Problemi di affidabilità con una gamma di 91 LED ad alta potenza

Ho progettato e stampato un PCB a 4 strati che ospita 91 LED a infrarossi in un layout rettangolare 7x13. Questo sarà usato come retroilluminazione per un progetto di visione artificiale. Sto riscontrando un problema in cui i singoli LED si stanno bruciando o forse in qualche modo si disconnettono dal circuito. Sospetto che la dissipazione del calore possa essere la causa del problema.

Immagine

Layout PCB

Ogni fila di 7 LED (testo LED verde) è cablata in serie. L'alimentazione a 12 V (powerplane VCC) si collega al primo LED. I successivi 6 sono collegati in serie. Infine, una resistenza di limitazione della corrente (testo R verde) collega l'ultimo LED al piano di massa.

specifiche tecniche:

Piano VCC: alimentazione 12V, 2A
LED: TSHG6200 . Corrente nominale massima di 100 mA.
Resistenza di limitazione corrente: 20 ohm
Saldatura: Thermoflow Sn60 / PB40
Dissipazione di potenza totale stimata: 12 V * 0,1 A per riga * 13 file = 15,6 W.
Dimensioni dell'array: 13 file di 7 LED, circa 7 cm x 6 cm

misure

Con un alimentatore a 12V, ci sono circa 1,45 V su ciascun LED e circa 2,0 V sulla resistenza di limitazione della corrente, il che significa una corrente di 100 mA. Poiché questo è esattamente alla massima corrente consentita, ho inserito un potenziometro ad alta potenza tra l'alimentatore e il piano VCC, e l'ho usato per regolare la tensione di ingresso in modo che fosse leggermente inferiore (11,5 V circa). Ciò porta la corrente in modo sicuro al di sotto dell'importo massimo consentito.

Sto anche usando una coppia Darlington per controllare la retroilluminazione con un Arduino. La retroilluminazione è attiva quasi sempre e ogni tanto viene spenta per circa 30 ms. Non penso che ciò sia rilevante per il problema, ma può fornire ulteriori dettagli se necessario.

Problema

Dopo circa 10-30 minuti di utilizzo, una o più file di LED si spengono. Se misuro la tensione attraverso ogni LED nella fila spezzata, la maggior parte dei LED sono a circa 0,8 V e uno ha circa 8,0 V su di esso. Non scorre corrente. A volte la rivendita dei pin o toccando il LED risolve questo problema. A volte deve essere sostituito. In ogni caso ho solo altri 10-30 minuti di utilizzo prima che ne esca un altro.

Un'altra osservazione è che l'intero lato posteriore della tavola è piuttosto appiccicoso. Puoi vederlo nella foto sopra. Mi chiedo se sta diventando troppo caldo e la saldatura sta diventando compromessa (forse trasudando flusso ??).

Domanda

Cosa devo provare per migliorare l'affidabilità? Ho già provato a farlo funzionare a una tensione inferiore per portare la corrente in modo sicuro al di sotto del massimo nominale. Mi chiedo se devo usare un diverso tipo di saldatura? O una specie di dissipatore di calore? I LED si surriscaldano al tatto ma non in modo insopportabile.

Modifica, dopo aver provato i suggerimenti

Grazie a tutti per i suggerimenti! Ho fatto qualcosa di molto semplice - ho indicato una ventola del computer per soffiare aria attraverso l'array - e ha funzionato in modo fantastico! Immagino che questo sia davvero ovvio per molti di voi, ma sono rimasto sorpreso dall'enorme differenza.

Senza ventilatore:

25mA per riga -> 39C
33mA per riga -> 41C
40mA per riga -> 48C
55mA per riga -> 52C

Entriamo così nella "zona pericolosa" della temperatura prima di raggiungere la massima corrente per LED.

Con ventaglio:

35mA per riga -> 26C
60mA per riga -> 30C
90mA per riga -> 34C

L'ho eseguito a 90 mA per riga e 34 ° C per oltre un'ora senza problemi. Grande!

heat led-matrix reliability

— cxrodgers
fonte

@Gilad Li ho acquistati da Mouser

— cxrodgers il

è un PCB con una lega di alluminio anziché fibra di vetro, per applicazioni ad alta intensità di calore: electropages.com/wp-content/uploads/article_images/large/…

— Wesley Lee

Come altri hanno già detto, il problema principale è senza dubbio la dissipazione termica. Un ulteriore problema è che i pad sembrano un po 'piccoli. Potrebbero andare bene per la saldatura a flusso, ma per i materiali saldati a mano un tampone di dimensioni maggiori aiuterebbe e probabilmente migliorerebbe anche la dissipazione termica. Hai un sacco di spazio per pad più grandi, usalo.

