Wie berechnet man die Verbindungsstelle zur Umgebungstemperatur einer LED?

Dies ist eine Hochleistungs-LED. Es ist so konzipiert, dass es den größten Teil seiner Wärme über die Lötstellen abführt. Sie müssen also den Wärmewiderstand zwischen Lötpad und Umgebung der Leiterplatte ermitteln, auf die Sie es löten möchten. Dies kann natürlich anhand der Abmessungen der Kupfermerkmale auf Ihrer Platine berechnet werden, aber die einfachste Methode besteht möglicherweise darin, die LED einfach auf eine Platine zu löten und die Temperatur an der Lötstelle für einige verschiedene Leistungsstufen zu messen.

Im Gegensatz zu anderen Halbleitergeräten wie Transistoren ist das Anbringen eines Kühlkörpers am Gerät nicht sehr sinnvoll, da es das Licht blockiert.

Auf Seite 12 des Datenblattes heißt es:

Der maximale Durchlassstrom wird durch den thermischen Widerstand zwischen dem LED-Übergang und der Umgebung bestimmt. Es ist entscheidend, dass das Endprodukt so konstruiert ist, dass der Wärmewiderstand von der Lötstelle zur Umgebung minimiert wird, um die Lampenlebensdauer und die optischen Eigenschaften zu optimieren. [Hervorhebung von mir.]

Abbildung 1. Die Wärmewiderstandswerte werden nur für die Verbindung zum Lötpunkt angegeben. Dies impliziert, dass der Übergang zur Luft (durch die Linse) nicht signifikant ist.

Sie sollten in der Lage sein, die Lötpad-Spezifikationen am Ende des Dokuments zu erfüllen und den angegebenen Bewertungskurven zu folgen.

Abbildung 2. Aktueller sicherer Betriebsbereich im Vergleich zur Umgebungstemperatur.

Weiterlesen:

• Anwendungshinweis zur langfristigen Lumenerhaltung von Cree .
• Anwendungshinweis zum Wärmemanagement von Cree .

Berechnen Sie die Verbindungsstelle zur Umgebungstemperatur

Ich nehme an, dies bedeutet, die Sperrschichttemperatur aus der Umgebungsluft zu berechnen.

Ich weiß, wie man das berechnet:
Junction Temp = Junction to case + Case to Heat Sink + Heat Sink to Ambient + Ambient

Ich glaube nicht, dass du das tust. Das ist eine unsinnige Formel. Und es ist unklar, ob Sie sich auf Temperatur- oder Wärmebeständigkeit beziehen, da Ihre Begriffe keine richtigen Bezeichnungen haben. Fall zu Anschluss was? Temperatur? Thermischer Widerstand?

Um die Sperrschichttemperatur (T _j ) zu berechnen, müssen Sie wissen, wie viel Wärmeleistung (Wärme) erzeugt und wie viel dieser Wärme abgeführt wird.

Wenn ich wissen möchte, was der Übergang zur Umgebungstemperatur ist, wie berechne ich das aus dem Datenblatt?

Es gibt keinen " Übergang zur Umgebungstemperatur "

Es gibt eine Sperrschichttemperatur, eine Umgebungstemperatur und einen thermischen Widerstand zwischen Sperrschicht und Umgebung.

Nur sehr wenige dieser Informationen stammen aus dem Datenblatt.

Um die abzuführende Wattzahl zu berechnen, müssen Sie die verbrauchte elektrische Wattzahl und die von der LED abgegebene Strahlungswattzahl kennen.

Die elektrische Wattzahl ergibt sich aus der IV-Kurve.

Um die Strahlungswatt zu berechnen, müssen Sie den photometrischen (Licht-)Fluss (Lumen) in den radiometrischen Fluss (Strahlungswatt) umwandeln. Dazu benötigen Sie die spektrale Verteilung.

Die spektrale Verteilung im Datenblatt ist in radiometrischen Strahlungswatt angegeben.

