La potenza dei led

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Enotria

2016-11-03 15:35

Sapete cos'è un "rosghino" ?

E' un problema che ti gira per la testa, quasi lo tocchi, ma non riesci mai a trovarne la soluzione.  O_o

Ed io, qui al Ospizio dei Vecchietti, ne ho uno che gira, gira, ma non riesco a trovarci il capo. 

Riguarda l'elettronica ed i led in particolare. 

Di led ormai ve ne sono di tantissimi tipi e nella vita pratica li usiamo un po' ovunque.

Finché il led è dentro nel suo blister, tutto va bene: c'è scritto su la tensione di lavoro, la corrente massima, la temperatura di giunzione, tutto perfetto per capire con chi abbiamo a che fare e come lo dobbiamo usare.

Ma poi vi capita in mano un led, solo soletto, magari smontato da qualche strumento e voi lo vorreste usare, ma come ?

Forse l'aspetto esteriore un po' vi aiuta, ma fino ad un certo punto e con grande approssimazione.

Diodi_LED.JPG
Diodi_LED.JPG

Vari tipi di led

Una volta, si vedeva anche ad occhio il numero delle giunzioni, per cui almeno la tensione di lavoro era ipotizzabile, ma poi, tanto per complicare la vita ai vecchietti come me, hanno inventato i led COB (Chip On Board), e con quelli non si capisce più nulla.

Dopo questa premessa, veniamo al problema da risolvere.

Dato un led qualsiasi, di aspetto e dimensioni qualsiasi, progettare un dispositivo che ci possa indicare, con buona approssimazione, i dati limite di funzionamento: almeno tensione massima e corrente massima, ancora meglio se possiamo avere indicazioni anche sulla temperatura massima della giunzione.

Vi dico intanto che strada ho preso io, anche se poi non ne vedo la fine.

La tensione di lavoro è certamente la più facile da scoprire: si può aumentare la tensione poco per volta, misurando nello stesso tempo la corrente e la luminosità emessa. Quando ho un brusco aumento di assorbimento, contemporaneo all'emissione di luminosità, posso leggere la tensione e capire quindi il numero delle giunzioni che sono collegate in serie. Se invece avessi l'aumento della corrente, ma senza luminosità emessa, avrei dei dubbi sulla efficienza stessa del led.

E arriviamo ora alla mia bestia nera, la corrente massima sopportabile.  *Sbav*

L'unico dispositivo che ipotizzo è un generatore di tensione certamente più alta della Vmax con in serie un buon controllo a corrente costante. 

Aumento pian piano la corrente erogata . . .  si, ma fino a quando ?

Non posso arrivare a bruciare il led, devo fermarmi prima, altrimenti faccio come quello che controllava i cerini accendendoli uno ad uno.  *clap clap*

Una soluzione potrebbe essere aggiungere un controllo sulla temperatura della giunzione, ma come ? E, sopratutto, come renderla facilmente attuabile ? Considerate anche che alcuni led prevedono l'utilizzo di un dissipatore, altri no. Ed allora dove lo metto il mio sensore di temperatura ? Guardate la foto sopra, nei vari casi, dove fate la misura ?

Ed anche avendo una misura attendibile della temperatura, come la utilizzate per valutare la massima corrente sopportabile ?

Io a questo punto sono fermo, ho la mia brava basetta con Arduino già pronta ma orfana dei componenti, ma ho il cervello che continua a girare a vuoto e non vedo altre soluzioni.

Avete idee su come proseguire ?

