Elektrischer Test
Leuchten unter der Lupe
High-Brightness-LEDs werden in immer mehr Anwendungen eingesetzt, etwa in Displays und der Beleuchtung von Autos, der Hintergrundbeleuchtung von Fernseh- und Videomonitoren, Straßenbeleuchtungen, Hinweisschildern und Innenraum-Beleuchtung. Die Charakterisierung und der Test dieser Bauteile erfordern allerdings andere Werkzeuge und Verfahren als bei konventionellen LED-Bauteilen.
Bei HBLEDs (High Brightness Light Emitting Diodes) handelt es sich im Prinzip um LEDs mit einer Leistung von 1 W oder mehr, meist im Bereich von 1 W bis 3 W. Konventionelle Leuchtdioden ziehen einen Strom von 10 mA bis 30 mA, während HBLEDs im Allgemeinen im Bereich von 300 mA bis 1 A arbeiten. Anstatt wie kleinere LEDs in einem 3-mm- oder 5-mm-Kunststoffgehäuse mit zwei Anschlüssen, sind HBLEDs normalerweise auf einer kleinen, thermisch leitfähigen Karte montiert, um die Wärme von der Sperrschicht des Bauteils abzuführen.
Die Anschlussleitungen sind auf Grund der höheren Ströme der HBLEDs viel dicker. Obwohl HBLEDs sehr hell sind, reicht die Helligkeit trotzdem noch nicht für allgemeine Beleuchtungsanwendungen. Daher werden oft mehrere solche Bauteile zu Leuchten kombiniert, wie in LED-Lampen als Ersatz für Glühlampen oder als vollständige Beleuchtungslösung. Dies ist für Anwendungen sinnvoll, die das Licht in verschiedene Richtungen abstrahlen sollen und wo die Größe des Leuchtkörpers ausreichend Platz für mehrere Bauteile bietet.
Für Anwendungen mit sehr beschränktem Platz und/oder für gerichtete Lichtabstrahlung ist dieser Ansatz allerdings nicht geeignet. Im Vergleich mit HBLEDs zeichnen sich HPLEDs (High-Power LEDs) durch eine kompaktere Bauform aus und eignen sich sehr gut für gerichtetes Licht. Dadurch sind sie für Anwendungen wie Autoscheinwerfer, Projektoren, und leistungsfähige Taschenlampen mittlerweile äußerst populär.
HPLED-Module bestehen aus einem oder mehreren großen LED-Chips in einem einzigen Gehäuse und arbeiten mit deutlich höheren Strömen als typische HBLEDs. Durch die Chips fließen dabei Ströme von mehr als 10 A. Diese hohen Ströme erzeugen eine bedeutende Wärmemenge, die abgeführt und während der Charakterisierung zumindest überwacht werden muss.
Die Module sitzen normalerweise auf einer dicken Kupferplatte oder anderem thermisch leitenden Material, um die Wärme aus den LED-Sperrschichten zu ziehen. Die Karten lassen sich auch mit einer Wärmesenke entsprechender Größe verbinden, um die LEDs zu kühlen. Zudem verfügen die Module meist über einen eingebauten Thermistor, um die Überwachung der Sperrschichttemperatur der LEDs zu vereinfachen. Trotz der Anstrengungen der Hersteller, die von den LEDs erzeugte Wärme abzuleiten, steigen die Sperrschichttemperaturen bei diesen Modulen auf bis zu +140 °C.
Testanforderungen an HPLED-Module
Um HPLED-Module genau testen zu können, muss die Testlösung gewisse Anforderungen erfüllen:
- Höhere Leistung: Die heutigen HPLED-Module benötigen DC-Leistungen bis zu 100 W und künftig vermutlich sogar noch mehr. Damit die Hersteller diese Module richtig gemäß ihrer Nennwerte testen können, muss die Prüfeinrichtung diese Leistungen auch liefern können.
- Testhardware muss die Pulsbreitenmodulation beherrschen, denn PWM ist eine gängige Methode, um die Helligkeit von LEDs zu steuern. Bei dieser Methode wird der LED-Strom mit einer konstanten Frequenz und Amplitude gepulst, während die Pulsbreite verändert wird. Durch eine Einstellung der Pulsbreite lässt sich die Zeit variieren, in der die LED eingeschaltet ist und sich so die wahrgenommene Helligkeit verändern. Eigentlich blinkt die LED, jedoch mit einer sehr hohen Frequenz, die das menschliche Auge nicht wahrnehmen kann.
