Uso de sobrecorrente acionada por LED em uma lâmpada estroboscópica

Eu gostaria de uma lâmpada estroboscópica usando LEDs RGB como fonte de luz. Desejo pulsar os LEDs com pulsos de duração muito curta (idealmente microssegundos ou menos) a cerca de 100 Hz.

O tempo total de ativação dos LEDs por segundo provavelmente será menor que 1/1000 de segundo. Se os LEDs forem acionados com energia nominal, a saída total de luz será baixa e a iluminação resultante será muito fraca. Estou interessado na idéia de acionar pulsos muito curtos através dos LEDs que são de potência constante, mas com uma corrente bem acima da nominal. Idealmente, 10x ou até 100x acima do nominal.

Uma discussão aqui: High Current Pulse no LED sugere que algumas vezes acima da corrente nominal para pulsos curtos provavelmente está bem, mas acho que eles estão falando sobre pulsos mais longos do que estou imaginando.

Alguém poderia comentar se é provável que os LEDs sobrevivam por tempo suficiente para serem úteis? Não me importo com uma vida total drasticamente reduzida. Contanto que eles sobrevivam por algumas dezenas de horas de uso (tempo total provavelmente inferior a uma hora), tudo bem.

Para uma resposta prática à pergunta , serão necessários testes destrutivos de pelo menos um LED , preferencialmente alguns.

Em termos gerais:

Os LEDs são destruídos principalmente pelo calor , e não tanto pela corrente. Dependendo da construção interna do LED e seu desempenho de dissipação térmica de curto prazo, um LED pode sobreviver a 100x a sua corrente nominal. Da mesma forma, se a retirada térmica da junção não for rápida o suficiente, um LED poderá ser destruído por apenas 5 vezes a corrente nominal.

Dada a duração de pulso desejada mencionada na pergunta, tentei o seguinte:

Eu tenho um LED vermelho barato de 20 mA sem nome sendo pulsado a 0,8 Amperes a 12 Volts, com duração de pulso 5 microssegundos , ciclo de trabalho 1/256 ( 0,39% ). Ele não explodiu nos últimos 15 minutos, de fato, os leads não estão nem discernivelmente quentes. Porém, não é muito iluminado - o que pode ser parcialmente devido à queda na alternância das formas de onda.

Para requisitos similares de sobrecarga de LED, uma regra interna que sigo é reduzir a potência média do LED em 10% para cada aumento de 100% da corrente do inversor acima da nominal. Acredito que isso seja excessivamente conservador, mas tive sucesso com corrente nominal de até 30x para aplicativos do tipo "flash da câmera" usando LEDs brancos Piranha.

Esse excedente dos valores nominais seria considerado engenharia aceitável? Não por um tiro longo.

Atualizar:

1. Após o teste com o LED vermelho descrito acima, a frequência PWM foi reduzida de modo que cada pulso "ligado" passasse a 20 microssegundos , dos 4,88 microssegundos anteriores, mantendo o ciclo de trabalho o mesmo de antes.

   O resultado foi um verdadeiro teste destrutivo: o LED explodiu espetacularmente , a metade superior ainda não foi encontrada.

   Hipótese : Com a duração do pulso comparável ao tempo de subida do LED, o LED realmente não acende muito, nem exibe efeitos catastróficos térmicos esperados.

2. Mantendo a duração do pulso de 20 microssegundos e o ciclo de trabalho de 0,39%, a limitação de corrente foi introduzida, aumentando sistematicamente a corrente permitida de 50 mA para além de 400 mA. O LED sobrevive até certo ponto e é muito mais brilhante do que no caso de 4,88 microssegundos.

   Além de cerca de 350 mA, o LED morre, sai fumaça mágica, ou seja, se transforma em SED (Emissão de fumaça, morta).

   Conclusões :

   • A energia média não é o único fator que contribui para a destruição (ou sobrevivência), manter os pulsos muito curtos simplesmente não permite que o LED acenda o suficiente para importar
   • Com pulsos de 20 microssegundos, o LED de 20 mA sobrevive aproximadamente 17,5 vezes a sua corrente nominal antes da destruição
   • Eu preciso comprar mais LEDs.

Um trabalho interessante da Anindo em LEDs de 20mA, que eu sempre entendi, poderia ser sobrecarregado por ciclos de trabalho curtos, embora eu nunca soubesse quanto. Imaginei que talvez 10: 1, 40: 1 possam estar pressionando!

No entanto, isso pode não levar adiante os LEDs de alto desempenho mais recentes, que já estão sendo executados com mais força, com um design térmico cuidadoso.

Esse LED de alta potência da HP (tosse, Avago), por exemplo, possui classificações explícitas de "máximo absoluto" para "corrente de pico de pulsação" de 2,4A para diodos InGaN, 1,5A para diodos AlInGaP, apenas cerca de 3,5x e 2x a corrente nominal de 700ma. A página 6 da ficha de dados deste dispositivo tem o que você deseja: gráficos de corrente de pulso versus duração para diferentes ciclos de trabalho.

Uma breve revisão de outras folhas de dados de LED de alta potência mostrou uma (corrente de projeto de 350 ma) com um "máximo absoluto" de 1,2 A com a ressalva interessante de que ela não deve atingir essa corrente por 60 segundos cumulativos durante toda a vida útil do produto.

Portanto, aparentemente varia muito com diferentes marcas e modelos de LED de alta potência.

A quantidade em que um LED pode ser excedido é altamente dependente do design. Todo LED tem uma temperatura máxima que pode ser alcançada antes da falha para cada material envolvido .

