Masurare temperatura jonctiune LED

[The Stressmaker]

Eu gandesc altfel. Aplic 1mA si aduc temperatura radiatorului la 60 grade cu ajutorul unui termostat (aceasta incalzeste radiatorul sau placa de test din incinta) si masor, dupa stabilizare 3.6V. Ridic temperatura radiatorului la 80grade si masor 3,5V (tot la 1mA). In acest moment stiu ca la 3,5V si 1mA prin led am temperatura cipului la 80 grade. Fac graficul de variatie al tensiunii in functie de temperatura si asa am referinta sau calibrarea pe ledul respectiv. Aplic pentru 99,9% din timp un curent mare si pentru 0,01% din timp 1mA de cateva ori pe secunda (dar opresc incalzirea mentionata la calibrare adica termostatul) lasand ledul sa incalzeasca radiatorul. Stiind ca la 1mA cand am 3,5V pe led am pe cip 80 grade atunci reglez curentul prin led pana citesc 3,5V. Sa zicem ca obtinem 200mA. Asta inseamna ca, folosind acel radiator cu acea ventilatie, la 200mA prin led am temperatura cipului din led la 80 grade. Daca aplic diferiti curenti pana ajung la temperatura de referinta atunci pot creea graficul de variatie al tensiunii in regim real, alimentat la curentul de referinta. In momentul cand am panta de variatie a tensiunii cu temperatura pot sa extrapolez la acei 350mA si sa aflu tensiunea si temperatura finala pe un radiator dat fara sa alimentez ledul.

Calibrarea se face incalzind din exterior ledul si masurand tensiunea pe el la un curent insuficient sa incalzeasca semnificiativ ledul si asa se obtine graficul de variatie al tensiunii pe cip cu temperatura. Curentul de masura trebuie sa fie constant pentru a nu creea erori de masura. Temperatura pe led trebuie mentinuta constanta suficient de mult sa se ajunga la echilibru termic pentru ralizarea masuratorii si incinta trebuie sa fie termoizolata pentru a nu avea variatii de temperatura intre led si placa de fixare sau radiator exact etuva termostabilizata mentionata anterior.

Masurarea temperaturii reale se face aplicand si curentul de lucru pe langa cel de masura dar nu simultan. Astfel se vor face doua masuratori ale tensiunii. Prima masuratoare (citirea temperaturii) se face la curentul mentionat la calibrare si intr-un timp suficient de mic ca sa nu apara racirea ledului iar a doua masuratoare (generarea caldurii) a tensiunii se face la curentul de lucru. Graficul de variatie al tensiunii pe led la curentul de lucru se obtine pe o cale indirecta. Se aduce curentul de lucru la valoarea la care se masoara tensiunea corespunzatoare diferitelor temperaturi si se realizeaza cel de al doilea grafic. Aici este necesar sa existe dispozitivul final de montare pentru ca asa se poate aprecia temperatura finala de lucru al ledului existand generatorul de caldura (ledul) si consumatorul de caldura (radiatorul si mediul ambiant). Aici regula nu este aplicarea curentului maxim ci aplicarea unui curent care sa aduca ledul la temperatura aleasa iar prin extrapolare se poate afla si temperatura finala a ansamblului led plus radiator in acele conditii.

Diferenta dintre tensiunile citite la calibrare si cele citite la aplicarea curentului de lucru se pot integra intr-o constanta specifica ansamblului led plus radiator plus conditii de racire. Rezistenta termica intre cip si radiatorul final se poate afla masurand temperaturile celor doua corpuri si nu este neaparat necesar sa fie acelasi radiator la calibrare si la masurare.

In momentul in care s-au aflat toti acesti parametri se poate face calculul final in care se afla temperatura finala a cipului ledului la 350mA prin "lungirea" liniei din tabelul de la partea de masurare.

Sper ca am fost suficient de explicit iar calculele le las altcuiva.

[UDAR]

Mai întâi , din postul #25 nu am înțeles că ar fi vorba de încălzire exterioară . Scuze ... 

Dacă folosim sursă de încălzire exterioară - cu termostat , măsurarea temperaturii , etc - care mai e avantajul metodei față de cea consacrată cu măsurare în impulsuri ?  