Wenn ich die blaue Kurve digitalisieren würde, um die relative Höhe der Kurve bei jeder Wellenlänge zu erhalten, und dann die Wellenlängen aufzeichnen würde, würde ich ungefähr Folgendes erhalten:

Jetzt habe ich also die Strahlungswatt für jede Wellenlänge. Ich muss Watt in Lumen umrechnen. Dies ist ein zweistufiger Prozess. Photonen bei jeder Wellenlänge tragen unterschiedliche Mengen an Strahlungsenergie.

LINK: Umrechnungstabellen für quantenmechanische, radiometrische und photometrische Einheiten

Wenn wir zum Beispiel den Strahlungsfluss von 450 nm (blau) und den Strahlungsfluss von 550 nm (grün) vergleichen,
würde 1 µmol blaue Photonen 0,27 Watt Energie tragen. Während
1 µmol grüne Photonen 0,22 Watt Energie tragen würde.

Um Lumen tatsächlich zu „messen“, wird der Strahlungsfluss gemessen, dann werden die Strahlungswatt gemäß der photopischen Lichtausbeute aus der relativen Empfindlichkeitskurve für die CIE-Standard-Beobachtertabelle in Lumen umgerechnet .

1 Watt blaue Photonen mit 450 nm werden in 27,46 Lumen umgewandelt.
1 Watt von 550 nm grünen Photonen wird in 679,55 Lumen umgewandelt.

Sie erhalten also die Lumenzahl aus dem Datenblatt

Stellen Sie dann die Lumen auf die Strommenge ein, die Sie zum Ansteuern der LED verwenden

Verwenden Sie dann die obige Umrechnung von Lumen in Watt

Die Temperatur ist eine Funktion des Wärmewiderstands gegenüber der Umgebung und davon, wie viel Wärme an der Verbindungsstelle erzeugt wird. Im Wärmepfad von der Verbindungsstelle zur Umgebung gibt es einige Wärmewiderstände.

Die Sperrschichttemperatur nimmt ab, wenn sich der Wärmefluss von der Sperrschicht zur Umgebung bewegt. Der Wärmewiderstand im Weg des Wärmeflusses bestimmt, wie schnell der Fluss fließt, gemessen daran, wie stark die Temperatur für die erzeugte Wärmemenge (°C/W) reduziert wird.

Wärme fließt von heiß nach kalt. Wir müssen also einen Wärmepfad von der Verbindungsstelle zur Umgebung mit so wenig Wärmewiderstand wie möglich bereitstellen. Das Datenblatt hat nur einen thermischen Widerstand in diesem Pfad. Das ist von der Verbindungsstelle zum thermischen Lötpad am Gehäuse der LED.

Der nächste Wärmewiderstand ist das Lot zwischen LED und Platine.

Das Bild auf der linken Seite zeigt das Kupfer in der Leiterplatte und das Lotauftragsmuster auf der rechten Seite.

Quelle: Cree XLamp XHP50.2 LED-Datenblatt

Die Dicke des Lots und die Wärmeleitfähigkeit des Lots bestimmen den Wärmewiderstand. Sie können anhand des Schablonenmusters sehen, dass sie große Anstrengungen unternehmen, um sicherzustellen, dass das Lot so dünn wie möglich ist.

Der Rest des Wärmewiderstands ergibt sich aus dem Design der Leiterplatte und des Kühlkörpers.

Wärmewiderstandsmodell für eine typische Leiterplatte

Für einen Halbleiter lautet die Formel für die Umgebungstemperatur bis zur Sperrschichttemperatur:

Quelle: Thermal Design By Insight, Not Hindsight

Die Verlustleistung eines klassischen Halbleiters entspricht der verwendeten elektrischen Leistung:
Spannung x Strom = Watt (sowohl thermisch als auch elektrisch).

