Сага о светодиодах. Часть 1. Лабораторная работа 1. Зависимость светового потока от мощности. Точка перегиба.

Цели работы

Изучить поведение светодиодов при ультра низкой мощности питания.
Существует ли пресловутый «линейный режим» светодиода, и если да, то где он находится. Существует ли оптимальная мощность, в том смысле, что отклонение от неё и вверх и вниз приводит к ухудшению световой отдачи светодиода, или светодиод сразу, со старта непрерывно теряет кпд.

Поведение на низкой мощности интересно с двух точек зрения: ультра глубокое диммирование и построение светильников с максимальным возможным кпд.

В сети есть два великолепных видео о кпд светодиодов:
От Александра Гурьянова youtu.be/ovecS8z8TFw и от Тимура Гаранина youtu.be/uEy-1gSwOXI

Собственно после их(и не только их) просмотра и возникли вопросы, ответы на которые будут получены в ходе данной работы.

Под термином световая отдача в данной заметке будет пониматься отношение светового потока (точнее освещённости датчика в люксах (lx)) к мощности подаваемой на светодиод в ваттах.

При рассмотрении вопроса эффективности часто утверждается, что, чем меньше ток через светодиод, тем лучше, это мы и проверим.

Обычно, при исследовании светодиодов нам предлагаются графики типа таких:
Здесь видно что любая из этих кривых выпукла вверх, вторая производная отрицательна. И в основном всех интересует как ведёт себя диод в правой части графика, т.е. когда мы хотим выжать максимум света из диода наплевав на кпд, нагрев и расход аккумулятора. Но что там слева, около нуля, всегда ли там отрицательная вторая производная?

Дизайн эксперимента

В качестве подопытного использован неизвестный 5мм белый светодиод, добытый из лампы на батарейках из фикспрайса. Характеристики неизвестны, в интернетах ходят данные, что рабочим током такого светодиода является 20 мА.

Питание

Попытка провести эту лабораторную работу используя ЛБП Riden RD6006 была полностью провалена, на столь малых токах регулировка в миллиамперах слишком груба, но что ещё хуже, напряжение плавает, от чего ток плавает ещё больше. Было принято решение собрать самый линейный из всех линейных источников питания. Был взят аккумулятор 18650, разряжен до напряжения 3.7 вольта, и последовательно включены: аккумулятор, резистор 56 Ом, переменный резистор 10 кОм, мультиметр измеряющий ток, измеряемый светодиод.

Измерительные приборы

Мультиметр ZOYI ZT-225 — измерял падение напряжения на светодиоде в режиме измерения напряжения.
Мультиметр Aneng AN870 — измерял ток, сначала в режиме микроАмпер, со значения 200 микроАмпер переключен на миллиАмперы
Люксметр UNI-T UT383S — с дополнительным отражателем измерял освещённость.

Способ измерения

Для того чтобы жестко закрепить светодиод напротив датчика люксметра, а также чтобы собрать весь возможный свет со светодиода, был использован отражатель от фонарика типа апельсиновая корка, куда при помощи термоклея был приделан светодиод. Диод имеет весьма узкий луч, так что он прямо светил в приёмник люксметра, часть бокового света также в какой-то мере попадала на датчик. Вся конструкция с отражателем и светодиодом была закреплена над датчиком при помощи малярного скотча.
Безусловно данная конструкция не является интегрирующей сферой и выяснить настоящий световой поток в люменах исходящий из этого светодиода не представляется возможным. Однако мы точно можем сказать что световой поток в люменах и создаваемая им освещённость в люксах связаны линейно, поэтому нам неизвестен только линейный коэффициент пересчёта люксов в люмены. Для качественного анализа он нам и не нужен.

Измерения проводились по, так называемой, четырёхпроводной схеме. Мультиметр измеряющий ток включен последовательно с измеряемым диодом, а падение напряжения измеряется прямо с ножек диода, вплотную к корпусу. Таким образом мы получаем полную независимость данного эксперимента от сопротивлений проводов и контактов.

Температура в помещении во время эксперимента составляла 26 градусов цельсия. Общий вид приборов в процессе измерения:

Методика

Измерения производились следующим образом:
Начиная от крайнего правого положения ручки потенциометра (максимального сопротивления) я вращал потенциометр наблюдая за ростом освещённости, и, пока это было возможно, делал замеры примерно с равным шагом по освещённости. После каждого поднятия мощности выжидал небольшой период до стабилизации показаний. Чем больше был ток, тем дольше происходила стабилизация(думаю что это то самое падение сопротивления диода от нагрева). После чего в таблицу заносился ток, падение напряжения и освещённость датчика.

Было проведено 104 замера, полные результаты представлены в таблице docs.google.com/spreadsheets/d/1r5sNFxPyn_-x2hJ7rNDFmasOstj1KiZoPlGf3K2CdFE
Красной точкой отмечена точка максимума светоотдачи.
Всем понятный и ожидаемый график освещённости датчика от мощности светодиода, но самое интересное получилось на графике световой отдачи (отношение светового потока к мощности) к подаваемой мощности:
Здесь хорошо видны ошибки измерения в виде скачков на графике, они помечены в таблице серым, но в целом, качественно всё понятно. С минимальной мощности светодиод плавно разгорается, при этом световая отдача растёт, достигает максимума и далее начинает падать.

Ну и куда же без вольт-амперной характеристики

Выводы

Существует точка максимальной световой отдачи, для данного светодиода в данной установке это 479423.2846 люкс на ватт, при мощности 0.0034103475 Вт которая достигнута при токе 1.2845 мА и напряжении 2.655 В. Именно в окрестности этой точки светодиод ведёт себя линейно и яркость растёт линейно от мощности. Точка максимальной светоотдачи достигнута при токе в 15 раз ниже предполагаемого номинального. Это означает что просто запаивать излишне огромное количество светодиодов параллельно для получения максимальной светоотдачи не имеет смысла, где-то наступает предел. В погоне за максимальной светоотдачей, например для кемпингового фонаря-лампы нужно испытать подобным образом светодиоды и по совокупности характеристик определить, какой же ток и количество светодиодов оптимальны, особенно если мы хотим получить регулируемую лампу.

Побочные выводы

Мультиметры на 20000 отсчётов нашли применение. ZOYI ZT-225 после Aneng AN870 ощущается как тормозной неудобный монстр. Дисплей лучше читается у Aneng AN870. ZOYI ZT-225 имеет больший таймаут автоотключения. При прочих равных, и если не нужны именно 25000 отсчётов рекомендую Aneng AN870. Хотя и предельные значения под 25000 не проверял. Также я понял зачем существуют линейные ЛБП. Но батарейка, как самый ровный из всех источников тока выручила.

Вопросы на будущее

Повторить эксперимент для известного брендового светодиода, купленного в надёжном месте, предназначенного для освещения, при этом термостабилизировать его и провести эксперимент для разных температур подложки. Видимо для этого придётся городить линейный источник без обратной связи на биполярном транзисторе от аккумуляторов.

P.S. все 1200 светодиодов упомянутые в статье mysku.club/blog/russia-stores/85237.html на текущий момент отработали 26 месяцев по 15 часов в день, что составляет 11700 часов. Ни один диод или драйвер не вышел из строя, существенного падения яркости не наблюдается. Точный замер деградации по яркости, к сожалению, произвести не представляется возможным.

UPD 2023-04-26: добавлена вольт-амперная характеристика, красной точкой на всех графиках отмечена искомая точка максимальной яркости.