El rápido desarrollo de la iluminación de estado sólido ha generado la demanda de mediciones precisas y fiables del flujo luminoso. Para desarrollar sistemas LED de bajo consumo, es necesario evaluar con precisión la salida óptica, la estabilidad del color, el impacto del calentamiento y la depreciación lumínica real. El método más común para esta medición es el que se encuentra en un esfera integradora que es un recinto óptico especialmente diseñado para recibir la luz total emitida por una lámpara o un emisor semiconductor independientemente de la dirección de la luz emitida.
A diferencia de las técnicas de medición puntuales, mediante paredes reflectantes difusas, la esfera integradora promedia la energía radiante. Este promedio elimina los efectos causados ​​por un ángulo y permite obtener un valor real de la emisión luminosa total. Esta técnica es fundamental para fabricantes, laboratorios de certificación y centros de I+D fotométricos, donde se requiere una precisión de medición trazable en los instrumentos de prueba de LED.

Comportamiento físico dentro de una esfera integradora

El promediado espacial es el principio fundamental de un sistema de medición de esfera integradora. Solo una pequeña parte de la luz emitida por un LED incide directamente en el detector. La mayor parte incide en la superficie interior de la esfera y se dispersa en todas direcciones antes de alcanzar el sensor. Estos multidispersores producen una superficie interior fotométrica homogénea.
La medición de calidad depende en gran medida del material de recubrimiento. Las esferas integradoras de alto rendimiento emplean valores de reflectancia superiores a 95 y una fluorescencia extremadamente baja en sus recubrimientos. Debido a las altas longitudes de onda de pico de los LED, la neutralidad espectral del recubrimiento es fundamental.

Geometría esférica y su influencia en la medición

La selección del diámetro de la esfera es fundamental. Si la esfera es demasiado pequeña, la autoabsorción puede ser alta, ya que el LED y su soporte bloquearán las reflexiones internas. Si la esfera es demasiado grande, la atenuación óptica es alta, lo que resulta en una respuesta débil del detector.
Los diámetros de esfera habituales al trabajar con herramientas de medición LED oscilan entre 0.3 y 2 metros, dependiendo del tamaño del producto y la intensidad luminosa producida. Se recomiendan esferas más grandes para lámparas, luminarias o módulos multichip, mientras que las esferas más pequeñas son ideales para la evaluación de chips LED individuales.
La uniformidad espacial también depende de la geometría interna. Es necesario evitar que la luz directa incida sobre el detector, ya que la incidencia directa ajusta artificialmente su amplitud. Una esfera integradora se diseña con varios conjuntos de deflectores, de modo que la luz que llega al detector haya pasado por una serie de interacciones reflectantes y se mejore la precisión del promedio.

Figura: Esfera integradora

Requisitos de estabilización antes de la medición

Al medir el flujo luminoso, es fundamental estabilizar la temperatura de los LED. La variación del flujo luminoso de los LED se debe al calentamiento de los puntos de unión, por lo que la potencia debe medirse en condiciones eléctricas y térmicas constantes.
Los laboratorios profesionales comprueban:
• Un período determinado de estabilización.
• Cumplimiento actual uniforme.
• Disipación de calor regulada.
• Inicio de la medición cuando se alcanza el umbral de estabilización del flujo
La diferencia de lúmenes, incluso en pequeños cambios de la temperatura de la unión, se puede medir particularmente entre prototipos, lotes de producción u otras condiciones de degradación térmica utilizadas en LM-80 pruebas de envejecimiento.

Proceso de medición basado en esferas

Una esfera integradora es un instrumento de medición de flujo luminoso preciso que adopta un enfoque metodológico. Esto se logra tomando inicialmente una referencia ambiental, la calibración base del sistema, seguida de pruebas estandarizadas. La calibración implica el uso de lámparas de referencia de laboratorio que ya contienen valores ópticos trazables. La medición de estas lámparas se realiza en la esfera para establecer coeficientes de conversión entre las mediciones de fotodiodos y las mediciones de flujo luminoso absoluto.
Los fabricantes LISUN producir sistemas de alto grado que combinan estos ciclos de calibración utilizando secuencias automatizadas, corrección de linealidad fotométrica, compensación de error espectral y también recuperación de calibración digital.
Tras la calibración del sistema, se excitan las muestras de LED. Los detectores captan el flujo emitido y lo convierten en unidades fotométricas mediante la esfera integradora y el detector, respectivamente.
Tabla: Valores de calibración típicos utilizados en mediciones luminosas basadas en esferas