Până la urmă , tot o măsurătoare în impulsuri  propui , doar că e mai complicată... E mult mai simplu să măsori amplitudinea unui impuls scurt ( metoda sample&hold ) decât să măsori imediat după încetarea impulsului. Mai mult decât atât , metoda clasică nu presupune montarea LED-ului pe radiator ( cel final sau altul ) cum presupune metoda ta.

Pentru ca măsurătoarea să fie corectă este necesar și suficient ca să avem sub control - să cunoaștem direct sau indirect - atât curentul cât și temperatura joncțiunii atunci când măsurăm tensiunea . Metoda clasică cunoaște acești doi parametri  în mod direct deci erorile sunt mai mici .La tine curentul este determinat indirect - curentul la care obținem aceeași încălzire . Orice mărime intermediară este sursă de erori.

Menționez - deși cred că e clar - radiatorul nu influențează aceste măsurători .

[mihaicozac]

Eu cred că până la urmă ar trebui determinat doar procentul de variaţie al tensiunii cu temperatura, care teoretic ar trebui să fie acelaşi indiferent de regimul de curent. Adică dacă în exemplul dat la 1mA şi 10C încălzire din exterior a radiatorului tensiunea pe led se schimbă cu 5% acelaşi procent va fi şi la 200mA sau 1A, respectiv 0,2%/C

Dacă folosim un multimetru cu eşantionare şi memorie, unul cu memorarea Umax sau unul cu ieşire spre PC, putem urmări variaţia tensiunii pe led din momentul aplicării ei iar dacă după stabilizarea temperaturii avem o scădere de să zicem 10% a tensiunii ştim automat că temperatura joncţiunii a urcat cu 20C. 

[Dxxx]

Adica tu sustii ca determinand o singura dreapta la curentul X rezulta automat taote celelalte drepte (ca avand aceesi panta) la acestea din urma masurand un singur punct?

Eu aveam impresia ca nu, nu stiu care este teoria, si nici in practica nu am cum sa confirm/infirm. Poate stie UDAR?

[UDAR]

Coeficientul dU/dT ( exprimat de regulă în mV/°C nu în %/°C ) depinde atît de curent cât și chiar de temperatură . De aceea determinările e bine să la facem în condiții cât mai apropiate de cele reale . Din ecuația diodei rezultă că dU/dT = (n*k/q) * ln (I/I₀) cu notațiile cunoscute . Ar părea deci că nu depinde de temperatură dar I₀ este puternic dependent de temperatură - crește cu temperatura deci dU/dT scade cu temperatura la un curent dat. Ca să complice lucrurile și n scade cu creșterea curentului ....

Editat Ianuarie 31, 2015 de UDAR

[The Stressmaker]

Nu cunoastem rezistenta electrica a firelor de conexiune si a lipiturilor din si in exteriorul ledului la fel nici rezistenta termica a jonctiunii cipului la radiatorul ledului (pastila de metal a capsulei) si asta incercam sa evit prin dubla masurare. Acesti parametri variaza de la led la led si acesti parametri nu sunt dati de nici un datasheet. Din ce am observat, masurarea directa la curent maxim implica si adaugarea acestor factori care nu pot fi eliminati din ecuatie plus ca rezistenta acelor fire oscileaza cu temperatura.

Practic, masurarea in curent mic vizeaza direct jonctiunea ledului si parametrii acestuia. La aplicarea unui curent mare apar mult mai multe erori din cauza acestor parametri necunoscuti. La aplicarea unui impuls scurt la curent mare apar fenomene tranzitorii care afecteaza si mai mult masuratoarea. Asa, la aplicarea unui curent constant se ajunge la un echilibru termic iar citirea temperaturii la curent mic si cu un timp mic nu influenteaza semnificativ acest echilibru.

Metoda propusa este asemanatoare cu metoda calorimetrica de masurare a curentului prin antena cu ampermetru termic pentru ca este mai usor sa masori temperatura generata intr-o rezistenta decat sa masori curentul la o frecventa inalta.

 Din punctul meu de vedere fiecare led este unic si asta am incercat sa descriu prin aceasta metoda fiind mai usor de folosit cu leduri diverse decat daca se incearca incadrarea masuratorilor intr-o anumita gama.