— JavaLatte,

Posso suggerire che probabilmente staresti molto meglio usando qualcosa del genere: aliexpress.com/item/…

— Jules

@ user6030: esiste una resistenza per catena di serie di LED, come da prassi standard. Ogni LED nella catena avrà la stessa corrente.

— Transistor

Risposte:

Hai già risposto alla risposta: i tuoi LED si stanno surriscaldando. 15 watt potrebbero non sembrare molto, ma si sta accumulando e uccidendo i tuoi LED. Ti suggerisco di procurarti un termistore e collegarlo al centro della scheda, quindi monitorare la temperatura mentre il sistema funziona. Ancora meglio, collegalo al corpo di uno dei LED.

Poiché lo stai utilizzando come retroilluminazione, non utilizzare LED a fascio stretto. Utilizzare unità di fascio relativamente larghe e separarle in modo che l'aria possa fluire attraverso. Se riesci a trovare una fonte di, diciamo, LED a 35 gradi, installa solo uno qualsiasi in uno schema a scacchiera, saltando il ponticello se necessario. Otterrai solo metà della luminosità totale, ma è appena percettibile e il flusso d'aria migliorato dovrebbe essere di grande aiuto. Potrebbe anche essere necessario fornire una ventola con alcuni condotti per mantenere adeguato il flusso d'aria attraverso l'array.

E includi sempre un monitor della temperatura. Sebbene non direttamente applicabile, questo video di YouTube mostra i principi del raffreddamento. Nel tuo caso, poiché hai una foresta di LED in posizione verticale, è importante non lasciare che i LED si tocchino l'un l'altro, poiché ciò bloccherà il flusso d'aria.

— WhatRoughBeast
fonte

Proverò a installare un termistore come suggerisci. Mi chiedo se un ventilatore o un dissipatore di calore sarebbe più facile per me lavorare. Controllerò il video. E punto preso per la spaziatura maggiore.

— Cxrodgers,

Per quello che stai facendo, i dissipatori non funzionano. Non c'è modo di attaccarli. Tuttavia, è possibile far funzionare i LED SMD.

— WhatRoughBeast

Fallo funzionare di nuovo e punta un fan di buona potenza. Guarda cosa succede al tempo di funzionamento. Concordo, 15 W non sembrano molto, ma è abbastanza per portare la punta di un saldatore a 650 ° F in 5 minuti.

— rdtsc,

Il problema è che, se si tratta di una retroilluminazione, sarà probabilmente inserita in una sorta di display, quindi funzionerà solo la ventilazione incrociata. Il flusso d'aria sarà molto inferiore rispetto a quando si sta semplicemente soffiando una ventola attraverso l'array.

— WhatRoughBeast

Dal foglio dati:

Figura 1. Corrente diretta massima assoluta.

e più avanti:

Figura 2. Declassamento della corrente del LED a temperatura aumentata.

Corrente e temperatura sono i tuoi problemi. State correndo alla massima corrente assoluta senza alcun disordine e state permettendo alla temperatura di aumentare. A 60 ° ambiente la corrente massima consentita diminuisce drasticamente.

— Transistor
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Ho accettato l'altra risposta a causa di alcune delle informazioni aggiuntive in esso contenute, ma volevo solo dire che questo grafico è stato davvero utile per me per capire il problema

— cxrodgers

Vale la pena ricordare che il grafico non dice una volta che il LED ha raggiunto i 60 gradi C, la corrente deve essere declassata. Non è. Sta dicendo che se la temperatura ambientale dell'ambiente in cui il LED sta diffondendo calore è di 60 gradi, deve essere declassata. Ora, questo è più o meno il caso in cui ogni LED è circondato da un gruppo di altri LED caldi, il che farà un ottimo lavoro di simulazione di un ambiente caldo. È comunque una distinzione che vale la pena fare.

— metacollin

Buon punto. Ho aggiunto la parola "ambient" nell'ultima frase per chiarire.

— Transistor

Un rapido google per "Dissipatore di calore a LED" ti troverà molte soluzioni adatte per raffreddare i tuoi LED bruciati. La mia raccomandazione iniziale sarebbe quella di trasformare la parte superiore del PCB in uno strato di dissipatore di calore e utilizzare un adesivo termico per attaccare i LED ad esso. Temo che sia più saldante, ma hey ho.

Per maggiori informazioni, ho scoperto che Wikipedia ha un collegamento a varie tecnologie di raffreddamento a LED che potrebbero essere di interesse.

— Graham
fonte