Masurare temperatura jonctiune LED

[Dxxx]

Sper ca subiectul va fi interesant pentru mai multa lume, de aceea merita un thread.

 

Subiectul / rezolvarea ii apartine de drept lui UDAR,

eu doar l-am tras de limba, dar pun aici discutia noastra pentru ca toata lumea sa aiba acces la ea, intr-un singur loc:

 

 

UDAR:

Mai întâi voi improviza o mică etuvă termostatată. Am deja tehnologia să măsor Uf în impulsuri . Cu cele două aparate  combinate voi putea măsura Uf la două temperaturi diferite și voi putea calcula k = variația Uf vs. Tj . Apoi , voi putea determina - măsurând Uf și Tamb ,  temperatura joncțiunii cu suficientă precizie.

Dxxx:

Etuva termostatata etalonata, masuratori in impuls - pai ar fi interesante si masuratori pe LEDuri THT fara radiator.

Daca ai tehnologia (de unde ai furat-o? poate vor si altii...) principiul ar fi suveran ca sa ajungi la temperatura pe jonctiune.

UDAR:

Tehnologia sună poate pretențios . E un generator de curent în impulsuri reglabil până la circa 1A - cu durata de 1ms și perioada de circa 50ms . Dețin un multimetru care știe să măsoare așa ceva ( peste 0,8ms - de aceea am ales 1ms ) și gata . Ideal ar fi fost 300µs cu 30ms dar e OK și așa. Estimez că un led standard de 5mm nu se încălzete cu mai mult de 2-3°C. O poză cu cablajul și schema , mai jos - s-ar putea pe placă să nu mai fie chiar valorile din schemă , o să verific.

Etuva urmează ...dar e ceva de asemenea simplu. 

În ceea ce privește testele cu LED-uri THT am făcut câteva . O să le reiau după ce definitivez ”dotarea” . Rezultatele cu LED-uri ”straw hat” de 8mm de pe eBay au fost chiar interesante - se răcesc preponderent prin piciorușe ( datorită construcției speciale ) și , lipindu-le ( cu piciorușele scurtate ) pe o suprafață de Cu decentă - 4-5cmp per LED - se pot ține la 80mA la o temperatură de sub 90°C a joncțiunii - apreciez , urmează să aflu mai exact . 

 

 

Acum îmi dau seama că am deviat de la topic . O să deschid subiect nou când va fi cazul. Scuze !

Miniaturi atașate

• [*]

[*]

Dxxx:

Imi spusesei mai demult de "tehnologia"- minune.
Intr-adevar nu pare cine stie ce, dar crede-ma ca este tehnologie.

Intr-o asemenea masura ca daca cineva are o problema de disipatie/radiator ar merita sa-ti dea un "sample" sa il testezi.

Cine stie cand va fi cazul, daca imi vine mie randul o sa te rog...

 

Intrebarea pentru situatia reala:

Se poate sa lasi un LED in functie, montat pe solutia de racire pana cand ajunge la o temperatura de echilibru si apoi suficient de repede sa faci o masuratoare ca sa afli temperatura pe jonctiune?

Sau faci masuratoarea cu etuva si apoi citesti doar tensiunea de unde iti reiese direct temperatura? Nu stiu cum ai putea imperechea grupurile (tensiune/temperatura) tinand cont ca prin led vor trece curenti diferiti intre situatia "masuratoare" si cea de functionare reala.

UDAR:

Desigur măsurătoarea se face la același curent , altfel ar trebui făcute niște corecții . LED-ul în sine , ca și semiconductor , este suficient de rapid astfel că nu contează dacă am impulsuri de 1ms sau curent continuu - tensiunea la borne e aceeași dacă temperatura și curentul sunt aceleași . Deci LED-ul în soluția reală se măsoară în curent continuu - pur și simplu , după ce s-a stabilizat măsor tensiunea la borne . Pot chiar să monitorizez tensiunea la borne și când aceasta s-a stabilizat deduc că și temperatura s-a stabilizat. Cealaltă măsurătoare o fac în impulsuri , cu generatorul reglat la același curent . Temperatura va fi diferită între cele două măsurători deci diferența de tensiune va fi datorată doar diferenței de temperatură.

