Uso de sobrecorriente impulsada por LED en una lámpara estroboscópica

Para obtener una respuesta práctica a la pregunta, se requerirán pruebas destructivas de al menos un LED , preferiblemente unos pocos.

En general:

LEDs son principalmente destruidos por el calor , no tanto por la corriente. Dependiendo de la construcción interna del LED y su rendimiento de disipación térmica a corto plazo, un LED podría sobrevivir 100 veces su corriente nominal. Del mismo modo, si la toma de corriente térmica de la unión no es lo suficientemente rápida, un LED podría destruirse con tan solo 5 veces la corriente nominal.

Dada la duración del pulso deseada mencionada en la pregunta, solo probé lo siguiente:

Tengo un LED rojo de 20 mA barato sin nombre que se está pulsando a 0.8 amperios a 12 voltios, con duración de pulso 5 microsegundos , ciclo de trabajo 1/256 (< fuerte> 0.39% ). No ha explotado en los últimos 15 minutos, de hecho, los cables ni siquiera son perceptiblemente cálidos. Sin embargo, no está muy iluminado, lo que puede deberse en parte a la caída en la conmutación de formas de onda.

Para requisitos similares de sobremarcha de LED, una regla de oro interna que debo seguir es reducir la potencia promedio del LED en un 10% por cada 100% de aumento de la corriente de la unidad sobre la nominal. Creo que esto es demasiado conservador, pero he tenido éxito con una corriente nominal de hasta 30 veces para las aplicaciones de tipo "flash de cámara" que utilizan los LED blancos de Piranha.

¿Este exceso de valores nominales se consideraría ingeniería aceptable? No por mucho.

Actualizar:

1. Después de la prueba con el LED rojo descrito anteriormente, la frecuencia PWM se redujo de manera que cada pulso "on" se convirtió en 20 microsegundos , de los 4.88 microsegundos anteriores, manteniendo el ciclo de trabajo el mismo que antes.

   El resultado fue una verdadera prueba destructiva: El LED explotó espectacularmente , la mitad superior aún no se ha encontrado.

   Hipótesis : dado que la duración del pulso es comparable al tiempo de aumento del LED, el LED no se ilumina mucho ni presenta los efectos catastróficos térmicos esperados.

2. Mientras se mantenía la duración del pulso de 20 microsegundos y el ciclo de trabajo del 0,39%, se introdujo la limitación de la corriente, aumentando sistemáticamente la corriente permitida de 50 mA a más de 400 mA. El LED sobrevive hasta cierto punto y es mucho más brillante que en el caso de 4,88 microsegundos.

   Más allá de unos 350 mA, el LED se apaga, sale humo mágico, es decir, se transforma en SED (Emisor de humo, Muerto).

   Conclusiones :

   • La potencia promedio no es el único factor que contribuye a la destrucción (o supervivencia), mantener pulsos muy cortos simplemente no permite que el LED se encienda lo suficiente como para importar
   • Con 20 pulsos de microsegundos, el LED de 20 mA sobrevive aproximadamente 17.5 veces su corriente nominal nominal antes de la destrucción
   • Necesito comprar más LEDs.

El interesante trabajo de Anindo sobre los LED de 20 mA, que siempre entendí podría estar saturado para ciclos de trabajo cortos, aunque nunca supe cuánto. Pensé que quizás 10: 1, 40: 1 podría estar presionando!

Sin embargo, es posible que esto no se transfiera a los nuevos LED de alto rendimiento que ya se están ejecutando con más fuerza, con un diseño térmico cuidadoso.

Este LED de alta potencia de HP ( tos, Avago) , por ejemplo, tiene calificaciones explícitas de "máximo absoluto" para "corriente de pulsos pico" de 2.4A para InGaN, 1.5A para diodos de AlInGaP, solo aproximadamente 3.5x y 2x la corriente nominal de 700ma. La página 6 de la hoja de datos de este dispositivo tiene lo que usted desea: gráficos de la duración del impulso frente a la duración para diferentes ciclos de trabajo.

Una breve revisión de otras hojas de datos LED de alta potencia mostró una (350 mA de diseño actual) con una 1.2A" absolute max " con la interesante condición de que no debe alcanzar esta corriente durante 60 segundos acumulados durante toda la vida útil del producto.

Aparentemente, varía mucho con diferentes marcas y modelos de LED de alta potencia.

La cantidad que un LED puede ser sobrepasado depende en gran medida del diseño. Cada LED tiene una temperatura máxima que se puede alcanzar antes del fallo de cada material involucrado .

