Problemy z niezawodnością z szeregiem 91 diod LED dużej mocy

Zaprojektowałem i wydrukowałem 4-warstwową płytkę drukowaną, która mieści 91 diod podczerwieni w układzie prostokątnym 7x13. Będzie to służyć jako podświetlenie dla projektu wizji maszynowej. Mam problem polegający na tym, że poszczególne diody LED przepalają się lub mogą w jakiś sposób zostać odłączone od obwodu. Podejrzewam, że przyczyną problemu może być rozpraszanie ciepła.

Obraz

Układ PCB

Każdy rząd 7 diod LED (zielony tekst diody LED) jest połączony szeregowo. Zasilanie 12 V (płaszczyzna mocy VCC) łączy się z pierwszą diodą LED. Kolejnych 6 połączono szeregowo. Wreszcie opornik ograniczający prąd (zielony tekst R) łączy ostatnią diodę LED z płaszczyzną uziemienia.

Dane techniczne:

• Płaszczyzna VCC: zasilanie 12V, 2A
• LED: TSHG6200 . Maksymalny prąd znamionowy 100mA.
• Rezystor ograniczający prąd: 20 omów
• Lutowane: Thermoflow Sn60 / PB40
• Szacowane całkowite rozproszenie mocy: 12 V * 0,1 A na rząd * 13 rzędów = 15,6 W.
• Rozmiar tablicy: 13 rzędów 7 diod LED, około 7 cm x 6 cm

Pomiary

Przy zasilaniu 12 V na każdą diodę jest około 1,45 V, a na rezystorze ograniczającym prąd około 2,0 V, co oznacza prąd 100 mA. Ponieważ jest to zgodne z maksymalnym dopuszczalnym prądem, umieściłem duży potencjometr dużej mocy między zasilaczem a płaszczyzną VCC i wykorzystałem go do regulacji nieco niższego napięcia wejściowego (11,5 V lub więcej). Dzięki temu prąd bezpiecznie spadnie poniżej maksymalnej dopuszczalnej kwoty.

Używam również pary Darlington do sterowania podświetleniem za pomocą Arduino. Podświetlenie jest włączone prawie cały czas, a czasami jest wyłączone przez około 30 ms. Nie sądzę, że ma to związek z problemem, ale w razie potrzeby może podać więcej szczegółów.

Problem

Po około 10-30 minutach użytkowania zgaśnie jeden lub więcej rzędów diod LED. Jeśli zmierzę napięcie na każdej diodzie LED w uszkodzonym rzędzie, większość diod LED ma napięcie około 0,8 V, a jedna ma około 8,0 V. Nie płynie prąd. Czasami to rozwiązuje odsprzedawanie pinów lub stukanie diody LED. Czasami trzeba go wymienić. W każdym razie dostaję kolejne 10-30 minut użytkowania, zanim jeszcze jedna wyjdzie.

Kolejnym spostrzeżeniem jest to, że cała tylna strona deski jest trochę lepka. Możesz to zobaczyć na powyższym obrazku. Zastanawiam się, czy robi się za gorąco, a lut staje się zagrożony (być może wypływający strumień ??).

Pytanie

Co powinienem spróbować poprawić niezawodność? Próbowałem już uruchomić go przy niższym napięciu, aby prąd bezpiecznie spadł poniżej znamionowego maksimum. Zastanawiam się, czy muszę użyć innego rodzaju lutowia? A może jakiś radiator? Diody LED stają się gorące w dotyku, ale nie są nie do zniesienia.

Edytuj, po wypróbowaniu sugestii

Dziękujemy wszystkim za wskazówki! Zrobiłem coś bardzo prostego - skierowałem wentylator komputerowy, aby nadmuchać powietrze przez układ - i zadziałało fantastycznie! Myślę, że dla wielu z was jest to oczywiste, ale byłem zaskoczony, jak ogromna była różnica.

Bez wentylatora:

• 25mA na rząd -> 39C
• 33mA na rząd -> 41C
• 40mA na rząd -> 48 ° C
• 55mA na rząd -> 52C

Wchodzimy więc w „strefę niebezpieczną” temperatury, zanim osiągniemy maksymalny prąd na diodę LED.

Z wentylatorem:

• 35mA na rząd -> 26 ° C
• 60mA na rząd -> 30 ° C
• 90mA na rząd -> 34 ° C

Pracowałem przy 90mA na rząd i 34C przez ponad godzinę bez żadnych problemów. Świetny!

Odpowiedziałeś już: Twoje diody LED nagrzewają się. 15 watów może nie brzmieć dużo, ale buduje i zabija diody LED. Sugeruję, aby wziąć termistor i przymocować go do środka płytki, a następnie monitorować temperaturę podczas pracy systemu. Jeszcze lepiej, podłącz go do korpusu jednej z diod LED.

Ponieważ używasz tego jako podświetlenia, nie używaj wąskich wiązek LED. Używaj stosunkowo szerokich wiązek i rozstaw je, aby powietrze mogło przepływać. Jeśli możesz znaleźć źródło, powiedzmy, 35-stopniowych diod LED, zainstaluj tylko co drugi w układzie szachownicy, w razie potrzeby lutując zworkę. Otrzymasz tylko połowę całkowitej jasności, ale jest to ledwo zauważalne, a poprawiony przepływ powietrza powinien być dużą pomocą. Konieczne może być również zapewnienie wentylatora z kanałami, aby utrzymać odpowiedni przepływ powietrza przez układ.

I zawsze dołącz monitor temperatury. Chociaż nie ma bezpośredniego zastosowania, ten film na YouTube pokazuje zasady chłodzenia. W twoim przypadku, ponieważ masz las pionowo stojących diod LED, ważne jest, aby nie dopuścić do tego, aby diody LED się stykały, ponieważ zablokuje to przepływ powietrza.

Z arkusza danych:

Rysunek 1. Bezwzględny maksymalny prąd przewodzenia.

i dalej:

Rysunek 2. Obniżanie prądu LED przy podwyższonej temperaturze.

Prąd i temperatura to twoje problemy. Pracujesz z absolutnym maksymalnym prądem, bez zawijasów i pozwalasz na wzrost temperatury. W temperaturze otoczenia 60 ° maksymalny dopuszczalny prąd gwałtownie spada.

Szybkie google dla „radiatora LED” znajdziesz wiele odpowiednich rozwiązań do chłodzenia wypalonych diod LED. Moim początkowym zaleceniem byłoby jednak przekształcenie wierzchu płytki PCB w warstwę radiatora i użycie kleju termicznego do przyklejenia do niej diod LED. Obawiam się, że to bardziej lutownicze, ale hej ho.

Aby uzyskać więcej informacji, odkryłem, że Wikipedia ma link do różnych technologii chłodzenia LED, które mogą być interesujące.