Zuverlässigkeitsprobleme mit einem Array von 91 Hochleistungs-LEDs

Ich habe eine 4-lagige Leiterplatte entworfen und gedruckt, die 91 Infrarot-LEDs in einem rechteckigen Layout von 7 x 13 enthält. Dies wird als Hintergrundbeleuchtung für ein Bildverarbeitungsprojekt verwendet. Ich habe ein Problem, wenn einzelne LEDs durchbrennen oder sich auf irgendeine Weise vom Stromkreis lösen. Ich vermute, dass die Wärmeableitung die Ursache des Problems sein könnte.

Bild

PCB-Layout

Jede Reihe von 7 LEDs (grüner LED-Text) ist in Reihe geschaltet. Die 12-V-Versorgung (VCC-Powerplane) wird an die erste LED angeschlossen. Die nächsten 6 sind in Reihe geschaltet. Schließlich verbindet ein Strombegrenzungswiderstand (grüner R-Text) die letzte LED mit der Masseebene.

Spezifikationen:

• VCC-Ebene: 12 V, 2A-Versorgung
• LED: TSHG6200 . 100mA maximaler Nennstrom.
• Strombegrenzungswiderstand: 20 Ohm
• Lötmittel: Thermoflow Sn60 / PB40
• Geschätzte Gesamtverlustleistung: 12 V * 0,1 A pro Reihe * 13 Reihen = 15,6 W.
• Größe des Arrays: 13 Reihen mit 7 LEDs, ca. 7 cm x 6 cm

Messungen

Bei einer 12-V-Stromversorgung liegen ca. 1,45 V über jeder LED und ca. 2,0 V über dem Strombegrenzungswiderstand, was einem Strom von 100 mA entspricht. Da dies genau dem maximal zulässigen Strom entspricht, habe ich ein großes Hochleistungspotentiometer zwischen Netzteil und VCC-Ebene geschaltet und damit die Eingangsspannung auf einen etwas niedrigeren Wert (ca. 11,5 V) geregelt. Dadurch wird der Strom sicher unter den maximal zulässigen Wert gebracht.

Ich benutze auch ein Darlington-Paar, um die Hintergrundbeleuchtung mit einem Arduino zu steuern. Die Hintergrundbeleuchtung ist fast die ganze Zeit eingeschaltet und wird gelegentlich für ca. 30 ms ausgeschaltet. Ich denke nicht, dass dies für das Problem relevant ist, kann aber bei Bedarf weitere Details bereitstellen.

Problem

Nach etwa 10 bis 30 Minuten erlöschen eine oder mehrere LED-Reihen. Wenn ich die Spannung an jeder LED in der unterbrochenen Reihe messe, liegen die meisten LEDs bei ungefähr 0,8 V und eine hat ungefähr 8,0 V daran. Es fließt kein Strom. Manchmal kann dies durch Lösen der Stifte oder durch Antippen der LED behoben werden. Manchmal muss es ersetzt werden. Auf jeden Fall bekomme ich nur noch 10-30 Minuten, bevor ein anderer rausgeht.

Eine andere Beobachtung ist, dass die gesamte Rückseite des Boards irgendwie klebrig ist. Sie können dies im Bild oben sehen. Ich frage mich, ob es zu heiß wird und das Lot beeinträchtigt wird (möglicherweise Flussmittel ausströmend ??).

Frage

Was soll ich versuchen, um die Zuverlässigkeit zu verbessern? Ich habe bereits versucht, es mit einer niedrigeren Spannung zu betreiben, um den Strom sicher unter das Nennmaximum zu bringen. Ich frage mich, ob ich eine andere Art von Lot verwenden muss. Oder eine Art Kühlkörper? Die LEDs werden heiß, aber nicht unerträglich.

Bearbeiten, nachdem Sie Vorschläge versucht haben

Vielen Dank an alle für die Tipps! Ich habe etwas ganz Einfaches getan - ich habe einen Computerfan angewiesen, um Luft über das Array zu blasen - und es hat fantastisch funktioniert! Ich denke, das ist für viele von Ihnen wirklich offensichtlich, aber ich war überrascht, wie groß der Unterschied war.

Ohne Lüfter:

• 25 mA pro Reihe -> 39 ° C
• 33 mA pro Reihe -> 41 ° C
• 40 mA pro Reihe -> 48 ° C
• 55 mA pro Reihe -> 52 ° C

Wir kommen also in die "Gefahrenzone" der Temperatur, bevor wir den maximalen Strom pro LED erreichen.

Mit Lüfter:

• 35 mA pro Reihe -> 26 ° C
• 60 mA pro Reihe -> 30 ° C
• 90 mA pro Reihe -> 34 ° C

Ich ließ es mit 90mA pro Reihe und 34C für über eine Stunde ohne Probleme laufen. Groß!

Sie haben bereits die Antwort getroffen: Ihre LEDs werden heiß. 15 Watt klingen vielleicht nicht viel, aber es baut sich auf und tötet Ihre LEDs. Ich schlage vor, Sie nehmen einen Thermistor und befestigen ihn in der Mitte der Platine. Überwachen Sie dann die Temperatur, während das System arbeitet. Befestigen Sie es am Gehäuse einer der LEDs.

Da Sie dies als Hintergrundbeleuchtung verwenden, sollten Sie keine engstrahlenden LEDs verwenden. Verwenden Sie relativ breite Strahleinheiten und platzieren Sie sie so, dass Luft durch sie strömen kann. Wenn Sie eine Quelle für beispielsweise 35-Grad-LEDs finden, installieren Sie nur jede zweite in einem Schachbrettmuster und löten Sie die Jumper nach Bedarf. Sie erhalten nur die Hälfte der Gesamthelligkeit, aber das ist kaum wahrnehmbar, und der verbesserte Luftstrom sollte eine große Hilfe sein. Möglicherweise müssen Sie auch einen Ventilator mit einigen Leitungen versehen, um den Luftstrom durch das Array angemessen zu halten.

Und immer einen Temperaturwächter dabei haben. Obwohl nicht direkt anwendbar, zeigt dieses YouTube-Video die Prinzipien der Kühlung. In Ihrem Fall ist es wichtig, dass sich die LEDs nicht berühren, da Sie einen Wald von vertikal stehenden LEDs haben, da dies den Luftstrom blockiert.

Aus dem Datenblatt:

Abbildung 1. Absoluter maximaler Durchlassstrom.

und weiter:

Abbildung 2. Derating-LED-Strom bei erhöhter Temperatur.

Strom und Temperatur sind Ihre Probleme. Sie laufen mit absoluter Maximalstromstärke ohne Kräuselraum und lassen die Temperatur ansteigen. Bei 60 ° Umgebungstemperatur fällt der maximal zulässige Strom dramatisch ab.

Wenn Sie schnell nach "LED-Kühlkörper" suchen, finden Sie viele geeignete Lösungen, um Ihre ausbrennenden LEDs abzukühlen. Meine anfängliche Empfehlung wäre jedoch, die Oberseite der Leiterplatte in eine Kühlkörperschicht zu verwandeln und die LEDs mit einem Wärmeleitkleber zu verkleben. Ich fürchte, das ist mehr Löten, aber hey ho.

Für weitere Informationen habe ich festgestellt, dass Wikipedia einen Link zu verschiedenen LED-Kühltechnologien hat, die von Interesse sein könnten.