Problemas de confiabilidad con una matriz de 91 LED de alta potencia

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He diseñado e impreso una PCB de 4 capas que tiene capacidad para 91 LED infrarrojos en un diseño rectangular de 7x13. Esto se utilizará como retroiluminación para un proyecto de visión artificial. Estoy teniendo un problema en el que los LED individuales se están apagando o tal vez se desconectan del circuito de alguna manera. Sospecho que la disipación de calor puede ser la causa del problema.

Imagen

DiseñodePCB

Cadafilade7LED(textodeLEDverde)estácableadaenserie.Lafuentedealimentaciónde12V(VCCpowerplane)seconectaalprimerLED.Lossiguientes6estáncableadosenserie.Finalmente,unaresistencialimitadoradecorriente(textoRverde)conectaelúltimoLEDalplanodetierra.

Especificaciones:

  • aviónVCC:12V,suministro2A
  • LED: TSHG6200 . 100 mA de clasificación máxima corriente.
  • resistencia limitadora de corriente: 20 ohmios
  • Soldadura: Thermoflow Sn60 / PB40
  • Disipación de potencia estimada total: 12V * 0.1A por fila * 13 filas = 15.6W.
  • Tamaño de la matriz: 13 filas de 7 LED, aproximadamente 7 cm x 6cm

Mediciones

Con una fuente de alimentación de 12 V, hay aproximadamente 1,45 V en cada LED y aproximadamente 2,0 V en la resistencia limitadora de corriente, lo que significa una corriente de 100 mA. Debido a que está justo en la corriente máxima permitida, coloqué un gran potenciómetro de alta potencia entre la fuente de alimentación y el plano VCC, y lo utilicé para regular el voltaje de entrada para que sea ligeramente más bajo (11.5 V o menos). Esto hace que la corriente sea segura por debajo de la cantidad máxima permitida.

También estoy usando un par Darlington para controlar la luz de fondo con un Arduino. La luz de fondo está encendida casi todo el tiempo y, en ocasiones, se apaga durante unos 30 ms. No creo que esto sea relevante para el problema, pero puede proporcionar más detalles si es necesario.

Problema

Después de aproximadamente 10-30 minutos de uso, una o más de las filas de LED se apagarán. Si mido el voltaje a través de cada LED en la fila rota, la mayoría de los LED tienen aproximadamente 0.8V y uno tiene aproximadamente 8.0V. No fluye ninguna corriente. A veces, arreglar las clavijas o tocar el LED soluciona esto. A veces hay que reemplazarlo. En cualquier caso, solo obtengo otros 10-30 minutos de uso antes de que se apague otro.

Otra observación es que toda la parte posterior del tablero está pegajosa. Puedes ver esto en la imagen de arriba. Me pregunto si se está calentando demasiado y la soldadura se está poniendo en peligro (¿tal vez exuda flujo?).

Pregunta

¿Qué debo tratar de mejorar la fiabilidad? Ya he intentado ejecutarlo a un voltaje más bajo para obtener la corriente de manera segura por debajo del máximo nominal. Me pregunto si necesito usar otro tipo de soldadura. ¿O algún tipo de disipador de calor? Los LED se calientan al tacto, pero no de manera insoportable.

Editar, después de probar sugerencias

Gracias a todos por los consejos! Hice algo bastante simple: apunté a un fanático de la computadora para soplar aire a través de la matriz, ¡y funcionó fantásticamente! Supongo que esto es realmente obvio para muchos de ustedes, pero me sorprendió lo enorme que era la diferencia.

Sin ventilador:

  • 25 mA por fila - > 39C
  • 33 mA por fila - > 41C
  • 40 mA por fila - > 48C
  • 55 mA por fila - > 52C

Por lo tanto, entramos en la "zona de peligro" de la temperatura mucho antes de alcanzar la corriente máxima por LED.

Con ventilador:

  • 35 mA por fila - > 26C
  • 60 mA por fila - > 30C
  • 90 mA por fila - > 34C

Lo ejecuté a 90 mA por fila y 34ºC durante más de una hora sin problemas. ¡Genial!

    
pregunta cxrodgers

3 respuestas

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Ya has acertado en la respuesta: tus LED se están calentando. Puede que 15 vatios no suenen mucho, pero se está acumulando y matando a sus LED. Le sugiero que obtenga un termistor y lo conecte al centro de la placa, luego monitoree la temperatura mientras el sistema funciona. Aún mejor, adjúntelo al cuerpo de uno de los LED.

Debido a que está utilizando esto como luz de fondo, no use LED de haz estrecho. Use unidades de haz relativamente anchas y sepárelas para que el aire pueda fluir. Si puede encontrar una fuente de, digamos, LED de 35 grados, instale solo cada uno en un patrón de tablero de ajedrez, soldando el puente según sea necesario. Solo obtendrá la mitad del brillo total, pero eso es apenas perceptible, y el flujo de aire mejorado debería ser de gran ayuda. También es posible que deba proporcionar un ventilador con algunos conductos para mantener el flujo de aire a través del conjunto adecuado.

Y siempre incluye un monitor de temperatura. Si bien no es directamente aplicable, este video de YouTube muestra los principios del enfriamiento. En su caso, ya que tiene un bosque de LED verticales, es importante no dejar que los LED se toquen entre sí, ya que esto bloqueará el flujo de aire.

    
respondido por el WhatRoughBeast
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De la hoja de datos:

Figura1.Corrientedirectamáximaabsoluta.

ymásadelante:

Figura 2. Reducción de la corriente del LED a mayor temperatura.

La corriente y la temperatura son tus problemas. Está funcionando a una corriente máxima absoluta sin espacio de maniobra y está permitiendo que la temperatura suba. A 60 ° ambiente, la corriente máxima permitida cae dramáticamente.

    
respondido por el Transistor
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Una búsqueda rápida en Google para "Disipador de calor LED" le encontrará muchas soluciones adecuadas para enfriar sus LED apagados. Sin embargo, mi recomendación inicial sería convertir la parte superior de la PCB en una capa de disipador de calor y utilizar adhesivo térmico para pegar los LED a ella. Me temo que eso es más soldadura, pero hey ho.

Para obtener más información, he encontrado que Wikipedia tiene un enlace a varias tecnologías de refrigeración por LED que pueden ser de interés.

    
respondido por el Graham

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