Dxxx:

...si implicit daca cu etuva obtii aceesi tensiune la acelas curent rezulta ca temperatura etuvei este cea la care sta jonctiunea in prima masuratoare...
corect?

adica in etuva + impulsuri temperatura jonctiunii va fi cea a etuvei, ...

sau dimpotriva pentru ca spui ca LEDul e foarte rapid, de fapt, temperatura se duce unde o duce puterea impulsului?

 

Eu credeam si speram ca un impuls de milisecunde, cu duty cicle impuls/pauza sub 1% nu va influenta practic deloc temperatura jonctiunii.

 

DE AICI CONTINUAM PE ACEST THREAD

 

[UDAR]

Metoda propusă nu este de fapt specifică LED-urilor dar ne vom limita discuția la ele. Principiul este că - la un curent dat - tensiunea directă pe LED variază cu temperatura . Pentru diferențe nu prea mari de temperatură ( zeci de °C ) se poate accepta că această variație este liniară , de forma Uf-Uf₀ = k*(Tj-Tj₀) unde Uf, Uf₀ reprezintă tensiunea directă pe LED la temperaturile Tj, respectiv Tj_0,  și k este un coeficient cuprins de regulă între -1,5 și -6 mV/°C

Asta înseamnă că - dacă știm k - putem măsura tensiunea pe LED la  temperatura  camerei  și la temperatura de lucru, calculăm diferența de temperatură pe care o adunăm la temperatura camerei și obținem temperatura joncțiunii. 

Avem totuși câteva probleme :

1. k este dat doar de unii producători ( Cree , de exemplu ) , este o valoare tipică sau un interval și este valabil la un anumit curent. Cu alte cuvinte nu cunoaștem k cu o precizie suficientă, trebuie să-l măsurăm.

2. Măsurarea tensiunii la bornele LED-ului înseamnă că prin el trece curent care îl încălzește . Măsurarea la regim normal nu ridică această problemă - prin LED trece curentul nominal și el se află la temperatura de lucru normală. Măsurarea însă la orice altă temperatură , inclusiv a camerei , trebuie făcută în așa fel încât să nu încălzim (prea mult ) LED-ul. Asta înseamnă o măsurătoare în impulsuri scurte și cu factor de umplere mic. 

3. Pentru determinarea cât mai exactă a lui k trebuie să ținem cumva LED-ul la o temperatură cunoscută , cât mai apropiată de cea dorită pentru joncțiune, și să-l măsurăm apoi fără a-l încălzi suplimentar . Asta înseamnă o incintă termostatată , cu temperatura cunoscută , și , din nou , măsurare în impulsuri.

 

Presupunând că avem dotarea de mai sus procedăm în felul următor : 

1. Măsurăm în impulsuri la curentul dorit și temperatura camerei , tensiunea directă . Să zicem Tj₀ = Tamb = 22°C , I_LED = 80 mA , Uf₀ = 3250 mV. Am presupus deja că LED-ul nu se încălzește prin egalitatea Tj₀ = Tamb.

2. Introducem LED-ul în etuvă - cu firele disponibile la exterior, desigur - și stabilim temperatura de 72°C de exemplu. Lăsăm să se stabilizeze .

3. Măsurăm , la același curent și tot în impulsuri tensiunea la bornele LED-ului. Obținem , să zicem, 3000mV. 

4. Calculăm k = (3000-3250)/(72-22) = -5mV/°C.

5. În circuitul real, la 80mA , după stabilizare termică , măsurăm normal de data asta , nu în impulsuri , tensiunea și găsim 2900mV . Calculăm                                  Tj = Tamb + (Uf-Uf0)/k  = 22°C + ( 2900-3250mV)/(-5mV/°C) = 22 + 350/5 = 92°C. Aceasta este temperatura joncțiunii la regim normal.

 

Pentru a estima încălzirea LED-ului dată de impuls vom calcula în felul următor : δT = W / ( m * c ) unde δT este diferența de temperatură, W este energia impulsului aplicat LED-ului , m este masa și c este căldura specifică. Calculăm pentru un chip ”standard” de 45mil din GaN . Avem m = 0,9mg ,                          c = 0,49J/(gK), W = 1ms * 350mA * 3V = 1mJ . Obținem o încălzire de 2,3°C . Pentru chip-uri mai mici , curentul este mai mic . Deasemenea există o parte metalică în contact cu cristalul care face ca încălzirea să fie mai mică . În concluzie , 1ms este un impuls suficient de scurt.

