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28 Oct, 2020 Vistas 242

Medición de la temperatura de unión para lámparas de filamento LED

Abstract
La mejora y difusión de las lámparas de filamentos LED requiere métodos e instrumentos fiables y precisos para medir la temperatura de la unión. Con base en los métodos de voltaje directo, se introducen el proceso de medición y el equipamiento de las lámparas de filamentos LED. Y se discute la dependencia de la temperatura de la unión en varios factores.

General
Aunque la tecnología de lámpara de filamento LED ha sido madura para aplicaciones en los últimos años, todavía enfrenta algunas dificultades en la gestión térmica que conducirán a una rápida degradación de la luz y poca potencia de la lámpara, y limitarán la exploración de aplicaciones y el gasto del mercado.

La temperatura de unión Tj de los LED es la clave para determinar el rendimiento de la luminaria, especialmente el mantenimiento luminoso y la vida útil. Los métodos e instrumentos confiables y precisos de medición de Tj son necesarios para las lámparas de filamento LED, no solo para evaluar objetivamente la racionalidad del diseño térmico, sino también para mejorar el diseño del sistema y las técnicas de fabricación en aras de una mayor productividad y una vida útil nominal prolongada. .

Los filamentos LED están sellados en la bombilla de vidrio llena de gases, dejando solo dos cables de polaridad afuera para conectarse al controlador. Dado que es difícil inyectar termopares en la bombilla sellada o hacer que la luz infrarroja transmita el vidrio, los métodos de termografía y temperatura de clavijas no se pueden aplicar a las lámparas de filamento. El método de voltaje directo es la elección correcta.

Método de voltaje directo para medir la temperatura de la unión
El método de voltaje utilizado para la medición de Tj de semiconductores fue publicado por el Consejo Conjunto de Ingeniería de Dispositivos Electrónicos (JEDEC). El Tj se deriva de la tensión directa transitoria de los LED a cierta corriente de prueba durante el funcionamiento, según la característica de temperatura de la unión PN.

A la corriente constante, el voltaje de unión mantiene la relación lineal aproximada con la temperatura para la mayoría de los semiconductores, lo que representa que el voltaje disminuye monocromáticamente con el aumento de temperatura. Por esta razón, el voltaje de unión VF se prueba en primer lugar bajo múltiples temperaturas de ajuste a la pequeña corriente de calibración IM, para calcular el coeficiente K que representa la relación entre voltaje y temperatura en la unidad [mV /]. Durante la calibración, el LED probado se coloca en el contenedor del termostato para mantener la temperatura constante. Luego, el LED se activa a la corriente nominal IF para mantener un funcionamiento estable. El cambio rápido se realiza desde la corriente nominal IF hasta el valor de calibración IM, y la tensión transitoria VF se mide en el estado de equilibrio térmico. En consecuencia, la Tj del LED se puede derivar a través de la curva de voltaje-temperatura mediante un programa de PC.

Teniendo en cuenta que la luminaria LED es la integración del sistema que incluye semiconductores, componentes mecánicos, elementos ópticos y controladores, los caracteres térmicos de cada parte pueden influir en el rendimiento general del producto. Especialmente para luminarias integrales, el diseño compacto da como resultado las interacciones térmicas entre el LED y el controlador dependiendo del diseño térmico y la forma de instalación. Por lo tanto, la Tj de la luminaria LED debe ser evaluada por todo el sistema en lugar de los simples chips LED.

El filamento está compuesto por múltiples chips LED en serie, conectados entre sí en serie o en paralelo. Todos los filamentos están sellados en la bombilla de la lámpara, por lo que deben medirse en su conjunto. Para el producto estándar, la bombilla LED y el controlador deben estar separados, dejando dos pares de cables de polaridad para conectarse a LISUN Sistema espectroradiómetro de resistencia térmica TRS-1000 para LED. Cumple completamente con el estándar LM-80. También se conecta un termopar que se adhiere a cualquier posición de la superficie de la bombilla.

La bombilla LED de filamento se coloca en el contenedor del termostato y luego se puede calibrar la curva de voltaje-temperatura cuando la temperatura aumenta paso a paso, como se muestra en la Figura 1 Para cada paso de temperatura Tn, el voltaje VFn correspondiente se calibra hasta que la temperatura en contenedor sube al valor de ajuste y mientras tanto el filamento LED alcanza el equilibrio térmico. Se sugiere que el período estable sea determinado automáticamente por LISUN TRS-1000. La corriente de calibración IM se establece de acuerdo con los parámetros de la lámpara de prueba y se mantiene constante para varios Tn. Por lo tanto, se puede ajustar la curva VT, como se muestra en la Figura 2. Después de la calibración, la bombilla de prueba se retiró del contenedor y se recuperó a la estructura original con dos pares de cables conectados como se mencionó anteriormente. El VF se registra a intervalos regulares desde el encendido hasta el equilibrio, que se utiliza para derivar la curva secuencial de Tj. La luminaria LED debe mantenerse en el parabrisas o en el ambiente sin convección de aire.

La curva Tj de un ejemplo se ilustra en la Figura 3. La medición se realizó a una temperatura ambiente de 29 ℃ sin viento en el interior. Después de que se encendió la bombilla, el LED Tj aumentó y se estabilizó en 121.3 ℃ durante la primera etapa. Luego, en la segunda etapa, el escape se dañó manualmente para hacer el intercambio de aire entre la bombilla y la atmósfera. El Tj aumentó gradualmente hasta el nuevo equilibrio en 159.5 ℃. La temperatura de referencia probada por termopar en la superficie del bulbo se mantuvo a 40.8 ℃ en funcionamiento normal y se elevó a 46.3 ℃ en estado de fuga. El gran aumento de Tj después de la fuga de aire representa los efectos significativos de los gases llenos sobre la disipación de calor. Y el cambio de temperatura de la superficie de la bombilla no tiene relación con la Tj de los filamentos LED.
La salida del controlador también tiene un efecto directo en el Tj, como se muestra en la Figura 4. A una temperatura ambiente de 28.3 ℃, el voltaje de entrada de la lámpara de filamento LED se ajustó en el rango de 220 ± 10 % para simular la fluctuación del voltaje de la red. Los Tj son 106.6 ℃, 121.7 ℃ y 137.9 ℃ por separado a un voltaje de 198 V, 220 V y 242 V.

Referencia:
[1] Estándar JEDEC EIA / JESD51-1. Método de medición térmica de circuitos integrados: método de prueba eléctrica (dispositivo semiconductor único) [S], 1995.
[2] Xi Y, Schubert E F. Medición de la temperatura de unión en diodos emisores de luz ultravioleta GaN utilizando el método de voltaje directo de diodos [J]. Cartas de física aplicada, 2004, 85 (12): 2163-2165.
[3] CALT 001-2014, Método de medida de la temperatura de unión para LED en luminaria [S].
[4] Chen XY, Zhang XG, Yang YL, et al. Medición de la temperatura de unión con el método de voltaje directo para luminarias LED [C] // Actas del Foro de iluminación LED de China 2015. Shanghái, 2015. 238−241

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