Uso di sovracorrente pilotata da LED in una lampada stroboscopica

Vorrei una lampada stroboscopica che utilizza LED RGB come fonte di luce. Voglio pulsare i LED con impulsi di durata molto breve (idealmente microsecondi o meno) a circa 100 Hz.

Il tempo totale di accensione dei LED al secondo è probabilmente inferiore a 1/1000 di secondo. Se i LED sono pilotati alla potenza nominale, l'emissione luminosa totale sarà bassa e l'illuminazione risultante sarà molto scarsa. Sono interessato all'idea di guidare impulsi molto brevi attraverso i LED che sono di potenza costante, ma con una corrente ben superiore al nominale. Idealmente, 10 volte o addirittura 100 volte rispetto al valore nominale.

Un thread qui: High Current Pulse su LED suggerisce che un paio di volte oltre la corrente nominale per impulsi brevi probabilmente va bene, ma penso che stiano parlando di impulsi più lunghi di quanto immagino.

Qualcuno potrebbe commentare se è probabile che i LED sopravvivano abbastanza a lungo da essere utili? Non mi dispiace una vita totale drasticamente ridotta. Finché sopravviveranno per alcune decine di ore di utilizzo (totale in tempo probabilmente meno di un'ora), va bene.

Per una risposta pratica alla domanda , saranno richiesti test distruttivi di almeno un LED , preferibilmente pochi.

In linea di massima:

I LED vengono principalmente distrutti dal calore , non tanto dalla corrente. A seconda della costruzione interna del LED e delle sue prestazioni di dissipazione termica a breve termine, un LED potrebbe concepibilmente sopravvivere a 100 volte la sua corrente nominale. Allo stesso modo, se il prelievo termico dalla giunzione non è abbastanza veloce, un LED potrebbe essere distrutto di appena 5 volte la corrente nominale.

Data la durata dell'impulso desiderata menzionata nella domanda, ho appena provato quanto segue:

Ho un LED rosso da 20 mA senza nome che pulsa a 0,8 Ampere a 12 Volt, con durata dell'impulso 5 microsecondi , ciclo di lavoro 1/256 ( 0,39% ). Non si è fatto saltare negli ultimi 15 minuti, in effetti i cavi non sono nemmeno discernibilmente caldi. Tuttavia, non è molto illuminato, il che potrebbe essere in parte dovuto alla caduta delle forme d'onda.

Per requisiti di overdrive LED simili, una regola empirica interna che seguo è quella di ridurre la potenza media del LED del 10% per ogni aumento del 100% della corrente del convertitore rispetto al valore nominale. Credo che questo sia eccessivamente conservativo, ma ho avuto successo con una corrente nominale di 30x per le applicazioni di tipo "flash per fotocamere" utilizzando LED Piranha bianchi.

Questo superamento dei valori nominali sarebbe considerato ingegneria accettabile? Non da un colpo lungo.

Aggiornare:

1. Successivamente al test con il LED rosso sopra descritto, la frequenza PWM è stata ridotta in modo tale che ogni impulso "on" diventasse 20 microsecondi , dai precedenti 4,88 microsecondi, mantenendo il ciclo di lavoro uguale a prima.

   Il risultato è stato un vero test distruttivo: il LED è esploso in modo spettacolare , la metà superiore non è ancora stata trovata.

   Ipotesi : con la durata dell'impulso paragonabile al tempo di salita del LED, il LED non si accende molto, né mostra effetti catastrofici termici previsti.

2. Pur mantenendo la durata dell'impulso di 20 microsecondi e il ciclo di lavoro dello 0,39%, è stata introdotta la limitazione della corrente, aumentando sistematicamente la corrente consentita da 50 mA a oltre 400 mA. Il LED sopravvive fino a un certo punto ed è molto più luminoso rispetto al case da 4,88 microsecondi.

   Oltre i 350 mA circa, il LED si spegne, esce fumo magico, ovvero si trasforma in SED (Smoke Emitting, Dead).

