Verwendung von LED-Überstrom in einer Blitzlampe

Ich hätte gerne eine Blitzlampe mit RGB-LEDs als Lichtquelle. Ich möchte die LEDs mit sehr kurzen Impulsen (idealerweise Mikrosekunden oder weniger) bei etwa 100 Hz pulsieren lassen.

Die Gesamt-Einschaltdauer für die LEDs pro Sekunde beträgt wahrscheinlich weniger als 1/1000 Sekunde. Wenn die LEDs mit Nennleistung betrieben werden, ist die Gesamtlichtleistung gering und die resultierende Beleuchtung sehr schlecht. Ich interessiere mich für die Idee, sehr kurze Impulse durch die LEDs zu treiben, die eine konstante Leistung haben, aber einen Strom haben, der weit über dem Nennwert liegt. Idealerweise 10x oder sogar 100x über dem Nennwert.

Ein Thread hier: Hochstromimpuls auf LED legt nahe, dass ein paar Mal über dem Nennstrom für kurze Impulse wahrscheinlich in Ordnung ist, aber ich denke, sie sprechen von längeren Impulsen, als ich mir vorstelle.

Könnte jemand kommentieren, ob die LEDs wahrscheinlich lange genug überleben, um nützlich zu sein? Ich habe nichts gegen eine drastisch reduzierte Gesamtlebensdauer. Solange sie einige zehn Stunden (insgesamt pünktlich, wahrscheinlich weniger als eine Stunde) überleben, ist das in Ordnung.

Für eine praktische Antwort auf die Frage ist eine zerstörende Prüfung mindestens einer LED , vorzugsweise einiger weniger, erforderlich.

Breit:

LEDs werden hauptsächlich durch Hitze zerstört , weniger durch Strom. Abhängig von der internen Konstruktion der LED und ihrer kurzfristigen Wärmeableitungsleistung könnte eine LED möglicherweise das 100-fache ihres Nennstroms überstehen. Wenn die thermische Entnahme von der Verbindungsstelle nicht schnell genug ist, kann eine LED auch nur um das 5-fache des Nennstroms zerstört werden.

Angesichts der in der Frage genannten gewünschten Pulsdauer habe ich nur Folgendes versucht:

Ich habe eine billige 20-mA-rote LED ohne Namen , die mit 0,8 Ampere bei 12 Volt gepulst wird , mit einer Pulsdauer von 5 Mikrosekunden und einem Tastverhältnis von 1/256 ( 0,39% ). Es ist in den letzten 15 Minuten nicht gesprengt worden, tatsächlich sind die Leitungen nicht einmal erkennbar warm. Es ist jedoch nicht sehr hell beleuchtet - was teilweise auf ein Absinken der Schaltwellenformen zurückzuführen sein kann.

Bei ähnlichen Anforderungen an den LED-Overdrive befolge ich als Faustregel die durchschnittliche Nennleistung der LED um 10% für jede 100% ige Erhöhung des Antriebsstroms über den Nennwert. Ich halte dies für übermäßig konservativ, aber ich hatte Erfolg mit bis zu 30-fachem Nennstrom für Anwendungen vom Typ "Kamerablitz" mit weißen Piranha-LEDs.

Würde diese Überschreitung der Nennwerte als akzeptables Engineering angesehen? Bei weitem nicht.

Aktualisieren:

1. Nach dem Test mit der oben beschriebenen roten LED wurde die PWM-Frequenz so reduziert, dass jeder "Ein" -Puls 20 Mikrosekunden von den vorherigen 4,88 Mikrosekunden betrug , wobei das Tastverhältnis wie zuvor beibehalten wurde .

   Das Ergebnis war eine echte zerstörerische Prüfung: Die LED explodierte spektakulär , die obere Hälfte wurde noch nicht gefunden.

   Hypothese : Da die Pulsdauer mit der Anstiegszeit der LED vergleichbar ist, leuchtet die LED nicht wirklich stark auf und zeigt auch keine erwarteten thermischen Katastropheneffekte.

2. Unter Beibehaltung der Impulsdauer von 20 Mikrosekunden und des Tastverhältnisses von 0,39% wurde eine Strombegrenzung eingeführt, die den zulässigen Strom systematisch von 50 mA auf über 400 mA erhöhte. Die LED überlebt bis zu einem gewissen Punkt und ist durchweg viel heller als im Fall von 4,88 Mikrosekunden.

   Jenseits von ca. 350 mA erlischt die LED, es tritt magischer Rauch aus, dh er wandelt sich in SED (Smoke Emitting, Dead) um.