Obwohl die Helligkeit einer LED technisch durch Reduzieren des Durchlassstroms gedimmt werden kann, stellt die PWM aus verschiedenen Gründen die bessere Möglichkeit dar:
- Die Farbe des Lichts bleibt beim Dimmen konstant. Bei einer LED ist die Farbe des ausgesendeten Lichts von der Durchlassspannung abhängig. Im Prinzip ist die Durchlassspannung einer LED bei einem sich ändernden Durchlassstrom relativ konstant, dies gilt allerdings nicht bei besonders kleinen Strömen. Hier führt eine geringe Veränderung der Durchlassspannung zu Abweichun-gen der Lichtfarbe, was in Beleuchtungsanwendungen unerwünscht ist. Mit PWM hingegen wird die LED mit immer dem gleichen Strom gepulst, sodass sich die Durchlassspannung und damit die Farbe nicht verändern.
- Eine lineare Helligkeitsteuerung. Die Menge des von einer LED abgestrahlten Lichts ist nicht linear von der Höhe des Stroms abhängig. Wird der Treiberstrom um 50% reduziert, dann ist die Lichtausbeute nicht um 50% geringer, sondern um einen anderen Prozentsatz. Durch diese nichtlineare Eigenschaft ist die Helligkeitsregelung einer LED über den Strom sehr schwierig. Bei jeder LED müsste die Lichtausbeute über den Durchlassstrom charakterisiert und der Stromverlauf entsprechend dieser Kurve angepasst werden. Im Gegensatz dazu bietet die PWM einen einfacheren Ansatz für die Helligkeitsregelung der LED. Um eine LED-Helligkeit von 50% zu erreichen, wird die Pulsbreite auf 50% eingestellt. Eine LED, die nur die halbe Zeit eingeschaltet ist, liefert nur die halbe Lichtleistung.
- Gewährleistung einer höheren Leistungseffizienz. Bei der PWM ist der Strom bei jedem Puls konstant. Somit kann der Strom so gewählt werden, dass die LED im optimalen Arbeitspunkt betrieben wird, also mit der höchsten Lichtleistung (Lumen pro Watt). Dies bedeutet, dass die LED mit maximalem Wirkungsgrad arbeitet, und zwar unabhängig vom jeweils eingestellten Helligkeitsgrad. Die PWM ist einfach zu implementieren und mit einer kostengünstigen digitalen Schaltung zu steuern. Zudem besteht der Wirkungsgradvorteil, da die LED beim gleichen Treiberstrom mit gepulstem Strom mehr Licht abstrahlt als bei Gleichstrom. Die Datenblätter vieler LEDs enthalten ein Diagramm, in dem der Lichtstrom in Abhängigkeit vom Durchlassstrom dargestellt ist. Wenn der Hersteller die LED nicht nur mit einem DC-Treiberstrom, sondern auch mit einem gepulsten Strom charakterisiert hat, dann liegt die Kurve des gepulsten Stroms über der mit Gleichstrom. Dies ist der geringeren Eigenerwärmung der LED bei einer gepulsten Ansteuerung zu verdanken.
Schließlich lässt durch Verwenden sehr effizienter PWM-Schaltungen auch die Leistungseffizienz verbessern. Ist der Schalter ausgeschaltet, dann fließt praktisch kein Strom und es wird keine Leistung verbraucht. Ist der Schalter eingeschaltet, fließt beinahe alle Leistung an die LED. Bei einer variablen Stromregelung hingegen wird alle nicht von der LED benötigte Leistung an anderer Stelle in der Schaltung »verbraten«.
Um entsprechend reale Betriebsbedingungen zu emulieren, sollte natürlich auch bei der LED-Prüfung PWM zum Einsatz kommen. Zu diesem Zweck muss der Tester eine Reihe von Strompulsen erzeugen und das ausgestrahlte Licht über mehrere Pulse mit einem Spektrometer und einer integrierenden Messung erfassen.
Messgerät verhält sich wie eine LED
Während der Pulse ist die Durchlassspannung bei jedem Puls zu messen, um Temperaturänderungen der LED erkennen zu können. Diese an die zu prüfende LED gelieferte Pulsfolge erfordert Messinstrumente, die einen PWM-LED-Treiber möglichst perfekt nachahmen können. Dazu ist es nötig, Pulse mit Frequenzen von bis zu 10 kHz und mit einem Tastverhältnis von bis zu 50% zu erzeugen.
Zudem muss die Durchlassspannung bei jedem Puls genau gemessen, ein Spektrometer für die Lichtmessungen getriggert und auf ein Signal des Spektrometers reagiert werden, um den Test zu stoppen. Weiterhin muss die HPLED-Testeinrichtung genaues Timing und konsistente Pulsformen gewährleisten, um eine hohe Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit bei der Berechnung des Wirkungsgrads sicherzustellen.