   Conclusioni :

   • La potenza media non è l'unico fattore che contribuisce alla distruzione (o alla sopravvivenza), mantenendo gli impulsi troppo brevi semplicemente non consente al LED di accendersi abbastanza per importare
   • Con 20 impulsi di microsecondi, il LED da 20 mA sopravvive a circa 17,5 volte la sua corrente nominale prima della distruzione
   • Devo comprare più LED.

Interessante lavoro di Anindo sui LED da 20 mA, che ho sempre capito potrebbe essere sovraccarico per cicli di lavoro brevi, anche se non ho mai saputo quanto. Ho pensato che forse 10: 1, 40: 1 potrebbero spingerlo!

Tuttavia, ciò potrebbe non portare anche ai nuovi LED ad alte prestazioni che sono già in esecuzione più intensamente, con un'attenta progettazione termica.

Questo LED ad alta potenza di HP (tosse, Avago), ad esempio, ha espliciti valori "assoluti massimi" per "corrente pulsante di picco" di 2,4 A per InGaN, 1,5 A per diodi AlInGaP, solo circa 3,5x e 2x la corrente nominale di 700ma. La pagina 6 della scheda tecnica di questo dispositivo ha ciò che desideri: grafici della corrente di impulso vs durata per diversi cicli di lavoro.

Una breve rassegna di altri fogli dati LED ad alta potenza ne ha mostrato uno (350ma corrente di progetto) con un "massimo assoluto" di 1,2 A con l'interessante condizione che non dovrebbe raggiungere questa corrente per 60 secondi cumulativi per tutta la vita del prodotto.

Quindi a quanto pare varia molto con diverse marche e modelli di LED ad alta potenza.

La quantità che un LED può essere pilotato dipende fortemente dal design. Ogni LED ha una temperatura massima che può essere raggiunta prima del guasto per ogni materiale coinvolto .

La massima corrente continua è generalmente limitata dall'incapsulamento, il materiale della lente che protegge il diodo. Questo tipo di guasto si scioglie o rende opaco l'obiettivo (di solito giallo, quindi marrone). La massima corrente continua può essere aumentata riducendo il calore prodotto (aumento dell'efficienza) o un'efficace conduzione termica. Ecco come sono realizzati i LED ad alta potenza.

La corrente di impulso massima è solitamente determinata dai materiali di trasporto correnti. I conduttori hanno una massa così piccola che si surriscaldano rapidamente e falliscono catastroficamente (ovvero la risposta di Amindo Gosh con il LED che esplode). Il percorso di conduzione si è surriscaldato e fallito perché non aveva abbastanza massa per gestire l'attuale impennata. Anche se il LED ha una bassa resistenza termica e può gestire una grande corrente continua, potrebbe non essere in grado di gestire molto più di quello nella corrente pulsata.

Un LED può essere pensato per una catena di condensatori termici e resistori (resistori in serie con condensatori di bypass). Il diodo ha una bassa capacità ma anche una bassa resistenza termica. Può drenare rapidamente il calore ma non è in grado di gestire le sovratensioni. L'incapsulamento ha un'alta capacità ma anche un'alta resistenza termica. Gestisce le sovratensioni ma non può gestire grandi correnti continue.

Anche per quanto riguarda il tempo di accensione del LED. Molto probabilmente questo è limitato dal circuito di controllo e non dal LED. Conosco solo i LED CREE XLAMP che hanno un tempo di transizione di circa 10 nanosecondi.

È comune per la sezione dei valori nominali massimi assoluti di una specifica LED specificare una corrente superiore alla corrente operativa continua che sarebbe consentita per il dispositivo. Se si supera la corrente massima specificata anche per un nanosecondo , per quanto riguarda il produttore, tutte le scommesse sono disattivate.