   Schlussfolgerungen :

   • Die durchschnittliche Leistung ist nicht der einzige Faktor, der zur Zerstörung (oder zum Überleben) beiträgt. Wenn die Impulse zu kurz gehalten werden, kann die LED einfach nicht genug eingeschaltet werden, um eine Rolle zu spielen
   • Mit 20 Mikrosekundenimpulsen überlebt die 20-mA-LED vor der Zerstörung etwa das 17,5-fache ihres Nennstroms
   • Ich muss mehr LEDs kaufen.

Interessante Arbeiten von Anindo an 20-mA-LEDs, von denen ich immer verstanden habe, dass sie für kurze Arbeitszyklen übersteuert werden können, obwohl ich nie wusste, wie viel. Ich dachte, vielleicht 10: 1, 40: 1 könnte es schieben!

Dies überträgt sich jedoch möglicherweise nicht so gut auf die neueren Hochleistungs-LEDs, die bereits härter betrieben werden und ein sorgfältiges thermisches Design aufweisen.

Diese Hochleistungs-LED von HP (Husten, Avago) hat beispielsweise explizite "absolute maximale" Nennwerte für den "Spitzenimpulsstrom" von 2,4 A für InGaN, 1,5 A für AlInGaP-Dioden, nur etwa das 3,5-fache und das 2-fache des Nennstroms von 700 mA. Auf Seite 6 des Datenblattes dieses Geräts finden Sie, was Sie möchten: Diagramme zu Impulsstrom und Dauer für verschiedene Arbeitszyklen.

Eine kurze Überprüfung anderer Hochleistungs-LED-Datenblätter ergab eine (350 mA Entwurfsstrom) mit einem "absoluten Maximum" von 1,2 A mit der interessanten Maßgabe, dass dieser Strom 60 Sekunden lang nicht kumuliert über die gesamte Lebensdauer des Produkts erreicht werden sollte.

Es variiert also anscheinend stark mit verschiedenen Marken und Modellen von Hochleistungs-LEDs.

Die Menge, um die eine LED übersteuert werden kann, hängt stark vom Design ab. Jede LED hat eine maximale Temperatur, die vor dem Ausfall für jedes betroffene Material erreicht werden kann .

Der maximale Dauerstrom wird normalerweise durch die Einkapselung begrenzt, das Linsenmaterial, das die Diode schützt. Diese Art von Fehler schmilzt entweder oder macht die Linse undurchsichtig (normalerweise gelb, dann braun). Der maximale Dauerstrom kann erhöht werden, indem die erzeugte Wärme (Erhöhung des Wirkungsgrads) oder die effektive Wärmeleitung verringert wird. So werden Hochleistungs-LEDs hergestellt.

Der maximale Impulsstrom wird üblicherweise durch die stromführenden Materialien bestimmt. Die Leiter haben eine so geringe Masse, dass sie sich schnell überhitzen und katastrophal ausfallen (dh Amindo Goshs Antwort mit der explodierenden LED). Der leitende Pfad war überhitzt und versagte, weil er nicht genügend Masse hatte, um den Stromstoß zu bewältigen. Selbst wenn die LED einen geringen Wärmewiderstand hat und großen Dauerstrom verarbeiten kann, kann sie möglicherweise nicht viel mehr als den gepulsten Strom verarbeiten.

Eine LED kann als Kette von Wärmekondensatoren und Widerständen (Widerstände in Reihe mit Bypass-Kondensatoren) betrachtet werden. Die Diode hat eine geringe Kapazität, aber auch einen geringen Wärmewiderstand. Es kann Wärme schnell abführen, aber es kann keine Spannungsspitzen verarbeiten. Die Einkapselung hat eine hohe Kapazität, aber auch einen hohen Wärmewiderstand. Es verarbeitet Überspannungen, kann jedoch keinen großen Dauerstrom verarbeiten.

Auch in Bezug auf LED-Einschaltzeit. Dies wird höchstwahrscheinlich durch Ihre Steuerschaltung und nicht durch die LED begrenzt. Ich kenne nur CREE XLAMP-LEDs mit einer Übergangszeit von ca. 10 Nanosekunden.

Es ist üblich, dass im Abschnitt "Absolute Maximalwerte" einer LED-Spezifikation ein Strom angegeben wird, der höher ist als der Dauerbetriebsstrom, der für das Gerät zulässig wäre. Wenn Sie den angegebenen Maximalstrom auch nur für eine Nanosekunde überschreiten, sind für den Hersteller alle Wetten ungültig.