Der Wirkungsgrad einer LED berechnet sich durch Dividieren der ausgestrahlten Lichtleistung durch die aufgenommene elektrische Leistung. Hierfür sind konsistente Pulsbreiten und Formen entscheidend, damit zuverlässige Messungen der Lichtleistung mit dem Spektrometer möglich sind. Zudem ist sicherzustellen, dass mit jedem Puls die gleiche Leistung an die LED abgegeben wird.
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Die neuste Generation der SMU-Instrumente (Source Measure Unit) erfüllt diese Anforderungen. Zum Beispiel erreicht das Modell »2651A« von Keithley (Bild 1) eine DC-Leistung von bis zu 200 W und eine gepulste Leistung von bis zu 2000 W. Die PWM-Funktion ermöglicht ein programmierbares Tastverhältnis von 0% bis 100% in den standardmäßigen DC-Bereichen und ein Tastverhältnis von bis zu 35% bei 50 A und von bis zu 50% bei 30 A im erweiterten Pulsbetrieb.
Es erlaubt Präzisions-Timing und eine Synchronisation bis 500 ns, um eine hohe Pulsbreitengenauigkeit sicherzustellen. Flexible digitale I/Os vereinfachen die Triggerung anderer Instrumente im Testsystem, etwa eines Spektrometers. Schließlich verfügt es über einen 100-nA-Bereich mit 1 pA Auflösung, sodass es auch für andere Arten von elektrischen Tests an HPLEDs geeignet ist, beispielsweise Leckstrom.
Überlegungen zur Verkabelung
Wie schon ausführlich dargelegt, erfordert die Charakterisierung von HPLED-Modulen den Einsatz von großen Strömen und hohen Leistungen. Mit steigenden Strömen nimmt auch die Bedeutung der richtigen Testsystemverkabelung zu. SMUs sind meist gut für den Test von LEDs geeignet, da sie Quellen- und Messfunktionen kombinieren, die normalerweise zwei separate Instrumente simultan ausführen müssten.
SMUs erlauben Zweidraht- und Vierdraht-Verbindungen zwischen dem Instrument und der zu prüfenden LED. Die Zweidraht-Konfiguration ist die einfachere Variante. Hier kommen die gleichen Leitungen für die Messung von Spannung und Strom zum Einsatz. Allerdings hat dieser Ansatz einen entscheidenden Nachteil, denn über die Leitung, über welche die Spannung gemessen wird, fließt ein hoher Strom.
Aufgrund des Leitungswiderstands verursacht dieser Strom einen Spannungsabfall über der Leitung zwischen dem Instrument und dem DUT. Liegt der Teststrom durch die LED zum Beispiel bei 20 A und hat jede Messleitung einen Widerstand von 50 mΩ, dann ergibt sich ein Spannungsabfall über den Messleitungen von 1 V pro Leitung oder insgesamt 2 V.
Im Zweidraht-Modus misst man die Spannung eigentlich nicht an der LED, sondern an dem Punkt, an dem die Messleitungen mit dem Instrument verbunden sind. Dadurch misst das Instrument nicht nur die Durchlassspannung der LED, sondern auch die Spannung über den Messleitungen. Für dieses Beispiel mit einem Teststrom von 20 A ergibt sich so eine Durchlassspannung, die um 2 V höher ist als der wirkliche Wert.
SMUs eignen sich auch für Vierdraht- oder Kelvin-Verbindungen. Bei diesem Modus erfolgt die Messung der Durchlassspannung am Bauteil über gesonderte Messleitungen (die Sense-Leitungen). Diese Leitungen führen direkt zum Eingang der Spannungsmessschaltung des Instruments, die eine sehr hohe Impedanz hat. Somit fließt praktisch kein Strom durch die Senseleitungen, und die Spannungsmessung erfasst nur den Spannungsabfall über dem Bauteil.
Obwohl der Vierdraht-Modus zur Kompensation eines Spannungs-abfalls in den Zuleitungen bei Tests mit hohen Strömen bestens geeignet ist, kann ein zu hoher Widerstand in den Zuleitungen trotzdem Messprobleme verursachen. Gemäß dem ohmschen Gesetz erzeugt ein Teststrom von 20 A bei Leitungen mit einem Widerstand von 200 mΩ einen Spannungsabfall von 4 V.