Editat Octombrie 5, 2014 de UDAR

[nicul]

Am lucrat o perioada chiar in domeniu la o firma destul de importanta si nu am intalnit modul asta de masura si testare in "impulsuri scurte cu factor de umplere mic".

Ai combinat niste standarde si ai facut o procedura personala.

Exista termenul de stabilizare, care trebuie precizat cat timp si pentru ce culoare. Testele le faceam la 25C si la 74C conform unui standard ITE, asa ca 72C mi-a sarit in ochi.

Poate metoda propusa da rezultate corecte, insa daca temp amb devine 80C (situatie foarte probabila in exploatare normala) vad ca iese Tj-150C. 

[UDAR]

Sincer , nu știam de standardul pe care îl menționezi , am zis 72°C la întâmplare , de fapt ca să dea diferența față de 22 un număr ”rotund” .

Metoda nu-mi aparține în mod cert , am adaptat-o doar la nevoile mele.

Aici : ”daca temp amb devine 80C (situatie foarte probabila in exploatare normala) vad ca iese Tj-150C” nu înțeleg însă ce vrei să spui . Scuze , sunt cam obosit . Dacă ai vrea să explici.

[Dxxx]

pt UDAR

 

Yep, asa este logic, multumim de lamuriri, sper ca toata lumea "s-a prins" si scuze ca uite asa te-am pus la munca...

 

Ce este esential la aceasta metoda este ca poate sa determine temperatura propriu-zisa a jonctiunii indiferent cat de mica sau inaccesibila este ea fizic.

Asta deoarece nu implica pozitionarea unui senzor ci foloseste chiar jonctiunea ca traductor. Deci va functiona cu orice jonctiune atat timp cat graficul temperatura / tensiune este luat pe un interval pe care sa fie apropiat de liniar.

 

Si ar mai fi ceva in completarea a ce a spus UDAR:

- daca in circuitul real LEDul cu jonctiunea care era la 92 grade fusese in prealabil montat pe un radiator ramane doar sa masuram printr-o metoda oarecare temperatura radiatorului (contact sau IR spre exemplu)

- rezulta imediat rezistenta termica (de contact in principal) jonctiune-radiator si rezistenta de disipatie specifica radiatorului, adica radiator-ambiant deoarece stim puterea injectata in LED

(bun, carcotasii vor spune ca o parte a energiei paraseste radiativ sistemul sub forma de lumina)

 

nicul

 

Daca este o metoda personala nu ramane decat sa-l felicitam pe UDAR.

Poate sunt sceptic si cred ca mai toate chestiile la care ne putem gandi au fost deja gandite de cineva undeva, insa ramane incontestabil ca metoda este pe deplin logica si ofera o varianta de a investiga ceva ce nu se poate deloc sau nu se poate usor prin masurare directa.

Metoda nu are nimic de a face cu standarde.

Asta este chiar partea frumoasa, se pot face masuratori la exact curentul folosit in practica, deci nu la ceva standard.

In acest mod precizia determinarii devine mult mai buna.

 

...si uitasem...: da, daca cazul ar fi real la temperatura ambientala de 80 grade am avea 150 pe jonctiune si ne-ar prinde foarte bine ca am facut masuratoarea si stim ca nu sunt rezerve pentru functionare in acele conditii...

Editat Octombrie 5, 2014 de Dxxx

[UDAR]

Am deschis și un thread despre Răcirea semiconductorilor - voi face legăturile necesare la momentul oportun , măsurarea radiatoarelor . 

[nicul]

Masuratorile se fac in situatii cat mai apropiate de produsul care va fi in exploatare. Care e utilitatea sa masori un led in aer ? Poate n-am inteles eu ideea.

[UDAR]

Mulțumesc @Dxxx că m-ai lămurit cu ce nu pricepeam de la @nicul.