In der Praxis ist es ziemlich wahrscheinlich, dass man, selbst wenn die absolute maximale Nennleistung 500 mA angibt, nur 1A für 10 us durch das Teil, einmal pro Sekunde für ein Jahr, ohne irgendetwas zu beschädigen. Andererseits ist es auch wahrscheinlich, dass das Durchführen von 1A durch das Teil für 10us nicht viel mehr Licht erzeugt, als wenn man 500mA für 10us durchlässt. Unabhängig davon, wie viel Leistung eine LED in eine LED einbringt, gibt es eine Grenze dafür, wie viel Licht sie mit den beabsichtigten Mitteln (dh mit anderen Mitteln als dem Aufgehen in Flammen) erzeugt. Da jede Leistung, die in Licht umgewandelt wird, in Wärme umgewandelt wird, gibt es einen Punkt, ab dem ein erhöhter Spitzenstrom die Lebensdauer des Teils weitaus stärker beeinträchtigt als die erzeugte Lichtmenge.

Es kann sein, dass, wenn die Leistung nicht höher als die Nennleistung der LED ist, dies leicht berechnet werden kann, wenn das Verhältnis von Pulsfrequenz zu Arbeitszyklus die 100% -Betriebsleistung bei beispielsweise 20 mA Leistung nicht überschreitet, dh wenn die Leistung so ist Die Umwandlung in Licht ist linear. Wenn es nicht linear ist, ist es eine Art Kurve und verwendet die Berechnung, um die Kurve zu finden, um den Punkt zu finden, an dem sie die Entwurfsparameter überschreitet. Es kann natürlich einen Punkt geben, an dem die Wärme nicht schnell genug abgeführt werden kann und dann die Umwandlung von Elektron in Photon stört. Wenn daher ein Kühlkörper direkter mit dem Inneren der LED verbunden werden könnte, könnte er leichter (Wärme abführen) wärmeversenkt oder aktiv abgekühlt werden. Dies würde die LED viel weniger energieeffizient machen, aber die LED könnte dann mit mehr Strom für verschiedene Anwendungen wie Stroboskopie, Pulsmodulation usw. betrieben werden. Auch der Wellenbandausgang einer LED ist etwas monochromatisch, ändert jedoch sein Wellenband mit der Temperatur. Dies könnte eine Möglichkeit sein, das Wellenband der LED für Monochromateranwendungen abzustimmen, wenn sich die Änderung der Beleuchtung korrigiert und kalibriert. Es gibt wahrscheinlich eine scheinbare Helligkeit, die vom Auge als effizienter oder weniger effizient angesehen wird und nichts mit der Quanteneffizienz der LED zu tun hat, sondern eher mit der Quantenumwandlung der Chemie der Netzhaut und der Größe der Pupille und der Persistenz des Sehens sollte eine optimale Leistungsimpulsumwandlung für diese scheinbare Beleuchtung des Auges sein. Auch der Wellenbandausgang einer LED ist etwas monochromatisch, ändert jedoch sein Wellenband mit der Temperatur. Dies könnte eine Möglichkeit sein, das Wellenband der LED für Monochromateranwendungen abzustimmen, wenn sich die Änderung der Beleuchtung korrigiert und kalibriert. Es gibt wahrscheinlich eine scheinbare Helligkeit, die vom Auge als effizienter oder weniger effizient angesehen wird und nichts mit der Quanteneffizienz der LED zu tun hat, sondern eher mit der Quantenumwandlung der Chemie der Netzhaut und der Größe der Pupille und der Persistenz des Sehens sollte eine optimale Leistungsimpulsumwandlung für diese scheinbare Beleuchtung des Auges sein. Auch der Wellenbandausgang einer LED ist etwas monochromatisch, ändert jedoch sein Wellenband mit der Temperatur. Dies könnte eine Möglichkeit sein, das Wellenband der LED für Monochromateranwendungen abzustimmen, wenn sich die Änderung der Beleuchtung korrigiert und kalibriert. Es gibt wahrscheinlich eine scheinbare Helligkeit, die vom Auge als effizienter oder weniger effizient angesehen wird und nichts mit der Quanteneffizienz der LED zu tun hat, sondern eher mit der Quantenumwandlung der Chemie der Netzhaut und der Größe der Pupille und der Persistenz des Sehens sollte eine optimale Leistungsimpulsumwandlung für diese scheinbare Beleuchtung des Auges sein.
In jedem Fall sollte die aktuelle Wechselwirkung irgendwann nichtlinear werden und die LED zerstören. Kühlen Sie die LED möglicherweise ab, indem Sie etwas gekühltes Öl mit Silber- oder Goldkühlkörpern an den Leitungen um sie herum zirkulieren lassen oder in flüssigem Stickstoff einweichen. Gute Elektronenleiter scheinen gute Materialien zu sein, um Wärme abzuleiten, und Gold ist chemisch stabiler als Silber, obwohl es teuer ist.