Uso de sobrecorriente dirigida por LED en una lámpara estroboscópica

Me gustaría una lámpara estroboscópica con LED RGB como fuente de luz. Quiero pulsar los LED con pulsos de muy corta duración (idealmente microsegundos o menos) a alrededor de 100 Hz.

Es probable que el tiempo total de encendido de los LED por segundo sea inferior a 1/1000 de segundo. Si los LED funcionan con potencia nominal, la salida de luz total será baja y la iluminación resultante será muy pobre. Estoy interesado en la idea de conducir pulsos muy cortos a través de los LED que son de potencia constante, pero con una corriente muy superior a la nominal. Idealmente, 10x o incluso 100x sobre nominal.

Un hilo aquí: el pulso de alta corriente en el LED sugiere que algunas veces sobre la corriente nominal para pulsos cortos probablemente esté bien, pero creo que están hablando de pulsos más largos de lo que imagino.

¿Podría alguien comentar si es probable que los LED sobrevivan el tiempo suficiente para ser útiles? No me importa una vida total drásticamente reducida. Siempre que sobrevivan unas pocas decenas de horas de uso (el tiempo total probablemente sea menos de una hora), está bien.

Para una respuesta práctica a la pregunta, se requerirán pruebas destructivas de al menos un LED , preferiblemente algunos.

En general:

Los LED se destruyen principalmente por el calor , no tanto por la corriente. Dependiendo de la construcción interna del LED y su rendimiento de disipación térmica a corto plazo, un LED podría sobrevivir 100 veces su corriente nominal. Del mismo modo, si la extracción térmica de la unión no es lo suficientemente rápida, un LED podría destruirse con tan solo 5 veces la corriente nominal.

Dada la duración de pulso deseada mencionada en la pregunta, acabo de intentar lo siguiente:

Tengo un LED rojo barato de 20 mA sin nombre pulsado a 0,8 amperios a 12 voltios, con una duración de pulso de 5 microsegundos , ciclo de trabajo 1/256 ( 0,39% ). No ha explotado en los últimos 15 minutos, de hecho, los cables ni siquiera son perceptiblemente cálidos. Sin embargo, no está muy iluminado, lo que podría deberse en parte a la caída en las formas de onda de conmutación.

Para requisitos similares de sobremarcha de LED, una regla empírica interna que sigo es reducir la calificación de potencia promedio del LED en un 10% por cada 100% de aumento de la corriente del variador sobre el nominal. Creo que esto es demasiado conservador, pero he tenido éxito con una corriente nominal de hasta 30x para las aplicaciones de tipo "flash de cámara" que usan LEDs blancos de Piranha.

¿Esta superación de los valores nominales se consideraría ingeniería aceptable? Ni por asomo.

Actualizar:

1. Después de la prueba con el LED rojo descrito anteriormente, la frecuencia PWM se redujo de tal manera que cada pulso "encendido" se convirtió en 20 microsegundos , desde los 4,88 microsegundos anteriores, manteniendo el ciclo de trabajo igual que antes.

   El resultado fue una verdadera prueba destructiva: el LED explotó espectacularmente , la mitad superior aún no se ha encontrado.

   Hipótesis : con la duración del pulso comparable al tiempo de subida del LED, el LED realmente no se ilumina mucho, ni exhibe los efectos catastróficos térmicos esperados.

2. Mientras se conservaba la duración del pulso de 20 microsegundos y el ciclo de trabajo del 0,39%, se introdujo la limitación de corriente, aumentando sistemáticamente la corriente permitida de 50 mA a más de 400 mA. El LED sobrevive hasta cierto punto y es mucho más brillante que en el caso de 4,88 microsegundos.

   Más allá de alrededor de 350 mA, el LED se apaga, sale humo mágico, es decir, se transforma en SED (emisión de humo, muerto).

   Conclusiones :

   • La potencia promedio no es el único factor que contribuye a la destrucción (o supervivencia), mantener los pulsos demasiado cortos simplemente no permite que el LED se encienda lo suficiente como para importar
   • Con pulsos de 20 microsegundos, el LED de 20 mA sobrevive aproximadamente 17.5 veces su corriente nominal nominal antes de la destrucción
   • Necesito comprar más LEDs.

Un trabajo interesante de Anindo con LED de 20 mA, que siempre entendí que podría sobrecargarse durante ciclos de trabajo cortos, aunque nunca supe cuánto. Pensé que tal vez 10: 1, 40: 1 podría estar presionando!

Sin embargo, esto puede no llevarse tan bien a los LED más nuevos de alto rendimiento que ya se están ejecutando con más fuerza, con un diseño térmico cuidadoso.

Este LED de alta potencia de HP (tos, Avago), por ejemplo, tiene calificaciones "máximas absolutas" explícitas para "corriente de pulso pico" de 2.4A para InGaN, 1.5A para diodos AlInGaP, solo alrededor de 3.5x y 2x la corriente nominal de 700ma. La página 6 de la hoja de datos de este dispositivo tiene lo que desea: gráficos de corriente de pulso versus duración para diferentes ciclos de trabajo.

Una breve revisión de otras hojas de datos LED de alta potencia mostró una (350ma de corriente de diseño) con un "máximo absoluto" de 1.2A con la interesante condición de que no debería alcanzar esta corriente durante 60 segundos acumulativos durante toda la vida útil del producto.

Por lo tanto, aparentemente varía mucho con diferentes marcas y modelos de LED de alta potencia.

La cantidad que se puede sobrecargar un LED depende en gran medida del diseño. Cada LED tiene una temperatura máxima que se puede alcanzar antes de la falla para cada material involucrado .