Masurarea tensiunii la 1mA sau la 350mA e simpla cu acelasi montaj sample and hold daca se adauga doua montaje identice si sincronizate cu cele doua situatii. Asa se pot folosi doua multimetre obisnuite, pentru fiecare tensiune cate unul. Se mai adauga un ampermetru pentru citirea curentului prin led si in functie de aceste 3 multimetre cred ca se pot trasa graficele si la mana pe o foaie de hartie.

[mihaicozac]

Cred că acel "n" din ecuaţie s-ar putea afla din măsurători la 2 sau 3 curenţi mici diferiţi, de ex. 1, 2 şi 5mA, variind doar temperatura radiatorului.

[UDAR]

@The Stressmaker Nu țin neapărat să combat metoda ta - care e bună de altfel , de discutat sunt doar avantajele și dezavantajele. Ceea ce spui tu cu firele , etc. este adevărat dar nu influențează - același LED cu aceleași fire îl măsor la aceeași temperatură și același curent . Singura diferență este sursa de căldură - la măsurătoare este externă , în viața reală este chiar puterea disipată pe LED . Dacă nu ai evita atât de tare să scrii formule și faci niște calcule - simple de altfel - ai vedea că e așa . 

Iar fenomenele tranzitorii , să fim serioși . Vorbim de impulsuri de 200-300µs - echivalentul unor frecvențe de kHz cel mult. Nu e nevoie de impulsuri extraordinar de scurte . 300µs este des folosit la măsurarea semiconductorilor ( cu un DC de 1% sau mai mic ) .

Dar , până la urmă e un forum de amatori , fiecare face cum îi cade mai bine . Eu , printre altele , am ales această metodă și pentru că am un multimetru care știe să măsoare impusuri de 800µs . Nu sunt 300 dar e OK , m-a scutit de electronica adițională a unui S&H.

@ mihaicozac Sigur că se poate afla . Vina este doar a matematicii - mai multe necunoscute = mai multe ecuații deci mai multe măsurători. 

[The Stressmaker]

Este adevarat, fiecare adapteaza metoda la ceea ce stie sa faca si la dotarile de care dispune.

Eu am mers pe aceasta premiza ca un curent mare afecteaza citirea si am incercat ocolirea problemei prin acea metoda. Recunosc ca nu-mi plac calculele matematice complexe si am apelat la o varianta mai simpla, desenarea unui tabel cu variatia parametrilor masurati in cele doua situatii si apoi extrapolarea rezultatelor la situatia reala iar restul se face cu creionul si rigla adica "analogic". Este mai simplu sa desenez pe acelasi grafic doua linii corespunzatoare celor 2 voltaje, in curent si fara si sa vad diferenta decat sa umplu 2 pagini de formule daca intelegeti la ce ma refer.

Oricum, daca gresesc sau nu se poate vedea foarte simplu prin compararea celor doua tensiuni, in curent sau fara. Propun un experiment. La un led de 1W atasat pe radiator se ridica temperatura cu o rezistenta atasata radiatorului pana la 60 grade, de exemplu. Se citeste tensiunea de pe el la 1mA si sa zicem ca este de 3,6V. Daca alimentam ledul de la un stabilizator de tensiune reglat la 3,6V, cu rezistenta deconectata, vom obtine exact 60 grade? aceasta este intrebarea. Este o metoda comparativa si mult mai usor de aplicat decat calculele pe care, ati sesizat bine, incerc sa le evit.

Daca la experimentul precedent diferenta de temperatura este foarte mica atunci se verifica ipoteza dv. precum ca tensiunea pe led nu este influentata de curentul prin acesta, la o anumita temperatura a cipului ledului.

[UDAR]

Nu cred că am spus că ”tensiunea pe led nu este influentata de curentul prin acesta, la o anumita temperatura a cipului ledului.”. Dacă s-a înțeles asta , îmi pare rău.

Dimpotrivă, la postul #20 am spus : 

”Tensiunea la bornele LED-ului depinde atât de temperatură cât și de curentul prin LED.”

 

Revenind, experimentul de mai sus nu va avea categoric niciun rezultat constructiv. Mai întâi , la 3,6V s-ar putea să se producă o ambalare termică care să se finalizeze cu arderea LED-ului.

Chiar dacă nu ( să zicem că avem un radiator masiv ) nu există nici o corelare între perechea de date din primul caz cu ceea ce vrei să obții . Nici măcar nu pot explica de ce nu . Pur și simplu , nu e nici legătură. Sigur însă , prin pură coincidență s-ar putea întâmpla.