Die Leistung ergibt sich aus dem Produkt von Strom und Spannung. Somit hat ein Strom von 20 A multipliziert mit einer Spannung von 4 V eine Verlustleistung von 80 W zur Folge, welche die Leitungen als Wärme abgeben müssen. Ein weiterer Grund, warum der Widerstand der Zuleitungen minimiert werden sollte, ist, dass eine SMU nur einen endlich großen Spannungsabfall kompensieren kann.
Anders als beim DMM dienen in einer SMU die Spannungs-Sense-Leitungen nicht nur für Spannungsmessungen; sie liefern auch eine Rückkopplung zur Regelung der Ausgangsspannung des Instruments. Diese Spannungsüberwachungsfunktion ist eigentlich Teil der Quelle der SMUs und nicht einfach nur eine Messschaltung. SMUs können nur einen bestimmten Spannungsabfall in den Zuleitungen kompensieren.
Beim Überschreiten dieses Werts kann die SMU falsche Messwerte liefern, zudem können andere ungünstige Effekte auftreten. Die Größe des Spannungsabfalls, den eine SMU ausgleichen kann, variiert von Instrument zu Instrument. Der Leitungswiderstand muss jedenfalls so niedrig sein, dass dieser Grenzwert nicht überschritten wird. Zudem bremst ein zu hoher Leitungswiderstand auch die SMU.
Bei einem Pulstest von LEDs sind schnelle Anstiegs- und Einschwingzeiten wünschenswert, um schmale Pulsbreiten zu erzielen und die Eigenerwärmung minimieren zu können. Möglichst geringe Leitungswiderstände gewährleisten schnellere Anstiegszeiten. Allerdings ist die Minimierung des Leitungswiderstands nicht die einzige Herausforderung bei großen Strömen. Hier ist auch eine Minimierung der Induktivität wichtig. Der Teststrom ändert sich durch den Spannungsabfall auf den Zuleitungen während der ansteigenden und abfallenden Flanken der Pulse (Bild 2).
Ausgleichende SMU
Obwohl die Induktivität der Messleitungen keine Auswirkungen auf die oberen und unteren Bereiche der Pulse hat, kann die SMU diesen Spannungsabfall während der ansteigenden und abfallenden Flanken nur begrenzt kompensieren. Ist eine Kompensation nicht mehr möglich, verlangsamt sich die steigende Flanke des Pulses. Und zwar so lange, wie die Induktivität einen Spannungsabfall verursacht, den die SMU nicht mehr ausgleichen kann.
Um eine ausreichende Geschwindigkeit der Pulse zu gewährleisten, ist also die Induktivität der Kabel zu minimieren. Im Datenblatt der SMUs ist die maximale Kabelinduktivität, die das Instrument noch handhaben kann, meist angegeben. Beim Überschreiten dieses Grenzwerts kann der SMU-Ausgang instabil werden und unter Umständen die zu prüfende LED beschädigen.
Richtig verkabeln
Glücklicherweise lassen sich die Effekte eines zu hohen Leitungswiderstands oder Induktivität relativ unkompliziert eindämmen. Die einfachste Möglichkeit besteht darin, eine für den jeweiligen Strom geeignete Leitungsdicke zu verwenden. Generell gilt: je höher der Strom, desto dicker die Leitung. Zum Beispiel ist bei einem Strom von 20 A mindestens ein Kabel mit AWG 12 nötig. Darüber hinaus sollte auch auf den Kontaktwiderstand geachtet werden und zwar immer dort, wo zwei Leitungsbereiche aufeinandertreffen, wo also beispielsweise die Messleitungen an das Testobjekt angeschlossen sind.
Die Minimierung des Kontaktwiderstands bedeutet auch, dass Kontakte sauber und sicher sein müssen. Bei gelöteten Verbindungen sollte die Qualität aller Lötstellen überprüft werden, um Probleme aufgrund schlechter Kontakte und hoher Übergangswiderstände zu vermeiden. Auch die Anzahl der Verbindungsstellen und oder der Verlängerungskabel zwischen dem Instrument und dem Testobjekt sollte gering gehalten werden.
Jeder Steckverbinder ist ein weiterer Kontaktpunkt, der normalerweise den Widerstand mindestens um einige Milliohm erhöht. Dies lässt sich durch den Einsatz eines längeren Kabels anstatt einer Verlängerung vermeiden. Die Leitungsinduktivität lässt sich ebenfalls relativ einfach minimieren. Hierzu sollten die Zuleitungen möglichst überall verdrillt und nur aufgetrennt werden, wenn es unbedingt notwendig ist.
Über den Autor:
David Wyban ist Applikationsingenieur bei Keithley Instruments.
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