Problèmes de fiabilité avec un réseau de 91 LED haute puissance

J'ai conçu et imprimé un PCB à 4 couches pouvant accueillir 91 LED infrarouges dans une disposition rectangulaire 7x13. Il sera utilisé comme rétro-éclairage pour un projet de vision industrielle. J'ai un problème où les LED individuelles s'éteignent ou peuvent être déconnectées du circuit d'une manière ou d'une autre. Je soupçonne que la dissipation thermique peut être la cause du problème.

Image

Disposition PCB

Chaque rangée de 7 LED (texte LED verte) est câblée en série. L'alimentation 12V (VCC powerplane) se connecte à la première LED. Les 6 suivants sont câblés en série. Enfin, une résistance de limitation de courant (texte R vert) relie la dernière LED au plan de masse.

Caractéristiques:

• Avion VCC: alimentation 12V, 2A
• LED: TSHG6200 . 100mA courant nominal maximum.
• Résistance de limitation de courant: 20 ohms
• Soudure: Thermoflow Sn60 / PB40
• Dissipation de puissance totale estimée: 12 V * 0,1 A par ligne * 13 lignes = 15,6 W.
• Taille de la baie: 13 rangées de 7 LED, environ 7 cm x 6 cm

Des mesures

Avec une alimentation 12 V, il y a environ 1,45 V sur chaque LED et environ 2,0 V sur la résistance de limitation de courant, ce qui signifie un courant de 100 mA. Parce que c'est juste au courant maximum autorisé, j'ai mis un gros potentiomètre haute puissance entre l'alimentation et le plan VCC, et l'ai utilisé pour réguler la tension d'entrée pour qu'elle soit légèrement inférieure (11,5 V environ). Cela obtient le courant en toute sécurité en dessous de la quantité maximale autorisée.

J'utilise également une paire Darlington pour contrôler le rétro-éclairage avec un Arduino. Le rétroéclairage est allumé presque tout le temps et est parfois désactivé pendant environ 30 ms. Je ne pense pas que cela soit pertinent au problème, mais je peux fournir plus de détails si nécessaire.

Problème

Après environ 10-30 minutes d'utilisation, une ou plusieurs rangées de LED s'éteignent. Si je mesure la tension aux bornes de chaque LED de la ligne interrompue, la plupart des LED sont à environ 0,8 V et l'une a environ 8,0 V à travers. Aucun courant ne circule. Parfois, ressouder les broches ou taper sur la LED résout ce problème. Parfois, il doit être remplacé. En tout cas, je n'ai que 10 à 30 minutes d'utilisation avant qu'une autre ne s'éteigne.

Une autre observation est que tout le côté arrière de la planche est un peu collant. Vous pouvez le voir dans l'image ci-dessus. Je me demande s'il fait trop chaud et que la soudure est compromise (peut-être exsudant un flux ??).

Question

Que dois-je essayer d'améliorer la fiabilité? J'ai déjà essayé de le faire fonctionner à une tension inférieure pour faire passer le courant en dessous du maximum nominal. Je me demande si j'ai besoin d'utiliser un autre type de soudure? Ou une sorte de dissipateur thermique? Les LED deviennent chaudes au toucher mais pas insupportablement.

Modifier, après avoir essayé les suggestions

Merci à tous pour les conseils! J'ai fait quelque chose d'assez simple - pointé un ventilateur d'ordinateur pour souffler de l'air à travers la baie - et cela a fonctionné de manière fantastique! Je suppose que c'est vraiment évident pour beaucoup d'entre vous, mais j'ai été surpris de voir à quel point la différence était énorme.

Sans ventilateur:

• 25mA par ligne -> 39C
• 33mA par ligne -> 41C
• 40mA par ligne -> 48C
• 55mA par ligne -> 52C

On entre donc dans la "zone dangereuse" de la température bien avant d'atteindre le courant maximum par LED.

Avec ventilateur:

• 35mA par ligne -> 26C
• 60mA par ligne -> 30C
• 90mA par ligne -> 34C

Je l'ai fait fonctionner à 90mA par ligne et à 34C pendant plus d'une heure sans aucun problème. Génial!

Vous avez déjà trouvé la réponse: vos LED deviennent chaudes. 15 watts peuvent ne pas sembler beaucoup, mais cela accumule et tue vos LED. Je vous suggère d'obtenir une thermistance et de la fixer au centre de la carte, puis de surveiller la température pendant le fonctionnement du système. Encore mieux, attachez-le au corps de l'une des LED.

Parce que vous l'utilisez comme rétro-éclairage, n'utilisez pas de LED à faisceau étroit. Utilisez des faisceaux relativement larges et séparez-les afin que l'air puisse y circuler. Si vous pouvez trouver une source, disons, de LED à 35 degrés, installez uniquement toutes les autres en damier, en soudant le cavalier si nécessaire. Vous n'obtiendrez que la moitié de la luminosité totale, mais c'est à peine perceptible, et l'amélioration du flux d'air devrait être d'une grande aide. Vous devrez peut-être également fournir un ventilateur avec des conduits pour maintenir le flux d'air à travers le réseau adéquat.

Et incluez toujours un moniteur de température. Bien qu'elle ne soit pas directement applicable, cette vidéo YouTube montre les principes du refroidissement. Dans votre cas, comme vous avez une forêt de LED verticales, il est important de ne pas laisser les LED se toucher, car cela bloquera la circulation de l'air.

De la fiche technique:

Figure 1. Courant direct maximal absolu.

et plus loin:

Figure 2. Déclassement du courant LED à température élevée.

Le courant et la température sont vos problèmes. Vous courez au courant maximum absolu sans salle de manœuvre et vous permettez à la température d'augmenter. À une température ambiante de 60 °, le courant maximal autorisé diminue considérablement.

Un rapide google pour «dissipateur de chaleur à LED» vous trouvera de nombreuses solutions appropriées pour refroidir vos LED qui s'éteignent. Ma recommandation initiale serait cependant de transformer le haut du PCB en une couche de dissipateur thermique et d'utiliser un adhésif thermique pour y coller les LED. J'ai peur que ce soit plus à souder, mais bon ho.

Pour plus d'informations, j'ai trouvé que Wikipedia a un lien vers diverses technologies de refroidissement LED qui peuvent être intéressantes.