Dau un contraexemplu . Măsori o rezistență la o temperatură dată trecând prin ea 1mA și măsurând tensiunea . Îi aplici acea tensiune la borne - obții aceeași temperatură ?

Sau , mai rău . Faci măsurătoarea inițială a LED-ului la -10°C. Îi aplici tensiunea ( care va fi mai mare decât la temperatura camerei ) . Se va răci LED-ul ?

Editat Ianuarie 31, 2015 de UDAR

[The Stressmaker]

Exemplul cu rezistenta nu este tocmai potrivit. Mai degraba sa luam ca exemplu un termistor NTC pentru ca se apropie foarte mult de discutia noastra. Tensiunea de 3,6V era doar ca un exemplu numeric si nu neaparat reflecta realitatea. In exemplul cu NTC voi face acelasi lucru referitor la cifre.

Se ia, ca exemplu, un termistor NTC de 10kohm (la 25 grade). Se lipeste acest termistor de un radiator sau se introduce in baie de ulei ( calorimetru mai degraba) si se incalzeste pana la 60 grade. Masuram 8kohm. Deci, la 60 grade acel termistor de 10kohm are 8kohm. Conectam la un circuit electric acest termistor in aceeasi configuratie (radiator sau baie de ulei) si incalzim termistorul (el devine acum generator de caldura) pana se atinge stabilizarea termica la 60 grade si masuram tensiunea si curentul ca sa aflam rezistenta acestuia. Daca este de 8kohm atunci experimentul nu este influentat de factori externi. Daca masuram / calculam 7kohm sau 9kohm atunci exista si alti factori care perturba experimentul si care se pot gasi ulterior prin alte experimente. Aici vroiam sa ajung, la eliminarea factorilor perturbatori.

Ca un alt exemplu, masurarea puterii luminoase a laserilor se face in acelasi mod. Se foloseste o placa absorbanta (neagra) care se aduce la temperatura constanta si se masoara puterea necesara mentinerii acelei temperaturi. Radiatia laser cade apoi pe acea placa si se citeste puterea. Diferenta este reprezentata de puterea radiatiei laser care cade pe acea placa. Aceasta metoda are avantajul ca nu este influentata de lungimea de unda a laserului dar este mai putin precisa la puteri mici.

Uneori, daca nu poti masura direct un parametru, trebuie sa folosesti metode indirecte ca sa ajungi la acel parametru. Daca elimini curentul din ecuatie ramane doar dependenta de temperatura. Asta am incercat sa descriu prin ce am scris.

Parametrii principali in aceasta ecuatie sunt tensiunea pe led, curentul prin led si temperatura cipului ledului. Parametrii secundari sunt caderea de tensiune pe diferitele componente, rezistentele termice intre diferitele componente, masa radiatorului, fluxul de aer in jurul ansamblului, etc care se pot introduce intr-o constanta. Necunoscutele sunt densitatea de curent in cipul ledului, rezistenta termica intre cip si pastila de metal a capsulei, caderea de tensiune in interiorul ledului si conductivitatea termica a diferitelor componente din led. Rezultatul ecuatiei este variatia tensiunii pe cipul ledului cu temperatura si cu curentul care trece prin acesta. Daca se realizeaza experimente in care se poate afla cate un parametru filtrandu-le pe celelalte atunci se poate afla si rezultatul pentru ca este mai usor sa lucrezi cu cate o necunoscuta pe rand decat sa incerci sa le calculezi pe toate odata.

Si ca o ultima mentiune, la ledurile chinezesti de 1W, de exemplu, variatia parametrilor descrisi mai sus este foarte mare facand uneori datasheet-ul inutil. De aceea este mai usor sa se echivaleze ledul ca o sursa de tensiune inseriata cu o rezistenta si astfel sa se masoare fiecare componenta in parte.