A corrente contínua máxima é geralmente limitada pelo encapsulamento, o material da lente que protege o diodo. Esse tipo de falha derrete ou torna a lente opaca (geralmente amarela e depois marrom). A corrente contínua máxima pode ser aumentada reduzindo o calor produzido (aumentando a eficiência) ou a condução térmica eficaz. É assim que os LEDs de alta potência são produzidos.

A corrente máxima de pulso é geralmente determinada pelos materiais de transporte atuais. Os condutores têm tão pouca massa que superaquecem rapidamente e falham catastroficamente (isto é, a resposta de Amindo Gosh com o LED explodindo). O caminho de condução superaqueceu e falhou porque não tinha massa suficiente para lidar com o surto atual. Mesmo que o LED tenha uma baixa resistência térmica e possa lidar com grandes correntes contínuas, pode não ser capaz de lidar com muito mais do que em corrente pulsada.

Um LED pode ser pensado em uma cadeia de capacitores térmicos e resistores (resistores em série com capacitores de derivação). O diodo tem uma baixa capacitância, mas também uma baixa resistência térmica. Ele pode drenar o calor rapidamente, mas não aguenta sobretensões. O encapsulamento tem uma alta capacitância, mas também uma alta resistência térmica. Ele lida com sobretensões, mas não pode lidar com grandes correntes contínuas.

Também em relação ao LED acender o tempo. Provavelmente, isso é limitado pelo seu circuito de controle e não pelo LED. Estou familiarizado apenas com os LEDs CREE XLAMP que possuem um tempo de transição de cerca de 10 nanossegundos.

É comum que a seção Classificações máximas absolutas de uma especificação de LED especifique uma corrente maior que a corrente operacional contínua que seria permitida para o dispositivo. Se você exceder a corrente máxima especificada, mesmo por um nanossegundo , no que diz respeito ao fabricante, todas as apostas serão desativadas.

Na prática, é bem provável que, mesmo que a Classificação Máxima Absoluta especifique 500mA, seria possível 1A na peça por 10us, uma vez a cada segundo durante um ano, sem danificar nada. Por outro lado, também é provável que colocar 1A na peça por 10us possa não gerar muito mais luz do que seria obtido se alguém colocasse 500mA por 10us. Não importa quanta energia se ponha em um LED, há um limite quanto à quantidade de luz gerada pelos meios pretendidos (ou seja, por outros meios que não sejam queimar). Como qualquer potência que não seja convertida em luz será convertida em calor, há um ponto além do qual o aumento da corrente de pico afetará adversamente a vida útil da peça muito mais do que a quantidade de luz gerada.

Pode ser que, se a potência não for maior que a classificação do LED, ela poderá ser calculada facilmente se a razão da taxa de pulso em relação ao ciclo de trabalho não exceder o direito de 100% na potência de 20 mA, por exemplo, se a energia estiver assim. usado para converter em luz é linear. Se não for linear, seria uma curva de algum tipo e usaria cálculo para encontrar a curva para encontrar o ponto em que ela excede os parâmetros de projeto. Pode haver um ponto em que o calor não pode ser retirado com rapidez suficiente e, em seguida, interfere na conversão do elétron em fóton. Portanto, se um dissipador de calor puder ser conectado mais diretamente fisicamente ao interior do LED, poderá ser mais rapidamente dissipado pelo calor ou resfriado ativamente. isso tornaria o LED muito menos eficiente em termos de energia, mas o LED poderia ser acionado com mais corrente para diferentes aplicações como estroboscópico, modulações de pulso, etc. Além disso, a saída da banda de onda de um LED é um pouco monocromática, mas alterará sua banda de onda com a temperatura, de modo que poderia ser uma maneira de ajustar a banda de onda do LED para aplicações de monocromater se a mudança na iluminação mudar, corrigida e calibrada. Provavelmente, há um brilho aparente visto pelo olho como sendo mais eficiente ou menos, que nada tem a ver com a eficiência quântica do LED, mas mais com a conversão quântica da química da retina, tamanho da pupila e persistência da visão, e, portanto, deve ser uma conversão de pulso de potência ideal para essa aparente iluminação nos olhos. Além disso, a saída da banda de onda de um LED é um pouco monocromática, mas alterará sua banda de onda com a temperatura, de modo que poderia ser uma maneira de ajustar a banda de onda do LED para aplicações de monocromater se a mudança na iluminação mudar, corrigida e calibrada. Provavelmente, há um brilho aparente visto pelo olho como sendo mais eficiente ou menos, que nada tem a ver com a eficiência quântica do LED, mas mais com a conversão quântica da química da retina, tamanho da pupila e persistência da visão, e, portanto, deve ser uma conversão de pulso de potência ideal para essa aparente iluminação nos olhos. Além disso, a saída da banda de onda de um LED é um pouco monocromática, mas alterará sua banda de onda com a temperatura, de modo que poderia ser uma maneira de ajustar a banda de onda do LED para aplicações de monocromater se a mudança na iluminação mudar, corrigida e calibrada. Provavelmente, há um brilho aparente visto pelo olho como sendo mais eficiente ou menos, que nada tem a ver com a eficiência quântica do LED, mas mais com a conversão quântica da química da retina, tamanho da pupila e persistência da visão e, portanto, deve ser uma conversão de pulso de potência ideal para essa aparente iluminação nos olhos.
De qualquer forma, a interação atual deve se tornar não linear em algum momento e destruir o LED. Talvez resfrie o LED circulando um pouco de óleo resfriado ao redor dele com dissipadores de calor de prata ou ouro nos condutores ou encharcando nitrogênio líquido. Parece que bons condutores de elétrons são bons materiais para transportar o calor e o ouro é quimicamente mais estável que a prata, embora seja caro.