Características térmicas durante la medición del flujo

La salida luminosa de los LED varía considerablemente con la temperatura. Al aumentar la corriente directa, la temperatura de la unión se reduce de forma no lineal. Esta degradación suele alcanzar un 10-20 % en situaciones de alta tensión térmica. Es necesario incorporar mecanismos de estabilización térmica para contrarrestar este efecto e integrar los sistemas esféricos.
Las configuraciones profesionales utilizan:
• Soportes de montaje del disipador de calor
• Controladores de corriente de precisión
• Conexiones de cableado de baja resistencia Cableado de baja resistencia.
• Registro de datos mediante cambios de temperatura.
El calor de la unión no es el único impacto ambiental. La consistencia de la salida se ve afectada por la temperatura ambiente de la cámara, el período de precombustión y la ondulación de la forma de onda.

Abordar los errores de desajuste espectral

En los casos en que se utilizan LED para generar distribuciones espectrales con picos agudos, los sensores fotométricos convencionales pueden causar sesgos en la medición. Cuando la sensibilidad del detector no se ajusta a la curva de eficiencia luminosa de la materia presente en el cuerpo humano, se produce una discrepancia espectral. La esfera integradora compensa esta sustitución mediante sensores espectrorradiométricos calibrados, en lugar de los simples fotodiodos.
Los nuevos dispositivos de prueba de LED incorporan espectrómetros con corrección espectral. Los algoritmos de corrección utilizan la ponderación espectral de la lámpara para obtener el flujo luminoso correcto sin necesidad de compensación manual.

Manejo de la absorción de luz dentro de la esfera

Los disipadores de calor, los paquetes de LED, los accesorios de cableado y los accesorios de montaje absorben parte del flujo luminoso. Esto se conoce como autoabsorción. De lo contrario, no será rentable y se calcularán lúmenes incorrectos.
Los procedimientos profesionales de medición se compensan mediante:
1. Medición de la línea base de la esfera en ausencia de DUT.
2. Medición cuando el dispositivo bajo prueba está apagado
3. Medición con el dispositivo bajo prueba encendido
4. Aplicación de coeficientes de corrección.
Esto garantiza que los resultados finales de las mediciones finales no se distorsionen por la absorción de luz por parte de las estructuras de soporte.

Linealidad del detector durante la medición de LED de alto rendimiento

Con el desarrollo de módulos LED de categoría museística, puede producirse la saturación del detector. La exposición por encima de las áreas lineales del sensor generará lecturas falsas. Los laboratorios pueden evitar esto utilizando filtros de atenuación o seleccionando canales de detector de alto flujo y baja sensibilidad.
Los sistemas de medición de esferas integradoras diseñados adecuadamente incluyen:
• Canales de detección duales
• Circuitos de detección de rango automático.
• Amplificación de bajo ruido
• Coeficientes de calibración redundantes innecesarios
Esto garantiza una captura de flujo adecuada tanto en condiciones de uso bajas como altas.

Aplicaciones donde la medición de esferas mejora la toma de decisiones de ingeniería

Los centros que realizan investigaciones para evaluar mezclas de fósforo LED utilizan sistemas de esferas para comprobar la eficiencia de la conversión del fósforo. Los fabricantes que miden el perfil de carga térmica del controlador prueban la variación del flujo a distintas temperaturas. Los creadores de módulos de alto brillo miden la degradación luminosa durante el envejecimiento acelerado. Los equipos de producción por lotes certifican a los proveedores. Estos grupos pueden medir las métricas de rendimiento de forma objetiva mediante una esfera integradora calibrada.

Conclusión

Esfera integradora Es uno de los instrumentos ópticos de trabajo más precisos que se aplican en el campo de la evaluación del flujo luminoso total en LED. Gracias a la estabilidad térmica del montaje y a la compleja lógica de compensación del sensor, la esfera permite realizar mediciones muy fiables. La precisión o repetibilidad de la estabilidad espectral disponible en los sistemas modernos integrados en los instrumentos de prueba de LED no es reproducible mediante métodos de medición direccionales convencionales. Los laboratorios con procesos sistemáticos han adquirido gran experiencia en la cuantificación del rendimiento de los LED en cada fase del desarrollo del producto, desde la formulación del material hasta la fabricación, de modo que las decisiones de ingeniería se basen en la capacidad luminosa real, en lugar de en la variabilidad de los cálculos.