@nicul

Măsurătoarea ”în aer” e pentru determinarea tensiunii directe la temperatura ambiantă , față de care fac raportările ulterioare . Evident matematic pot să fac la oricare două temperaturi. E adevărat pot să nu calculez niciun k - fac măsurători cu etuva din grad în grad și pun într-un tabel . E mult mai laborios , plus că trebuie să acopăr tot domeniul de interes . Prin calcul pot extrapola - chiar dacă cu a anumită eroare.

[Dxxx]

<despre radiatoare>

 

Da, sincer vorbind dupa ceva experienta dimensionezi astfel de chestii in general "din ochi".

 

Asta ar fi rapid, dar cateodata poate sa nu fie bine...

 

Tin minte (cu prea mult timp in urma) lucrul cu nomograme pentru determinarea rezistentei termice a unui radiator... nu am mai facut asa ceva de mut prea mult, pun pariu ca majoritatea nici nu au auzit.

Cred ca in epoca asta trebuie sa existe softuri (nu stiu cat de free-ware) care determina asta introducand variabilele.

Dar totusi sunt cam multe, din cate imi amintesc: cele dimensionale (3D, evident) dar si material (ceva radiatoare de argint?) insa si culoare, finisaj suprafata, pozitionare vertical/orizontala (~ convectia) etc.

 

Ei bine, din cauza asta masurarea directa a radiatorului in cauza ar fi probabil mai simpla si mai precisa decat estimarea prin calcule cu atatea variabile...

 

DECI ASTEPTAM CU INTERES

Editat Octombrie 5, 2014 de Dxxx

[nicul]

pai mai sus vorbeati de circuitul real

tot nu am inteles ce iintelegeti prin stabilizare. eu aveam o ora pentru galben si rosu si eventual o jumatate de ora pentru alb, albastru sau verde si asta era o chestie relativa 

alta chestie ar fi ce luminozitate am cu impulsurile comparat cu cc?

[UDAR]

În continuare nu mi-e clar , cred că o să mă retrag. 

În circuitul real măsor o anumită tensiune la un anumit curent cunoscut . Ca să determin temperatura ( pe care n-o pot măsura direct ) am nevoie de încă două seturi de valori tensiune-temperatură ( la același curent ) cu temperatura cunoscută, ca să pot face calculele ( să-l determin pe k ) . Deci determinarea se face în circuitul real dar coeficientul este extrapolat de la o temperatură diferită puțin de circuitul real. Liniaritatea lui k este destul de bună deci dacă măsor în etuvă la , să zicem, 80°C și am în realitate 90°C eroarea de determinare este foarte mică. Sigur , pot să fac mai întâi o estimare a temperaturii joncțiunii și să măsor cât mai aproape de această valoare.

[Dxxx]

nicul

 

Vezi ca eu am deschis threadul si sunt oarecum raspunzator, ar fi bine sa nu-i dai dureri de cap inutile lui UDAR.

 

Te rog citeste inca o data (sau de doua ori, sau de trei) totul:

 

- impulsurile sun nerelevante ele sunt doar metoda de a masura fara a incalzi jonctiunea. Adica dai un impuls scurt si in acel moment faci si masuratoarea.

Durata este atat de scurta ca nu apuca sa incalzesca jonctiunea iar pana la urmatorul impuls urmeaza o pauza de ~ 100 de ori mai lunga decat impulsul, in care orice incalzire se disipa total.

- de aceea ce produc impulsurile ca lumina este nerelevant

- intervalele lungi de echilibrare termica pe care le foloseai tu  erau necesare deoarece jonctiunea "aluneca" prin diverse puncte termice/tensiune pana cand se stabiliza.

- in metoda lui UDAR echilibrarea termica este mai rapida, pur si simplu incalzire/racire pana la egalitate cu temperatura din mediu sau din etuva.

 Asta pentru ca am stabilit deja ca impulsurile de masura nu incalzesc jonctiunea  ca si cand nu ar exista.

- ce trebuie sa faca UDAR este sa determine 2 puncte tensiune/temperatura prin care va trece o dreapta. Pe acea dreapta se vor interpola/extrapola masuratorile reale, la exact acelas curent.

[nicul]

Adevarat , tu ai deschis si mi-a fost greu sa inteleg si titlul. Acum s-a mai limpezit. O fi liniar daca ziceti voi.

