ZESPÓŁ AUTORSKI

Uniwersytet Morski w Gdyni

Prof. dr hab. inż. Krzysztof Górecki

dr inż. Przemysław Ptak

CO MOŻNA OSIĄGNĄĆ DZIĘKI WYNALAZKOWI?

Wynalazek może mieć zastosowanie w dziale kontroli jakości elementów półprzewodnikowych, przemyśle elektronicznym oraz w laboratoriach badawczych zajmujących się badaniami eksperymentalnymi półprzewodnikowych źródeł światła, zarówno diod LED jak i całych modułów LED. Wynalazek przedstawia sposób i układ do pomiaru rezystancji termicznej i mocy promieniowania optycznego diod LED mocy. Wynalazek zapewnia dokładny pomiar parametrów przyrządów półprzewodnikowych, które pozwalają scharakteryzować ich właściwości termiczne i optyczne w szerokim zakresie wydzielanej mocy bez stosowania kosztownej aparatury pomiarowej. Niewielka modyfikacja rozwiązania pozwala na jego zastosowanie do pomiaru rezystancji termicznej i mocy promieniowania optycznego modułów LED wykorzystywanych w technice oświetleniowej oraz motoryzacyjnej.

ISTOTA WYNALAZKU

Istotą wynalazku jest sposób i układ do pomiaru parametrów termicznych charakteryzujących zdolność diod LED mocy do odprowadzania generowanego ciepła ze struktury półprzewodnikowej. Pomiaru można dokonywać w różnych warunkach chłodzenia i zasilania badanej diody LED mocy w szerokim zakresie zmian punktu pracy badanego elementu półprzewodnikowego. Wynalazek znajduje zastosowanie do diod LED mocy emitujących promieniowanie o różnej długości fali, w zakresie od UV do IR poprzez UV-Vis, jak również do badań wielostrukturowych diod LED mocy w obudowie Chip On Board montowanych na płytce ceramicznej. Wynalazek opiera się na pomiarze przebiegów przejściowej impedancji termicznej w zakresie przewodzenia oraz w zakresie wstecznym polaryzacji badanej diody LED mocy. W pierwszym etapie pomiaru należy badaną diodę LED mocy skalibrować termicznie celem wyznaczenia nachylenia z jakim zmienia się napięcie przewodzenia w funkcji temperatury otoczenia. W kolejnym, w każdym z zakresów polaryzacji badanego elementu należy zarejestrować moc elektryczną wydzielaną w badanym elemencie półprzewodnikowym oraz kontrolować temperaturę obudowy badanego elementu, w obu zakresach pracy powinna ona być identyczna. Za pomocą zarejestrowanej wartości mocy elektrycznej w obu kierunkach polaryzacji badanej diody LED mocy można wyznaczyć moc promieniowania optycznego. Istotnym jest, iż w trakcie polaryzacji badanej diody LED mocy w kierunku przewodzenia emituje ona promieniowanie elektromagnetyczne w postaci światła widzialnego oraz wydziela ciepło generowane w strukturze półprzewodnikowej. Oznacza to, że moc elektryczna w kierunku przewodzenia składa się z mocy grzejnej wydzielanej w strukturze półprzewodnikowej diody LED oraz z mocy promieniowania optycznego, która jest przedmiotem wynalazku i jest obliczona na podstawie różnicy mocy elektrycznej pobieranej przez badaną diodę LED mocy w zakresie przewodzenia i w zakresie wstecznym pracy badanego elementu. Proponowany ukł. pomiarowy składa się z 3 źródeł napięciowych, które w połączeniu z rezystorami mocy zapewniają stabilizację prądu przepływającego przez badaną diodę LED mocy, która umieszczona jest w termostacie zapewniającym stabilizację temperatury otoczenia podczas badań eksperymentalnych. Źródło napięciowe Uf polaryzuje badany element w zakresie przewodzenia, a źródło napięciowe Ur polaryzuje badaną diodę LED mocy w zakresie wstecznym. Źródło napięciowe Um polaryzuje badaną diodę LED mocy prądem pomiarowym o małej wartości, nie przekraczającej 10mA, podczas rejestracji parametru termoczułego jakim jest napięcie przewodzenia badanej diody LED mocy. Rejestracja parametru termoczułego pozwala na wyznaczenie przebiegów przejściowej impedancji termicznej charakteryzującej przepływ generowanego ciepła od struktury półprzewodnikowej do otoczenia badanego elementu, a wartość przebiegu w stanie termicznie ustalonym pozwala na wyznaczenie rezystancji termicznej badanej diody LED mocy. Ukł. pomiarowy zawiera także zestaw przełączników sterowanych komputerem w celu odpowiedniej polaryzacji badanej diody LED mocy podczas pomiaru rezystancji termicznej oraz mocy promieniowania optycznego. Za pomocą amperomierza oraz woltomierza kontrolowany jest prąd przepływający przez badaną diodę LED mocy oraz napięcie między anodą i katodą badanego elementu, co pozwala na wyznaczenie mocy elektrycznej pobieranej w obu zakresach polaryzacji elementu. W celu rejestracji parametru termoczułego zastosowano 12 bitowy przetwornik analogowo-cyfrowy typu sigma-delta, który jest sterowany z komputera kontrolującego pracę ukł. pomiarowego.

POTENCJAŁ KOMERCJALIZACYJNY WYNALAZKU

Zaprezentowany wynalazek może mieć zastosowanie w badaniach eksperymentalnych półprzewodnikowych źródeł światła, zarówno diod LED jaki i całych modułów LED. Układ pomiarowy może być także przystosowany do badań parametrów cieplnych innych przyrządów półprzewodnikowych, takich jak tranzystory MOSFET (Metal Oxid Semiconductor Field Effect Transistor), JFET (Junction Field Effect Transistor), IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) oraz BJT (Bipolar Junction Transistor). Przedstawiony wynalazek jest zaprojektowany do tego, aby rejestrować przebiegi własnych przejściowych impedancji termicznych (parametr charakteryzujący zdolność elementu do odprowadzania generowanego w nim ciepła do otoczenia). Twórcy wynalazku opracowali schematy elektryczne poszczególnych bloków funkcjonalnych opracowanego układu pomiarowego i zbudowali prototyp, który został pomyślnie przetestowany. W chwili obecnej poszukiwany jest zainteresowany podmiot gospodarczy, który podejmie się produkcji opracowanego układu.