Temperaturmessung an 5mm LEDs

Moderator: T.Hoffmann

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RPH
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Sa, 29.09.07, 19:37

Testobjekt war wieder die beliebte 5mm weiße 7.000mcd LED, welche im Moment
als Testobjekt für fast alle meine Messungen dient. (100 Stück halten da lang ! )

Da mich speziell die Temperatur in der LED interessiert wurden zwei Objekte
so wie auf dem Foto ersichtlich bearbeitet, um an den Kern bzw. den Kelch mit
dem Substrat zu kommen.
LED bearbeitet
LED bearbeitet
Einmal einfach abgeschliffen bis zum Metall und ein zweites mal ein Loch gebohrt
bis zum Kern, da bei der ersten Methode bereits ein kleiner Luftzug ausreichte um
die Temperatur um einige Grad zu senken.

Die gemessenen Temperaturen waren wie folgt:

Kunststoffgehäuse außen 28 - 30° C, je nach Messstelle.
Minus Pin (Das ist in der LED der Kelch mit dem Substrat) direkt am Kunststoffgehäuse: 35° C.
Plus Pin (nur mit Bonddraht zum Substrat verbunden) direkt am Kunststoffgehäuse: 32 ° C.
Messung direkt innen am Kelch 42° C bzw. noch etwas mehr.
Da diese Fläche sehr klein ist findet hier natürlich bei Kontakt mit dem Temperaturfühler
sofort eine Wärmeableitung statt, obwohl ich nur einen sehr dünnen Drahtfühler verwendet habe.

Das alles bei Raumtemperatur, die echte Temperatur in dem Kern schätze ich auf bestimmt
45° oder sogar noch etwas mehr, da die Wärmeableitung hier relativ schlecht ist wird sich
diese Temperatur bei etwas höheren Außentemperaturen gewaltig erhöhen.

Die Anschlussbeine von dieser Type sind magnetisch, haben also einen Eisenanteil und eine
sehr schlechte Wärmeleitung, eine Ableitung der Wärme ist so gut wie nicht vorhanden.
Die Lebensdauer der LED ist nicht gut, ein Test läuft schon, ich wollte das nur noch klären.

MfG RPH
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John.S
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Sa, 29.09.07, 20:49

Wie lange war die Betriebsdauer?
Ich habe die Erfahrung gemacht dass in einem Cluster aus nur 9 Led die Anschlussbeinchen schon so heiss werden dass man sie kaum anfassen kann,also um die 50°C.
Den Kern Schätze ich dabei auf mindesten 80°C.
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Scorpion
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Sa, 29.09.07, 22:04

mh und bei wieviel geben normale 5mm (wie im test) den löffel ab bzw ab wieviel grad wird es extrem lebensverkürzend? habe 2 warmweise 18000 mcd LEDs (laut hersteller) mal aus einer lampe ausgebaut und sie "ausversehn" ne nacht mit nem vorwiederstand an ner 9V batterie laufen lassen aber konnte ausen an der ummantelung eigentlcih keine große erwärmung feststeleln, gut die standen auch mitten in den "raum" hinein ...
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Sa, 29.09.07, 22:38

Schaut wirklich klasse aus! Auch die messwerte sind wirklich sehr gut, also gut zu wissen^^.
joerg.b
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Sa, 29.09.07, 22:58

Ich würde die Temperatur indirekt messen. Weise LED's haben einen Temperaturkoeffizienten von typisch -3mV/°C. D.h. wenn Du den LED Strom konstant hältst und die Durchlaßspannung misst kannst Du über die Differenz zwischen der Durchlassspannung beim Start und nach längeren Betrieb die Temperatur am Chip recht gut bestimmen.
luckylu1
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So, 30.09.07, 01:38

jörg, die idee ist schon gut, allerdings sollte die reale temperaturdrift vorher extra bestimmt werden.
eine möglichkeit wäre dazu ein sehr geringer strom, die led wird in einem wasserbad erwärmt (achtung, sehr grosser zeitfaktor!), die temperatur des bades ist genau zu regeln, nur zur messung wird ein geringer strom eingeschaltet, hier wäre ein oszilloskop oder spitzenspannungsdetektor angebracht. die pausen zwischen 2 messungen müssen auch recht hoch sein, das ganze sollte mit 3 oder 4 verschiedenen konstantströmen gemacht werden. die temperaturschritte sind beliebig, messungen dürfen aber erst nach dem ende der erwärmungsphase durchgeführt werden.
für höhere temperaturen könnte auch ein ölbad verwendung finden.

es gibt noch eine alternative methode, die meines erachtens nach, einfacher und genauer sein müsste. ausgewertet wird in diesem fall der sperrstrom bei einer gut stabilisierten spannung, 5V ist da laut hersteller meistens das maximum. die temperaturkurve muss wieder mit öl oder wasserbad aufgenommen werden, zusätzlich ist die led abzudunkeln!!!
die betriebswerte werden dann am besten mit einem rechtecksignat ermittelt, bei einem tastverhältnis von 95:1 dürfte schon eine recht genaue messung mit einem oszilloskop möglich sein.

beide methoden sind schon recht zeitintensiv und nur bei dem vorhandensein von guter technik
sinnvoll.
nicht vergessen werden sollte, nach jeder messreihe, eine kontrollmessung mit den anfangsbedingungen, die parameter könnten sich durch zu hohe sperrschichttemperatur verändern.
joerg.b
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So, 30.09.07, 08:35

Ich hab mal den Temperaturdrift der Durchlassspannung von der Rebel und der Cree rausgesucht (Für 5 mm LED's habe ich keine Datenblätter abgelegt und Seoul macht scheinbar prinzipiell keine Angaben).

