Utilisation d'une surintensité entraînée par LED dans une lampe stroboscopique

J'aimerais une lampe stroboscopique utilisant des LED RVB comme source de lumière. Je veux pulser les LED avec des impulsions de très courte durée (idéalement microsecondes ou moins) à environ 100 Hz.

Le temps total d'activation des LED par seconde est susceptible d'être inférieur à 1/1000 de seconde. Si les LED sont entraînées à la puissance nominale, la puissance lumineuse totale sera faible et l'éclairage résultant sera très faible. Je suis intéressé par l'idée de faire passer des impulsions très courtes à travers les LED à puissance constante, mais avec un courant bien supérieur au nominal. Idéalement, 10x ou même 100x au-dessus de la valeur nominale.

Un fil ici: High Current Pulse on LED suggère que plusieurs fois le courant nominal pour les impulsions courtes est probablement correct, mais je pense qu'ils parlent d'impulsions plus longues que je ne l'imagine.

Quelqu'un pourrait-il dire si les LED sont susceptibles de survivre assez longtemps pour être utiles? Cela ne me dérange pas une durée de vie totale considérablement réduite. Tant qu'ils survivront pendant quelques dizaines d'heures d'utilisation (temps total probablement inférieur à une heure), c'est très bien.

Pour une réponse pratique à la question, des tests destructifs d'au moins une LED , de préférence quelques-uns, seront nécessaires.

Largement:

Les LED sont principalement détruites par la chaleur , pas tant par le courant. Selon la construction interne de la LED et ses performances de dissipation thermique à court terme, une LED pourrait théoriquement survivre à 100 fois son courant nominal. De même, si la prise thermique de la jonction n'est pas assez rapide, une LED pourrait bien être détruite par 5 fois le courant nominal.

Étant donné la durée d'impulsion souhaitée mentionnée dans la question, je viens d'essayer ce qui suit:

J'ai une LED rouge 20 mA sans nom bon marché pulsée à 0,8 ampère à 12 volts, avec une durée d'impulsion de 5 microsecondes , un rapport cyclique 1/256 ( 0,39% ). Il n'a pas explosé au cours des 15 dernières minutes, en fait les fils ne sont même pas visiblement chauds. Cependant, il n'est pas très éclairé - ce qui pourrait être en partie dû à l'affaissement des formes d'onde de commutation.

Pour des exigences similaires de surmultiplication des LED, une règle de base interne que je suis consiste à réduire la puissance nominale moyenne de la LED de 10% pour chaque augmentation de 100% du courant du variateur par rapport à la valeur nominale. Je crois que cela est trop conservateur, mais j'ai eu du succès avec jusqu'à 30 fois le courant nominal pour les applications de type "flash d'appareil photo" utilisant des LED Piranha blanches.

Ce dépassement des valeurs nominales serait-il considéré comme une ingénierie acceptable? Pas de loin.

Mise à jour:

1. Après le test avec la LED rouge décrite ci-dessus, la fréquence PWM a été réduite de telle sorte que chaque impulsion "allumée" est devenue 20 microsecondes , par rapport aux 4,88 microsecondes précédentes, en gardant le rapport cyclique le même qu'avant.

   Le résultat a été un véritable test destructif: la LED a explosé de manière spectaculaire , la moitié supérieure n'a toujours pas été trouvée.

   Hypothèse : la durée de l'impulsion étant comparable au temps de montée de la LED, la LED ne s'éclaire pas vraiment beaucoup et ne présente pas les effets catastrophiques thermiques attendus.

2. Tout en conservant la durée d'impulsion de 20 microsecondes et le rapport cyclique de 0,39%, une limitation de courant a été introduite, augmentant systématiquement le courant autorisé de 50 mA à plus de 400 mA. La LED survit jusqu'à un point et est beaucoup plus lumineuse que dans le cas de 4,88 microsecondes.

   Au-delà d'environ 350 mA, la LED s'éteint, de la fumée magique sort, c'est à dire qu'elle se transforme en SED (Smoke Emitting, Dead).