Metoda pare utila doar daca vrei sa faci o selectie dupa Uf. 

[Dxxx]

METODE DERIVATE

 

M-am gandit la niste metode derivate din cea pe care o analizam cu scopul de a permite si alte posibilitati de masurare sau ca sa faca posibile masuratori cu echipamente mai modeste.

 

Am sa pun mai jos 3 variante posibile, cel putin la nivel teoretic.

Si o sa analizez avantajele/dezavantajele pe care le au.

 

Caz particular: as putea sa masor niste leduri deja montate in string(uri), care au si driverul lor, fara ca sa le dezlipesc de pe PCB?

Este vorba de un montaj cu 4-8 stringuri de cate 6-8 leduri (recuperat de la un ecran LED)

1. Metoda start (lab)

 

In loc de generator impulsuri cu factor de umplere mic va trebui sa construim un generator de curent constant programabil dupa schema / cu componentele care permit intrarea cat mai rapida in stabilizare si cu minime variatii de curent.

Dupa constructie va trebui sa masuram bine dispozitivul ca sa fim siguri ca dupa intervalul de X ms curentul este apropiat de cel specificat.

 

Masuratoarea se face la intervalul X de la pornirea dispozitivului la 2 temperaturi ambient cunoscute (trebuie in continuare etuva).

Presupunerea este ca in intervalul de timp X jonctiunea a ramas inca la o temperatura apropiata de cea a mediului.

Evident se masoara tensiunea pe jonctiune si de asemenea temperatura mediului.

 

Avand 2 puncte tensiune / temperatura putem determina dreapta necesara.

 

Avantaj / dezavantaj: totul depinde de cat de scurt e intervalul X.

2. Metoda start (montaj)

 

Se refera la "cazul particular" enuntat mai sus.

 

Folosim driverul (generatorul de curent constant) deja existent al montajului.

Masuram intervalul X ms dupa care curentul se stabilizeaza (cu un dispozitiv suficient de rapid - osciloscop, sau AVO sampler-logger).

 

Pregatire:

se dispune un mic radiator/interfata termica in contact termic CAT MAI BUN cu unul din LEDuri si in contact cu el o sonda de masura temperatura.

Precizia va fi cu atat mai buna cu cat aceasta interfata e mai mica si nu disipa in mediu.

Evident ca daca sonda se poate fixa cumva pe corpul LEDului, sau chiar exista o insula speciala pentru masuratoare termica atunci nu mai trebuie nici o interfata suplimentara.

 

Prima masuratoare:

- la pornire se masoara dupa X ms tensiunea si de asemenea temperatura mediului.

 

A doua masuratoare:

- dupa un interval suficient de lung se ia un nou set de valori, pentru tensiune si pentru temperatura micului radiator (se presupune ca ansamblul s-a incalzit semnificativ, daca celelalte leduri ar putea sa fie periclitate se dispun radiatoare inainte de masurare ca pe noi ne intereseaza doar soarta ledului masurat)

 

Avand 2 puncte tensiune / temperatura putem determina dreapta necesara.

 

Avantaj / dezavantaj:

- precizia depinde de cat de scurt e intervalul X.

- de asemenea se presupune neglijabila rezistenta termica fata de radiatorul/interfata de masura (asta va introduce erori)

- metoda permite masurare fara demontare

3. Metoda over-kill

 

Se aplica inclusiv "cazului particular" enuntat mai sus.

 

Montam un radiator mult supradimensionat pe unul din LEDuri, cu rezistenta termica de contact cat mai mica incat sa fie neglijabila.

 

Alimentam LEDul la curentul specificat (poate fi si din driverul lui) si masuram cat mai repede de la pornire Vf, ca sa putem presupune ca inca jonctiunea nu s-a incalzit.

In acest caz putem sa folosim si un AVO mai modest, pentru ca radiatoul mare va ajuta in a opri incalzirea.

Daca avem unul mai bun si are selectie MIN/MAX atunci masuratoarea va fi mult mai rapida si automata. Evident retinem valoarea MAX.

 

A doua masuratoare:

- fortam radiatorul la o temperatura cunoscuta cu o sursa externa. Daca avem deja o estimare a temperaturii jonctiunii in functie la curentul dat este bine ca temperatura sa fie exact aceea, ceea ce ar face sa nu existe transfer termic intre LED si radiator, fiind la aceeasi temperatura.