Eine LED gibt die elektrische Energie sowohl als Wärme als auch als Strahlungsenergie (Licht) ab. Um die thermischen Watt zu berechnen, subtrahieren Sie die Strahlungswatt von den elektrischen Watt.

Diese Cree XHP50.2 LED hat eine ziemlich schlechte Effizienz bei 129 lm/W für die 5700K LED in dieser Reihe. Es leitet mehr Wärme ab als eine LED mit geringerer Dichte. Diese LED ist so konzipiert, dass sie auf einer kleinen Fläche so viele Lumen wie möglich emittiert, da sie 4 Würfel hat, die eine V _f von 11,2 V oder 2 Würfel bei 5,6 V erzeugen. Ich würde mir eine Effizienz näher an 180-200 lm/W in einer 5700K-LED mit niedriger Dichte und hoher Leistung wünschen, wie z. B. der XP-3G.

Die elektrische Leistung bei Prüfstrom beträgt 11,2 x 700 mA bzw. 5,6 x 1400 mA = 7,84 Watt. Diese LED strahlt etwa 47 % der elektrischen Leistung als Licht und 53 % als Wärme ab. Damit bleiben 4,15 Watt Wärme abzuführen. HINWEIS: Die 47 % sind eine fundierte Schätzung, die auf der Wirksamkeit anderer LEDs basiert, für die ich den Strahlungsfluss kenne.

Wenn T _Umgebung (PCB-Temperatur) 60 °C beträgt, ist die Sperrschichttemperatur.

T _j = (Ø _ja x 4,1 Watt) + 60°

Ø _ja hängt stark vom PCB-Layout und dem Wärmemanagement ab (z. B. Kühlkörper, thermische Durchkontaktierungen, Kupferdicke usw.).

In diesem Fall errechnet sich der erforderliche Ø _ja aus den abzuführenden 4 Watt. Dann würde die PCB entworfen, um den erforderlichen Ø _ja zu erreichen .

Sie müssten also den Ø _ca (Wärmeleitpad des Gehäuses zur Umgebung) für Ihre Leiterplatte schätzen, um die Sperrschichttemperatur aus der Leiterplattentemperatur zu ermitteln. Die 1,2 ° C / W im Datenblatt (im obigen Bild als freiliegendes Pad gekennzeichnet) werden zum Wärmewiderstand vom Wärmeleitpad der LED zur Umgebung hinzugefügt.

Die beste und einfachste, IMHO, zu verstehende Quelle für diese Berechnungen ist:
Thermal Design By Insight, Not Hindsight
Und "am einfachsten" meine ich nicht einfach.

Weiterführende Literatur:
Thermisches Management von Lichtquellen auf Basis von SMT-LEDs

PowerPAD™ Thermally Enhanced Package, SLMA002H November 1997 Überarbeitet Juli 2018

Ich fand, dass dieses Dokument , das die Sperrschichttemperatur einer LED berechnet, wenig hilfreich ist, aber es sollte einige der in meiner Antwort verwendeten Berechnungen unterstützen.

Endeffekt

Sie können sich einen Master-Abschluss in Thermodynamik machen und die oben beschriebenen Berechnungen durchführen. Wenn Sie sehr klug sind, können Sie eine Abkürzung nehmen und den MIT Open Course Ware-Kurs belegen: Vorlesung 1: Thermodynamik Teil 1

Oder Sie können es auf praktische Weise tun.

Entwerfen Sie Ihre Leiterplatte mit bewährten Wärmemanagementmethoden, bauen Sie Ihre Leiterplatte, schalten Sie sie ein und passen Sie den Strom basierend auf der Temperatur der Leiterplatte in der Nähe der LED und der gewünschten Helligkeit an. Ich erlaube im Allgemeinen nicht, dass die PCB-Temperatur 55°C überschreitet. Dies liegt daran, dass ich nur LED mit einer maximalen Sperrschichttemperatur von 150 ° C verwende.