La corriente continua máxima suele estar limitada por la encapsulación, el material de la lente que protege el diodo. Este tipo de falla se funde o hace que la lente se vuelva opaca (generalmente amarilla, luego marrón). La corriente continua máxima se puede aumentar reduciendo el calor producido (aumentando la eficiencia) o la conducción térmica efectiva. Así es como se hacen los LED de alta potencia.

La corriente de pulso máxima generalmente está determinada por los materiales que llevan la corriente. Los conductores tienen una masa tan pequeña que se sobrecalientan rápidamente y fallan catastróficamente (es decir, la respuesta de Amindo Gosh con el LED explosivo). El camino de conducción se sobrecalentó y falló porque no tenía suficiente masa para manejar el aumento de corriente. Incluso si el LED tiene una resistencia térmica baja y puede manejar una gran corriente continua, es posible que no pueda manejar mucho más que eso en una corriente pulsada.

Un LED puede ser pensado en una cadena de condensadores térmicos y resistencias (resistencias en serie con condensadores de derivación). El diodo tiene una baja capacitancia pero también una baja resistencia térmica. Puede drenar el calor rápidamente pero no puede manejar las sobretensiones. La encapsulación tiene una alta capacitancia pero también una alta resistencia térmica. Maneja sobretensiones pero no puede manejar grandes corrientes continuas.

También con respecto al tiempo de encendido del LED. Esto está muy probablemente limitado por su circuito de control y no por el LED. Solo estoy familiarizado con los LEDs CREE XLAMP que tienen un tiempo de transición de aproximadamente 10 nanosegundos.

Es común que la sección de Clasificación Máxima Absoluta de una especificación de LED especifique una corriente que sea más alta que la corriente de operación continua que se permitiría para el dispositivo. Si excede esa corriente máxima especificada incluso para un nanosegundo , entonces, en lo que respecta al fabricante, todas las apuestas están desactivadas.

En la práctica, es bastante probable que incluso si la Calificación Máxima Absoluta especifica 500 mA, uno podría pasar 1A por 10us, una vez por segundo durante un año, sin dañar nada. Por otro lado, también es probable que poner 1A a través de la parte para 10us no genere mucha más luz de la que se obtendría si uno pone a través de 500 mA para 10us. No importa la cantidad de energía que uno ponga en un LED, hay un límite en cuanto a la cantidad de luz que generará a través de los medios previstos (es decir, por otros medios que no sean las llamas). Dado que cualquier potencia que uno ingrese que no se convierta en luz se convertirá en calor, hay un punto a partir del cual el aumento de la corriente pico afectará negativamente la vida útil de la parte mucho más que la cantidad de luz generada. / p>     

Puede ser que si la potencia no es más alta que la calificación del LED, podría calcularse fácilmente si la relación de la frecuencia del pulso al ciclo de trabajo no excede el 100% de trabajo a una potencia de 20 mA, es decir, si es así. La potencia que se utiliza para convertir a luz es lineal. Si no es lineal, entonces sería una curva de algún tipo y utilizar el cálculo para encontrar la curva para encontrar el punto donde excede los parámetros de diseño.  Puede haber un punto en el que el calor no se pueda quitar lo suficientemente rápido y luego interfiera con la conversión de electrones a fotones. Por lo tanto, si un disipador de calor podría estar más directamente vinculado físicamente al interior del LED, podría ser más fácilmente (lejos del calor) sinterizado por calor, o enfriado activamente. esto haría que el LED fuera mucho menos eficiente de la energía, pero el LED podría entonces funcionar con más corriente para diferentes aplicaciones como estroboscopía, modulaciones de pulso, etc. Además, la salida de banda de onda de un LED es un tanto monocromática, pero cambiará su banda de onda con la temperatura, por lo que podría ser una forma de sintonizar la banda de onda del LED para aplicaciones monocromáticas si los cambios en la iluminación se corrigen y se calibran.  Probablemente haya un brillo aparente visto por el ojo como más eficiente o menos que nada que ver con la eficiencia cuántica del LED, sino más bien con la conversión cuántica de la química de la retina y el tamaño de la pupila y la persistencia de la visión, y por lo tanto hay debe ser una conversión de pulso de potencia óptima para esta iluminación aparente para el ojo.
 En cualquier caso, la interacción actual debería volverse no lineal en algún punto y destruir el LED.  Tal vez enfríe el LED haciendo circular un poco de aceite enfriado alrededor con disipadores de calor de plata u oro en los cables o empapando en nitrógeno líquido. Parece que los buenos conductores de electrones son buenos materiales para transportar el calor y el oro es químicamente más estable que la plata, aunque es caro.