- dupa pornire asteptam echilibrul termic si masuram tensiunea + temperatura radiatorului.

- evident ca putem face 2 sau mai multe seturi de masuratori, prin prima determinand "temperatura (presupusa) pe jonctiune" si prin a doua valoarea exacta.

 

Avand 2 puncte tensiune / temperatura putem determina dreapta necesara.

 

Avantaj / dezavantaj:

- avem erori date de rezistenta termica de contact dela jonctiune pana la radiator, deci speranta va fi ca este destul de mica ca sa fie neglijabila.

- totusi se poate masura foarte precis inca daca respectam 2 conditii: prima masuratoare sa fie facuta cat mai repede de la pornire / temperatura pentru masuratoarea 2 sa fie cat mai aproape de temperatura (presupusa) pe jonctiune. In aceste cazuri rezistenta termica nu are nici o importanta.

- metoda permite masurare fara demontare.

- metoda permite utilizarea de echipamente modeste, fara etuva.

- chiar daca nu avem tehnologie suficient de rapida, putem face determinari si cu echipament modest, acceptand erori mai mari.

 

Ca sursa externa de incalzire a radiatorului putem folosi tot felul de plite / masini calcat termostatate sau feon sau ce mai exista la indemana, masa mare a radiatorului netezind varfurile de termostatare.

Editat Octombrie 6, 2014 de Dxxx

[Dxxx]

Avand un LED Cree XPL varianta noua + noul AVOmetru cu conectare USB (povestea achizitiei este intr-un thread separat...) m-am apucat azi sa fac masuratori.

 

In primul rand XPL este un LED cu Vf mai mic decat uzual, Cree zice ca tipic 2,95V la 1050mA, dar mare atentie la 85 grade Celsius.

 

Uitasem - mai am ceva nou - o mico-plita electrica aproximativ 30x35mm si 15V/1A

 

 

Ce se poate face:

- AVOmetrul salveaza el citirile si poate sa faca cel mult 1 inregistrare pe secunda.

- plita poate sa functioneze ca radiator pur si simplu sau atunci cand se injecteaza curent - ca plita.

- LEDul este montat pe un "star" si acesta pus in contact cu plita. Temperaturile le-am masurat pe plita cu un termometru IR, pentru ca masuratoarea prin contact a avut erori mari...legate de un contact termic bun.

 

La curentul de 550mA am obtinut Vf dupa cum urmeaza: 2,91V la 20 grade / 2,894V la 42 grade / 2,831V la 48 grade

 

La cuentul de 255mA am mentinut alimentarea pana la atingerea unui (relativ) echilibru termic, ceea ce a permis precizie mai mare a determinarii.

Nu am vrut sa stresez LEDul deci nu am facut masuratori de acest tip decat la 255mA.

Echilibrul s-a atins la 28 de grade doar prin caldura generata de LED.

La 50,5 grade echilibrul s-a atins prin caldura generata de plita (putere constanta in jur de 1,5W, adica alimentata la 5V) plus LED.

 

Punctele de referinta au fost: 2,767V la 28 grade si 2,720V la 50,5 grade (determinate la echilibru)

Exact pe dreapta determinata de ele au cazut celelalte masuratori tot de echilibru: 2,761V la 31 grade si 2,731 la 45 grade

 

Dreapta descrisa de puncte imi sugereaza ca injectand aproape aceeasi putere (255mA, adica 0,7W) si rezistenta termnica intre jonctiune si plita fiind constanta inseamna ca temperatura plitei si a jonctiunii au mers perfect paralel, cu un ecart pe care nu pot sa-l determin insa.

 

In regim tranzitoriu, adica la pornirea curentului prin LED  canalul de transmisie al caldurii era rece adica temperatura jonctiunii si a plitei mai apropiate deci punctele au fost in afara dreptei adica: 2,790 la 20,5 grade si 2,743V la 42 grade (in acest caz plita preincalzise totul la 42 grade).

 

Poate cineva poate sa extraga mai muta informatie din datele mele - imi scapa ceva???

Editat Decembrie 22, 2014 de Dxxx