*yuu*

arkypita

2016-11-04 10:18

Ciao Enotria Hai una bella gatta da pelare! Le curve V-I dei diodi led, anche a parità di potenza, sono le più varie. Prova a guardare un po' di datasheet e ti accorgi subito di come a parità di potenza dichiarata due diversi diodi possano avere grosse differenze sulla tensione di lavoro e - anche a parità di numero di giunzioni in serie e tensione di lavoro - diverse correnti di lavoro e di picco (per via delle diverse efficienze, processi produttivi e delle diverse dissipazioni). Quindi risulta molto difficile stabilire i parametri di lavoro corretti del led solamente con una analisi V/I. La tua intuizione sulla temperatura è una buona strada. La massima temperatura di lavoro per la giunzione è di 100-150° ma ovviamente non va mai raggiunta. La temperatura consigliata sul dissipatore non dovrebbe superare i 50° (dato confermato da varie parti). Però il dissipatore montato è solo un primo livello di dissipatore, in quanto è previsto che il chip vada montato su una superficie dissipante più ampia (le cui specifiche sono diverse in base all'efficienza del diodo specifico e ai wattaggi da dissipare). Quindi se ipotizzi di misurare la temperatura sul dissipatore e vedere a quale valore di corrente raggiungi i 50° fai un'errore, perché in realtà la vera corrente di lavoro è più alta in quanto è previsto che il diodo lavori con un ulteriore dissipatore. Nel concreto, se dovessi recuperare un led di potenza e parametri ignoti io lavorerei così: - lo lascerei attaccato al suo dissipatore originale se disponibile - se avessi solo il chip lo avviterei ad un blocchetto di alluminio medio/grande (dimensionato in base alle dimensioni del chip) con un po' di pasta termoconduttrice - collegherei un alimentatore controllato in corrente, e salirei con la corrente fino a quando inizio a vedere una minima luminosità. Qui leggerei la tensione che è la tensione di soglia dovuta al numero di giunzioni in serie. - salirei in corrente a step del 10% sulla corrente di soglia e lascerei al dissipatore il tempo di scaldarsi (1min ogni step?) - terrei monitorata la temperatura sul dissipatore integrato del chip, e interromperei gli incrementi quando raggiungo una temperatura di 50° - la temperatura potrebbe salire ancora un po' per via dell'inerzia termica, scendo eventualmente di qualche step - quando trovo una corrente per cui riesco a mantenere il dissipatore a 50° posso ritenerla la corrente massima di lavoro - decreto una corrente di sicurezza un po' più bassa (per uso continuo), ed una corrente di picco un po' più alta (per uso pulsato) , e mi li decreto come limiti di utilizzo del mio led, correttamente dissipato. La procedura è un po' lenta, però mi sembra l'unica strada percorribile se vuoi parametrizzare il tuo led con precisione. Se automatizzi il tutto con un controllo arduino, puoi retroazionare il tuo sistema e farlo molto più responsivo e veloce. Fai salire rapidamente e con continuità la corrente (non serve fare gli step e non serve aspettare 1min) rallentando all'avvicinarsi dei 50° La temperatura la puoi misurare un un sensore IR che ha una risposta pressoché immediata, così ti elimini l'inerzia termica del sensore. https://www.sparkfun.com/products/9570 http://www.ebay.it/itm/MLX90614-Contactless-IR-infrared-Temperature-Sensor-Module-IIC-for-Arduino-/401003340320?hash=item5d5da96220:g:1x0AAOSw4HVWC093 http://www.freetronics.com.au/products/irtemp-ir-temperature-sensor-module#.WBxjCfl96Uk

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Roberto

2016-11-04 10:44

Prova a alimentare il led con una tensione superiore a quella di lavoro e con corrente al minimo  (con alimentatore controllato in V e in A) poi misura la tensione ai capi del led, vedrai che all'inizio sarà  bassissima e il led spento o quasi, aumenta la corrente e vedrai salire la tensione e il led accendersi poi ad un certo punto la tensione si manterrà costante, un pò come se il diodo led si comportasse da diodo zener fermati ora hai due parametri la tensione di lavoro del led e se la misuri, la corrente minima dello stesso, aumenta leggermente la corrente fino a che vedrai aumentare decisamente la tensione ai capi di alcuni mV, fermati ora puoi misurare la corrente massima la corrente ideale del led è la media tra la Amax e la Amin con i led comuni funziona ma credo che sia valido anche per quelli combinati l'unica eccezione sono quelli che montano un chip di regolazione in questo caso opera come descritto da Arkypita. PS Puoi proteggere per sicurezza il led con una resistenza in serie all'alimentazione di circa 100 ohm o meno fai varie prove, auguri :-) Roberto

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arkypita

2016-11-04 11:15

Roberto ha scritto:

aumenta la corrente e vedrai salire la tensione e il led accendersi poi ad un certo punto la tensione si manterrà costante, un pò come se il diodo led si comportasse da diodo zener

Non credo che possa funzionare, un diodo led è ben diverso da un diodo zener.

La frase "ad un certo punto la tensione si manterrà costante" non è valida per i Led ed è banalmente verificabile leggendo le curve V-I che si possono trovare sui datasheet.

http://www.farnell.com/datasheets/1636581.pdfLed 1W

http://www.wayjun.com/Datasheet/Led/High%20Brightness%201W%20High%20Power%20White%20LED.pdfLed 1W

http://www.4n-galaxy.de/pdf/5WLED.pdfLed 5W

http://www.kosmodrom.com.ua/pdf/ARPL-10W.pdfLed 10W

La curva V-I caratteristica per ogni led è diversa, anche a parità di potenza, e non c'è relazione tra la tensione di soglia di conduzione e la tensione corrispondente alla corrente di lavoro.

Enotria

2016-11-04 11:17

Un grazie ad entrambi.

Quindi anche per voi la strada è percorribile e la temperatura può venire utilizzata per avere una indicazioni di quanto il led stia sforzando.

Stavo pensando anche ad un altro indicatore che potrebbe essere utile: l'incremento della luminosità emessa.

Immagino che la luce emessa sia prima nulla, poi fioca, poi man mano cresce la corrente aumenta ma, ad un certo punto non aumenta più, se anche aumento ancora la corrente, il di più va a finire in calore.

Allora, se io metto una fotocellula che controlla la luminosità, quando la luce non aumenta più, dovrei essere al massimo della corrente sopportata.

