak akurat dibandingkan dengan karakteristik listrik lain yang lebih spesifik seperti tegangan, arus atau hambatan. Ada banyak faktor seperti warna, geometri perangkat, penyelarasan LED ke dalam perlengkapan uji, suhu, dll. yang dapat menyebabkan kesalahan pengukuran. Ini sering diklasifikasikan sebagai lebih dari seni daripada sains. Meskipun akurasi pengukuran ±5% masih dianggap standar dan dapat diterima secara luas di industri, dengan perhatian yang cermat, akurasi yang lebih baik dari ±2,5% dimungkinkan.
