Проблемы с надежностью массива из 91 мощного светодиода

Я разработал и напечатал 4-слойную печатную плату, которая вмещает 91 инфракрасный светодиод прямоугольной формы 7x13. Это будет использоваться в качестве подсветки для проекта машинного зрения. У меня проблема, когда отдельные светодиоды перегорают или, возможно, каким-то образом отключаются от цепи. Я подозреваю, что причиной проблемы может быть рассеивание тепла.

Образ

Макет печатной платы

Каждый ряд из 7 светодиодов (зеленый светодиодный текст) соединен последовательно. Источник питания 12 В (блок питания VCC) подключается к первому светодиоду. Следующие 6 подключены последовательно. Наконец, токоограничивающий резистор (зеленый R-текст) подключает последний светодиод к заземляющей плоскости.

Характеристики:

• Плоскость VCC: 12В, питание 2А
• LED: TSHG6200 . Максимальный номинальный ток 100 мА.
• Токоограничивающий резистор: 20 Ом
• Припой: Thermoflow Sn60 / PB40
• Общая расчетная мощность рассеяния: 12 В * 0,1 А на ряд * 13 рядов = 15,6 Вт.
• Размер массива: 13 рядов по 7 светодиодов, примерно 7 см х 6 см

измерения

При напряжении питания 12 В на каждом светодиоде около 1,45 В, а на резисторе, ограничивающем ток, - около 2,0 В, то есть ток составляет 100 мА. Поскольку это соответствует максимально допустимому току, я поместил большой потенциометр большой мощности между источником питания и плоскостью VCC и использовал его для регулировки немного ниже входного напряжения (11,5 В или около того). Это позволяет получить ток безопасно ниже максимально допустимой суммы.

Я также использую пару Дарлингтона для управления подсветкой с помощью Arduino. Подсветка включается почти все время, а время от времени отключается примерно на 30 мс. Я не думаю, что это имеет отношение к проблеме, но могу предоставить более подробную информацию, если это необходимо.

проблема

Примерно через 10-30 минут использования один или несколько рядов светодиодов погаснут. Если я измеряю напряжение на каждом светодиоде в разбитом ряду, то большинство светодиодов имеют напряжение около 0,8 В, а один из них имеет напряжение около 8,0 В. Ток не течет. Иногда исправление контактов или нажатие светодиода исправляет это. Иногда это должно быть заменено. В любом случае, я получаю еще 10-30 минут использования, прежде чем другой выходит.

Другое наблюдение состоит в том, что вся задняя сторона доски является липкой. Вы можете увидеть это на картинке выше. Интересно, становится ли он слишком горячим, и припой подвергается риску (возможно, источает флюс ??).

Вопрос

Что я должен попытаться улучшить надежность? Я уже пытался запустить его при более низком напряжении, чтобы ток был безопасно ниже номинального максимума. Интересно, нужно ли мне использовать другой вид припоя? Или какой-то радиатор? Светодиоды греются на ощупь, но не так невыносимо.

Изменить, после попытки предложения

Спасибо всем за советы! Я сделал кое-что довольно простое - указал компьютерному поклоннику, чтобы продувать воздух через массив - и это работало фантастически! Я думаю, что это действительно очевидно для многих из вас, но я был удивлен, насколько огромной была разница.

Без вентилятора:

• 25 мА на ряд -> 39C
• 33 мА на ряд -> 41C
• 40 мА на ряд -> 48C
• 55 мА на ряд -> 52C

Таким образом, мы попадаем в «опасную зону» температуры задолго до достижения максимального тока на светодиод.

С вентилятором:

• 35 мА на ряд -> 26C
• 60 мА на ряд -> 30C
• 90 мА на ряд -> 34C

Я проверил его на уровне 90 мА на ряд и 34C в течение часа без проблем. Большой!

Вы уже нажали ответ: ваши светодиоды греются. 15 Вт может показаться не таким уж большим, но это накапливает и убивает ваши светодиоды. Я предлагаю вам взять термистор и прикрепить его к центру платы, а затем следить за температурой при работе системы. Еще лучше, прикрепите его к корпусу одного из светодиодов.

Поскольку вы используете это в качестве подсветки, не используйте узкополосные светодиоды. Используйте относительно широкие лучевые узлы и расставьте их так, чтобы воздух мог проходить через них. Если вы можете найти источник, скажем, 35-градусных светодиодов, установите только все остальные в шахматном порядке, при необходимости перемычку для пайки. Вы получите только половину общей яркости, но это едва заметно, и улучшенный поток воздуха должен помочь. Вам также может понадобиться предусмотреть в вентиляторе несколько воздуховодов, чтобы обеспечить достаточный поток воздуха через массив.

И всегда включайте монитор температуры. Хотя это видео не применимо напрямую, это видео на YouTube демонстрирует принципы охлаждения. В вашем случае, поскольку у вас есть целый ряд вертикально расположенных светодиодов, важно не допустить, чтобы светодиоды касались друг друга, так как это заблокирует поток воздуха.

Из таблицы данных:

Рисунок 1. Абсолютный максимальный прямой ток.

и далее:

Рисунок 2. Уменьшение тока светодиода при повышенной температуре.

Ток и температура твои проблемы. Вы работаете в абсолютном максимальном токе без комнаты для маневра и позволяете температуре повышаться. При температуре окружающей среды 60 ° максимально допустимый ток резко падает.

Быстрый поиск по «светодиодному радиатору» найдет вам множество подходящих решений для охлаждения ваших перегоревших светодиодов. Моя первоначальная рекомендация состояла бы в том, чтобы превратить верхнюю часть печатной платы в слой радиатора и использовать термоклей, чтобы приклеить к нему светодиоды. Боюсь, это больше пайки, но эй хо.

Для получения дополнительной информации я обнаружил, что в Википедии есть ссылка на различные технологии охлаждения светодиодов, которые могут представлять интерес.