Bravi, vi riservo un posticino anche per voi qui all'Ospizio dei Vecchietti, naturalmente per quando sarà ora !  :-D

Roberto

2016-11-04 11:22

Bah con i led comuni la cosa avviene come descritto forse sbaglierò ma intorno alla tensione di lavoro  il led trasforma l'eccesso di corrente in luce e calore e in pratica stabilizza la tensione chiaramente non è uno zener ma il fenomeno è ben controllabile lo misuro da 20 anni  e in pratica è così poi a volte la teoria va lasciata ai più esperti io parlo solo per esperienza vissuta  :-D   Ps Enotria fissa pure che ho già raggiunto il tempo delle mele ... cotte! Roberto.

arkypita

2016-11-04 11:25

Roberto ha scritto:

e se la misuri, la corrente minima dello stesso, aumenta leggermente la corrente fino a che vedrai aumentare decisamente la tensione ai capi di alcuni mV, fermati ora puoi misurare la corrente massima

Il fatto è che "di alcuni mV" è una indicazione piuttosto approssimativa: per alcuni LED 500mV sono già tanti, per altri led può significare tranquillamente 2-4V, .

Per esempio su un led da 30W che ho avuto modo di testare, la tensione variava dai 30V ai 34V tra il punto in cui il led si accendeva e il punto in cui raggiungevo la corrente di lavoro di targa. Questo range dipende sia dal numero di giunzioni serie, sia dal tipo di led e dal processo produttivo dello stesso.


P.s. se parliamo dei led comuni da 5mm il discorso è tutto diverso.

20mA di corrente vanno bene per la stragrande maggioranza dei led

30mA se sono ad alta luminosità

non c'è chissà quale variabilità.

ma se parliamo di chip led la cosa si complica e non poco

Roberto

2016-11-04 11:40

a Ok io parlavo evidentemente del led A -B monogiunzione e senza chip ma non sempre sono così  scontati le tensioni vanno da 1,2 a 4,5 v l correnti da 20 mA a 60mA e oltre parametri che occorre conoscere per calcolare la resistenza adatta. La variazione in mV si nota già intorno al 10% e già siamo fuori della Amax ammissibile. es ai capi del led: 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,2 1,2 1,2 1,3 1,4 1,5 oppure 2,0 3,0 4,0 4,5 4,5 4,5 4,5 5,0 5,5 6,0 ....................................................20mA......................................................................50mA.................. Roberto

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arkypita

2016-11-04 11:41

Enotria ha scritto:

Stavo pensando anche ad un altro indicatore che potrebbe essere utile: l'incremento della luminosità emessa.

Immagino che la luce emessa sia prima nulla, poi fioca, poi man mano cresce la corrente aumenta ma, ad un certo punto non aumenta più, se anche aumento ancora la corrente, il di più va a finire in calore.

Esiste un punto dove la luminosità smette di aumentare (significativamente) ma questo flesso si trova più alto della corrente di lavoro, dove invece la zona è ancora abbastanza lineare.

Anche questo lo leggi su un datasheet ed è la tabella current vs luminus flux anche se su molti datasheet è troncata prima del flesso, perché fuori dalla zona di lavoro consigliata

A conti fatti quello che succede è proprio quello che descrivi tu: man mano che si sale in corrente si ha una diminuzione dell'incremento di luminosità ed un aumento del calore prodotto.

Però non contare di parametrizzare il tuo LED andando a cercare il punto in cui la luminosità non aumenta più perché se lo trovi ormai è troppo tardi!


Roberto ha scritto:

a Ok io parlavo evidentemente del led A -B monogiunzione e senza chip ma non sempre sono così 

scontati le tensioni vanno da 1,2 a 4,5 v l correnti da 20 mA a 60mA e oltre parametri che occorre

conoscere per calcolare la resistenza adatta.

Io uso ElectroDroid su android che ha un calcolatore molto comodo con già pre-impostati i valori di corrente e tensione dei più comuni led da 5mm

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Roberto

2016-11-04 17:22

Un ultimo dubbio Arkypita, cosi esauriamo l'argomento, se un led di potenza possiede un driver stabilizzatore 

e lo danno per alimentazioni da es 24-35 v essendo stabilizzato non dovrebbe  variare di luminosità al variare

della tensione nel suo range,  al limite variare solo in calore emesso dal suo stabilizzatore ? 

Il grafico che hai postato si riferisce solo al led o tutto l'insieme... Led+chip ?

arkypita

2016-11-04 21:29

Quando parlo di chip in questo contesto intendo dire i led montati su piastra dissipatrice, non di led con integrato un chip di controllo della corrente. Mi rendo conto di aver usato il termine in maniera impropria, e da qui alcuni fraintendimenti.

Per capirci i modelli C,D,E, etc dell'immagine.

Il driver è di norma esterno, non mi risultano led con driver incorporato.

Il grafico si riferisce al solo LED