La corriente continua máxima generalmente está limitada por la encapsulación, el material de la lente que protege el diodo. Este tipo de falla se derrite o vuelve opaca la lente (generalmente amarilla, luego marrón). La corriente continua máxima se puede aumentar reduciendo el calor producido (aumentando la eficiencia) o la conducción térmica efectiva. Así es como se hacen los LED de alta potencia.

La corriente de pulso máxima generalmente está determinada por los materiales portadores de corriente. Los conductores tienen una masa tan pequeña que se sobrecalientan rápidamente y fallan catastróficamente (es decir, la respuesta de Amindo Gosh con el LED que explota). La ruta conductora se sobrecalentó y falló porque no tenía suficiente masa para manejar la sobretensión actual. Incluso si el LED tiene una baja resistencia térmica y puede manejar una corriente continua grande, es posible que no pueda manejar mucho más que eso en corriente pulsada.

Un LED puede pensarse en una cadena de condensadores y resistencias térmicas (resistencias en serie con condensadores de derivación). El diodo tiene una baja capacitancia pero también una baja resistencia térmica. Puede drenar el calor rápidamente pero no puede soportar las sobretensiones. La encapsulación tiene una alta capacitancia pero también una alta resistencia térmica. Maneja sobretensiones pero no puede manejar grandes corrientes continuas.

También con respecto al tiempo de encendido del LED. Lo más probable es que esto esté limitado por su circuito de control, no por el LED. Solo estoy familiarizado con los LED CREE XLAMP que tienen un tiempo de transición de aproximadamente 10 nanosegundos.

Es común que la sección Calificaciones máximas absolutas de una especificación de LED especifique una corriente que sea más alta que la corriente de operación continua que se permitiría para el dispositivo. Si excede esa corriente máxima especificada incluso por un nanosegundo , entonces, en lo que respecta al fabricante, todas las apuestas están desactivadas.

En la práctica, es bastante probable que, incluso si la Clasificación Máxima Absoluta especifica 500 mA, uno solo pudiera 1A a través de la parte por 10us, una vez cada segundo durante un año, sin dañar nada. Por otro lado, también es probable que poner 1A a través de la parte por 10us no genere mucha más luz de la que se obtendría si uno pasara 500mA por 10us. No importa la cantidad de energía que uno pone en un LED, hay un límite en cuanto a la cantidad de luz que generará a través de sus medios previstos (es decir, por otros medios que no sean llamas). Dado que cualquier potencia que se ponga que no se convierta en luz se convertirá en calor, hay un punto más allá del cual el aumento de la corriente máxima afectará negativamente la vida útil de la parte mucho más de lo que afectará la cantidad de luz generada.

Puede ser que si la potencia no es superior a la clasificación del LED, se podría calcular fácilmente si la relación entre la frecuencia del pulso y el ciclo de trabajo no excede el 100% de trabajo a una potencia de 20 mA, es decir, de la forma en que la potencia es usado para convertir a luz es lineal. Si no es lineal, entonces sería una curva de algún tipo y usaría el cálculo para encontrar la curva y encontrar el punto donde excede los parámetros de diseño. Por supuesto, puede haber un punto en el que el calor no se pueda eliminar lo suficientemente rápido y luego interfiera con la conversión de electrones a fotones. Por lo tanto, si un disipador de calor se pudiera unir físicamente más directamente al interior del LED, se podría disipar más fácilmente (eliminar el calor) o enfriarse activamente. Esto haría que el LED sea mucho menos eficiente, pero el LED podría funcionar con más corriente para diferentes aplicaciones como estroboscópicas, modulaciones de pulso, etc. Además, la salida de la banda de onda de un LED es algo monocromática, pero cambiará su banda de onda con la temperatura, por lo que podría ser una forma de sintonizar la banda de onda del LED para aplicaciones de monocromáticos si el cambio en los cambios de iluminación se corrige y calibra. Probablemente haya un brillo aparente visto por el ojo como más eficiente o menos que no tiene nada que ver con la eficiencia cuántica del LED, sino más con la conversión cuántica de la química de la retina y el tamaño de la pupila y la persistencia de la visión, y por lo tanto debería ser una conversión de pulso de potencia óptima para esta iluminación aparente al ojo. Además, la salida de la banda de onda de un LED es algo monocromática, pero cambiará su banda de onda con la temperatura, por lo que podría ser una forma de sintonizar la banda de onda del LED para aplicaciones de monocromáticos si el cambio en los cambios de iluminación se corrige y calibra. Probablemente haya un brillo aparente visto por el ojo como más eficiente o menos que no tiene nada que ver con la eficiencia cuántica del LED, sino más con la conversión cuántica de la química de la retina y el tamaño de la pupila y la persistencia de la visión, y por lo tanto debería ser una conversión de pulso de potencia óptima para esta iluminación aparente al ojo. Además, la salida de la banda de onda de un LED es algo monocromática, pero cambiará su banda de onda con la temperatura, por lo que podría ser una forma de sintonizar la banda de onda del LED para aplicaciones de monocromáticos si el cambio en los cambios de iluminación se corrige y calibra. Probablemente haya un brillo aparente visto por el ojo como más eficiente o menos que no tiene nada que ver con la eficiencia cuántica del LED, sino más con la conversión cuántica de la química de la retina y el tamaño de la pupila y la persistencia de la visión, y por lo tanto debería ser una conversión de pulso de potencia óptima para esta iluminación aparente al ojo.
En cualquier caso, la interacción actual debería volverse no lineal en algún momento y destruir el LED. Quizás enfríe el LED haciendo circular un poco de aceite enfriado a su alrededor con disipadores de calor plateados o dorados en los cables o empapándolos de nitrógeno líquido. Parece que los buenos conductores de electrones son buenos materiales para transportar el calor y el oro es químicamente más estable que la plata, aunque costoso.