   Conclusions :

   • La puissance moyenne n'est pas le seul facteur contribuant à la destruction (ou à la survie), garder des impulsions trop courtes ne permet tout simplement pas à la LED de s'allumer suffisamment pour avoir de l'importance
   • Avec des impulsions de 20 microsecondes, la LED 20 mA survit environ 17,5 fois son courant nominal avant sa destruction
   • J'ai besoin d'acheter plus de LED.

Un travail intéressant d'Anindo sur des LED 20mA, dont j'ai toujours compris qu'il pouvait être surchargé pour des cycles de service courts, même si je ne savais pas combien. J'ai pensé que peut-être 10: 1, 40: 1 le poussaient!

Cependant, cela peut ne pas s'appliquer également aux nouvelles LED haute performance qui sont déjà plus difficiles à utiliser, avec une conception thermique soignée.

Cette LED haute puissance de HP (toux, Avago), par exemple, a des valeurs nominales «absolues max» explicites pour le «courant de crête de pulsation» de 2,4 A pour les diodes InGaN, 1,5 A pour les diodes AlInGaP, seulement environ 3,5x et 2x le courant nominal de 700 mA. La page 6 de la fiche technique de cet appareil contient ce que vous voulez: des graphiques de courant d'impulsion en fonction de la durée pour différents cycles d'utilisation.

Un bref examen des autres fiches techniques des LED haute puissance en a montré une (courant nominal de 350 mA) avec un "maximum absolu" de 1,2 A, à la condition intéressante qu'elle ne devrait pas atteindre ce courant pendant 60 secondes cumulées pendant toute la durée de vie du produit.

Donc, cela varie apparemment beaucoup avec différentes marques et modèles de LED haute puissance.

La quantité qu'une LED peut être sur-pilotée dépend fortement de la conception. Chaque LED a une température maximale qui peut être atteinte avant défaillance pour chaque matériau impliqué .

Le courant continu maximum est généralement limité par l'encapsulation, le matériau de la lentille qui protège la diode. Ce type d'échec fond, ou rend la lentille opaque (généralement jaune, puis brune). Le courant continu maximum peut être augmenté en réduisant la chaleur produite (augmentation de l'efficacité) ou une conduction thermique efficace. C'est ainsi que les LED haute puissance sont fabriquées.

Le courant d'impulsion maximum est généralement déterminé par les matériaux porteurs de courant. Les conducteurs ont une masse si faible qu'ils surchauffent rapidement et échouent de manière catastrophique (c'est-à-dire la réponse d'Amindo Gosh avec la LED qui explose). La voie conductrice a surchauffé et a échoué parce qu'elle n'avait pas assez de masse pour supporter la surtension actuelle. Même si la LED a une faible résistance thermique et peut gérer un courant continu important, elle peut ne pas être en mesure de gérer beaucoup plus que celle en courant pulsé.

Une LED peut être pensée comme une chaîne de condensateurs thermiques et de résistances (résistances en série avec condensateurs de dérivation). La diode a une faible capacité mais également une faible résistance thermique. Il peut évacuer rapidement la chaleur mais il ne peut pas gérer les surtensions. L'encapsulation a une capacité élevée mais également une résistance thermique élevée. Il gère les surtensions mais ne peut pas gérer un courant continu important.

En ce qui concerne également le temps d'allumage des LED. Ceci est très probablement limité par vos circuits de contrôle et non par la LED. Je ne connais que les LED CREE XLAMP qui ont un temps de transition d'environ 10 nanosecondes.

Il est courant que la section Absolute Maximum Ratings d'une spécification LED spécifie un courant qui est supérieur au courant de fonctionnement continu qui serait autorisé pour l'appareil. Si vous dépassez ce courant maximum spécifié même pendant une nanoseconde , alors pour le fabricant, tous les paris sont désactivés.