Luxeon Rebel: -3 V/°C
Cree X 7090 XR-E: -2,8 mV/°C

Wenn man den Temperaturkoeffizient im Datenblatt findet sollte die Methode über die Durchlassspannung recht genau sein. Der Temperaturdrift ist schließlich eine von der Dotierung abhängige Materialeigenschaft (andere Farben haben auch einen anderen Temperaturkoeffizienten).

Ansonsten liefert die von luckylu1 beschriebene Eichung sicherlich gute Ergebnisse.
RPH
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So, 30.09.07, 08:45

Jörg: Sehr gute Idee, vielen Dank auch für die zusätzlichen Info.

Scorpion: Es gibt einige andere Tests mit anderen Strömen, in diesem Forumsbereich.
Ich denke da dürften alle Informationen drinnen sein, die Du benötigt. Na gut, ein wenig
überlegen bzw. interpolieren muss man schon, aber nie mit mehr Strom als angegeben betreiben.

John: Die Betriebsdauer waren ca. 5 Minuten aufwärmen und dann die Messungen.
Aber bitte nicht vergessen, das war nur eine LED, ein kleiner Luftzug (Tatsächlich!)
und die Temperatur ändert sich schon, in einem Cluster sieht es ganz anders aus.

Ich habe auch einen größeren Cluster, der wird zwar nicht ganz so warm wie von Dir
angegeben aber es dürfte in diese Richtung gehen, der wird aber nur mit 15mA betrieben.

Lu: Auch ein guter Ansatz, werde ich mal im Auge behalten bzw. mal antesten.
Überhaupt währe da noch einiges machbar. Ich verwende zwar auch Halbleiter zur
Temperaturmessung aber auf diesen Trichter bin ich bis jetzt noch nicht gekommen.

Mit einem Messstrom von 1mA sollte nicht viel aufheizen, denke ich, werde ich
mal für nächste Tests im Auge behalten.


MfG RPH
Borax
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Do, 11.10.07, 12:24

Ich würde mich bereiterklären, so was mal mit einer (oder mehreren) LEDs zu testen. Wenn das klappt, könnte man auch verschiedene 'Kühlkonzepte' (z.B. das alte P4 löten oder kleben Thema...) überprüfen. Das Temperaturmanagement kriege ich problemlos hin (heizbarer Magnetrührer mit Kontaktthermometer). Mein Oszi ist aber nicht so toll (kein Speicheroszi mit mehreren Kanälen :( ), also geht nur 'Standard-Digi-Voltmeter' (davon hab ich mehrere). Um damit halbwegs sinnvolle Messungen durchzuführen, hab ich mir folgendes überlegt:
LedMessung1.png
LedMessung1.png (9.55 KiB) 13554 mal betrachtet
R2+R3 identisch ca. 1k (1% oder besser)
R1 'passend' zum eingestellten Strom (bei 1 mA etwa 150Ohm, bei 10mA etwa 15Ohm jeweils 1%) so dass meine Messgeräte immer im 'optimalen' Bereich (0-200 mV) laufen können. Der Strom könnte dann am Poti immer auf einen konstanten Wert eingestellt werden (je nach Temp. ändert sich ja der 'Innenwiderstand' der LED). Die Durchlassspannung kann dann zwischen R1 und dem Spannungsteiler R2/R3 als Differenz zum Bezugspunkt 2.5V gemessen werden (AKAIK 'braucht' eine P4 bei 1 mA etwa 2.5V).
Macht das Sinn?
Blade
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Mo, 15.10.07, 07:28

lies meinen Bericht, den ich letztens verfasst habe.. ich habe 2 Wochen lang Rebel LEDs ausgemessen und wollte wissen, wie hoch die Junction Temperatur ist... ich sehe keinen Sinn ne P4 mit 1mA zu betreiben, 1. wird die (led)Diode kaum leiten und 2. wird die Spannung seeeeehr tief liegen. Die Rebels fingen erst ab 100-150mA langsam an zu leuchten, wobei die Spannung schon um die 2.5-2.7V waren... du willst nicht die Durchflussspannung bei 1mA wissen sondern die Durchflussspannung, bei dem Strom, bei dem du die LEDs später betreiben willst, also 150, 250, 350mA etc. Ich ging dann bis 600mA rauf. Dafür ist jedoch ein einigermassen anständiges Oscilloscop nötig, wobei auch ich mit nem 10Jährigen 200mHz Krüppel gemessen haben, die 1GHz Oscilloscope waren gerade besetzt :) Ne aber sowas reicht schon längstens... ne Mathefunktion oder isolierte Kanäle (keine gemeinsame Masse) muss er aber haben, sonst wrid die Messung mühsam. Ich denke die Werte waren nicht so schlecht, mit dem Infrarotmessgerät aussem am Pad kam ich etwa zu der Temperatur die ich per Spannung gemessen habe + die 10K/W vom junction-pad...
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