Un link in engleza gasit cautand dupa "numerical model for led" unde capitolul 2.2 se refera la masurarea temperaturii jonctiunii (Eng): http://www.google.ro/url?url=http://ieeexplore.ieee.org/iel7/4563994/6470711/06472252.pdf%3Farnumber%3D6472252&rct=j&q=&esrc=s&sa=U&ei=P_XMVKDoIpHSaK-JgeAB&ved=0CBgQFjAA&usg=AFQjCNGleC-ylRtASTO0FmDkAg-BCmOAYQ

PS: am citit pdf-ul si seamana destul de mult cu metodele descrise aici. Se pare ca topicul urmeaza calea cea buna. Cei de acolo au rafinat mult mai bine metoda decat ce incercam sa scriu eu aici.  Ei au folosit metoda cu incinta termostabilizata propusa de dl. UDAR si incalzirea indirecta a radiatorului iar eu am propus incalzirea directa a acestuia. Cred ca la realizarea practica se va decide care varianta este mai buna. Se pare ca folosesc la masurare un curent pulsat de valoare mica ca sa nu creasca temperatura ledului dar acest lucru cere echipamente scumpe.

[mihaicozac]

Din documentul prezentat eu trag concluzia că se poate considera că scăderea procentuală a tensiunii pe led cu temperatura, indiferent de densitatea curentului prin dispozitiv, este aceeaşi, cel puţin în figura 13 curbele la diferite puteri sunt relativ paralele, ca urmare odată aflat coeficientul respectiv se poate deduce simplu temperatura joncţiunii din măsurarea tensiunii pe ea. Un coeficent calculat exact, sau cel puţin cu o eroare de sub 5% ar fi foarte comod de folosit în practică. 

[Dxxx]

Iacata ca am ajuns unde consider eu ca ar trebui sa se indrepte oarecum discutia.

 

"ar fi foarte comod de folosit în practică."

 

Mie mi se pare ca mai toata lumea recunoaste meritul de principiu al ideii cat si utilitatea ei evidenta.

Daca exista mai multe cai / tweakuri / variante este perfect si daca macar una se pune in practica aici este bine. Cred ca niscai rezultate practice ar pune in umbra sau ar clarifica cu puterea realitatii toate micile detalii pe care le dezbatem cu infocare.

 

Cineva - o schema practica? O idee?

[mihaicozac]

O să încerc să fac eu mâine nişte experimente, 

[UDAR]

Da , principiul este aproape identic cu ce propune @The Stressmaker la postul #31. Că se folosesc impulsuri și la curent mic , este o măsură de prevedere în plus. Ideea e că și ei calculează K la același curent - chiar dacă unul mic . 

În condiții de amator anumite erori de măsură nu pot fi evitate . De aceea e bine să facem măsurătorile în condiții cât mai apropiate de condițiile reale .Ideea de bază a metodelor este că temperatura și curentul determină univoc tensiunea pe diodă . Deci , pentru a ridica curbele tensiune = f( temperatură) curentul trebuie ținut constant . Acum , că îl ținem constant la valoarea mică sau la valoarea reală , asta este o alegere practică. Oricum , din păcate , de incinta termostatată nu scăpăm - aici m-am oprit și nu o să pot relua lucrări practice mai mari , mai devreme de primăvară - vară din motivele mele.

Eu am încercat să ”păcălesc” lipsa incintei măsurând la două temperaturi ambiante diferite . Rezultatele au condus la valori rezonabile . Problema este că , așa cum spuneam , k depinde și de temperatură . De  aceea valoarea la temperaturi joase este diferită ( cu ceva , nu știu cu cât ) de cea de la temperaturi înalte . Mai mult , măsurând la 10 și 25 de grade de exemplu , cu o diferență de 15 grade e una - o eroare de 2-3 grade e importantă față de a măsura la 20 de grade și la 90 de grade .

Mai fac aici o mențiune în sprijinul metodei propuse de mine - ușoara încălzire a LED-ului din cauză că impulsul nu este suficient de scurt apare și la temperatura mică și la temperatura mare . Chiar dacă creșterile de temperatură sunt uțor diferite , ele se compensează reciproc.

 

@mihaicozac Despre ce curbe vorbești , că eu nu le găsesc ?

 

 

EDIT Iată în atașament niște curbe pentru un LED albastru - de interes pentru că stă la baza LED-ului alb. Se vede că dependența nu e nici tocmai liniară dar , mai ales , panta depinde mult de curent. La 10mA avem o diferență de 380mV = 4mv/°C iar la 100mA avem 730mV = 7.7mV/°C.

Imaginea este preluată din link-ul de mai jos 

 

http://www.ka-electronics.com/images/pdf/Junction_Temperature_LED_Tempco.pdf

Editat Ianuarie 31, 2015 de UDAR