En pratique, il est très probable que même si la valeur maximale absolue spécifie 500mA, on ne peut que 1A à travers la pièce pendant 10us, une fois par seconde pendant un an, sans endommager quoi que ce soit. D'un autre côté, il est également probable que mettre 1A à travers la pièce pour 10us ne produise pas beaucoup plus de lumière que ce qui serait obtenu si l'on passait à 500mA pour 10us. Quelle que soit la puissance que l'on met dans une LED, il y a une limite à la quantité de lumière qu'elle va générer via les moyens prévus (c'est-à-dire autrement que par le feu). Étant donné que toute puissance injectée qui n'est pas convertie en lumière sera convertie en chaleur, il existe un point au-delà duquel l'augmentation du courant de crête affectera la durée de vie de la pièce beaucoup plus qu'elle n'affectera la quantité de lumière générée.

Il se peut que si la puissance n'est pas supérieure à la valeur nominale de la LED, elle pourrait être calculée facilement si le rapport de la fréquence du pouls au rapport cyclique ne dépasse pas le service de 100% à une puissance de 20 mA, c'est-à-dire si la façon dont la puissance est utilisé pour convertir en lumière est linéaire. S'il n'est pas linéaire, ce serait une courbe quelconque et utiliser le calcul pour trouver la courbe pour trouver le point où elle dépasse les paramètres de conception. Il peut y avoir un moment où la chaleur ne peut pas être évacuée assez rapidement et interfère alors avec la conversion de l'électron en photon. Par conséquent, si un dissipateur de chaleur pouvait être plus directement lié physiquement à l'intérieur de la LED, il pourrait être plus facilement (évacuer la chaleur) dissipé ou refroidi activement. cela rendrait la LED beaucoup moins économe en énergie, mais la LED pourrait alors être entraînée avec plus de courant pour différentes applications telles que stroboscopique, modulations d'impulsions, etc. De plus, la sortie de la bande d'ondes d'une LED est quelque peu monochromatique, mais changera sa bande d'ondes avec la température, ce qui pourrait être un moyen d'ajuster la bande d'ondes de la LED pour les applications monochromateurs si le changement des changements d'éclairage est corrigé et calibré. Il y a probablement une luminosité apparente vue par l'œil comme étant plus efficace ou moins n'ayant rien à voir avec l'efficacité quantique de la LED mais plus à voir avec la conversion quantique de la chimie rétinienne et la taille de la pupille et la persistance de la vision, et donc là devrait être une conversion d'impulsion de puissance optimale pour cet éclairage apparent à l'œil. De plus, la sortie de la bande d'ondes d'une LED est quelque peu monochromatique, mais changera sa bande d'ondes avec la température, ce qui pourrait être un moyen d'ajuster la bande d'ondes de la LED pour les applications monochromateurs si le changement des changements d'éclairage est corrigé et calibré. Il y a probablement une luminosité apparente vue par l'œil comme étant plus efficace ou moins n'ayant rien à voir avec l'efficacité quantique de la LED mais plus à voir avec la conversion quantique de la chimie rétinienne et la taille de la pupille et la persistance de la vision, et donc là devrait être une conversion d'impulsion de puissance optimale pour cet éclairage apparent à l'œil. De plus, la sortie de la bande d'ondes d'une LED est quelque peu monochromatique, mais changera sa bande d'ondes avec la température, ce qui pourrait être un moyen d'ajuster la bande d'ondes de la LED pour les applications monochromateurs si le changement des changements d'éclairage est corrigé et calibré. Il y a probablement une luminosité apparente vue par l'œil comme étant plus efficace ou moins n'ayant rien à voir avec l'efficacité quantique de la LED mais plus à voir avec la conversion quantique de la chimie rétinienne et la taille de la pupille et la persistance de la vision, et donc là devrait être une conversion d'impulsion de puissance optimale pour cet éclairage apparent à l'œil.
Dans tous les cas, l'interaction actuelle devrait devenir non linéaire à un moment donné et détruire la LED. Peut-être refroidir la LED en faisant circuler de l'huile refroidie autour d'elle avec des dissipateurs de chaleur en argent ou en or sur les fils ou tremper dans de l'azote liquide. Il semble que les bons conducteurs d'électrons soient de bons matériaux pour évacuer la chaleur et l'or est chimiquement plus stable que l'argent bien qu'il soit cher.