In pratica, è abbastanza probabile che anche se il punteggio massimo assoluto specifica 500 mA, si potrebbe fare 1A attraverso la parte per 10us, una volta al secondo per un anno, senza danneggiare nulla. D'altra parte, è anche probabile che mettere 1A attraverso la parte per 10us potrebbe non generare molta più luce di quella che si otterrebbe se si passasse da 500mA a 10us. Indipendentemente dalla quantità di energia che viene immessa in un LED, esiste un limite alla quantità di luce che genererà attraverso i suoi mezzi previsti (cioè con mezzi diversi da quelli che vanno in fiamme). Poiché qualsiasi potenza che viene immessa che non viene convertita in luce verrà convertita in calore, esiste un punto oltre il quale una maggiore corrente di picco influenzerà negativamente la durata della parte molto più di quanto influenzerà la quantità di luce generata.

Può darsi che se la potenza non è superiore alla potenza del LED, potrebbe essere calcolata facilmente se il rapporto tra frequenza del polso e ciclo di lavoro non superi il 100% di servizio con una potenza di 20 mA, cioè se il modo in cui è la potenza usato per convertire in luce è lineare. Se non è lineare, sarebbe una curva di qualche tipo e utilizzare il calcolo per trovare la curva per trovare il punto in cui supera i parametri di progettazione. Potrebbe esserci un punto in cui il calore non può essere rimosso abbastanza velocemente e quindi interferisce con la conversione da elettrone a fotone. Pertanto, se un dissipatore di calore potesse essere collegato più direttamente fisicamente all'interno del LED, potrebbe essere più facilmente assorbito dal calore o raffreddato attivamente. questo renderebbe il LED molto meno efficiente dal punto di vista energetico, ma il LED potrebbe quindi essere pilotato con più corrente per diverse applicazioni come stroboscopico, modulazioni di impulsi, ecc. Inoltre, l'uscita della banda d'onda di un LED è in qualche modo monocromatica ma cambierà la sua banda d'onda con la temperatura, quindi potrebbe essere un modo per sintonizzare la banda d'onda del LED per applicazioni monocromatiche se il cambiamento nell'illuminazione cambia corretto e calibrato. Probabilmente c'è un'apparente luminosità vista dall'occhio come più efficiente o meno che non ha nulla a che fare con l'efficienza quantistica del LED, ma ha più a che fare con la conversione quantistica della chimica retinica e le dimensioni della pupilla e la persistenza della visione, e quindi lì dovrebbe essere una conversione ottimale dell'impulso di potenza per questa apparente illuminazione dell'occhio. Inoltre, l'uscita della banda d'onda di un LED è in qualche modo monocromatica ma cambierà la sua banda d'onda con la temperatura, quindi potrebbe essere un modo per sintonizzare la banda d'onda del LED per applicazioni monocromatiche se il cambiamento nell'illuminazione cambia corretto e calibrato. Probabilmente c'è un'apparente luminosità vista dall'occhio come più efficiente o meno che non ha nulla a che fare con l'efficienza quantistica del LED, ma ha più a che fare con la conversione quantistica della chimica retinica e le dimensioni della pupilla e la persistenza della visione, e quindi lì dovrebbe essere una conversione ottimale dell'impulso di potenza per questa apparente illuminazione dell'occhio. Inoltre, l'uscita della banda d'onda di un LED è in qualche modo monocromatica ma cambierà la sua banda d'onda con la temperatura, quindi potrebbe essere un modo per sintonizzare la banda d'onda del LED per applicazioni monocromatiche se il cambiamento nell'illuminazione cambia corretto e calibrato. Probabilmente c'è un'apparente luminosità vista dall'occhio come più efficiente o meno che non ha nulla a che fare con l'efficienza quantistica del LED, ma ha più a che fare con la conversione quantistica della chimica retinica e le dimensioni della pupilla e la persistenza della visione, e quindi lì dovrebbe essere una conversione ottimale dell'impulso di potenza per questa apparente illuminazione dell'occhio.
In ogni caso, l'interazione attuale dovrebbe diventare non lineare ad un certo punto e distruggere il LED. Forse raffredda il LED facendo circolare un po 'di olio raffreddato attorno ad esso con dissipatori di calore argentati o dorati sui cavi o inzuppando azoto liquido. Sembra che i buoni conduttori di elettroni siano buoni materiali per trasportare il calore e che l'oro sia chimicamente più stabile dell'argento sebbene costoso.