Medição de temperatura de junção para lâmpadas de filamento LED

Sumário
O aprimoramento e a difusão das lâmpadas de filamentos de LED requerem métodos e instrumentos confiáveis ​​e precisos para medição de temperatura de junção. Com base nos métodos de tensão direta, são introduzidos o processo de medição e o equipamento das lâmpadas LED com filamentos. E a dependência da temperatura da junção em vários fatores são discutidos.

Geral
Embora a tecnologia da lâmpada de filamento LED tenha amadurecido para aplicações nos últimos anos, ela ainda enfrenta algumas dificuldades no gerenciamento térmico que levarão à rápida degradação da luz e baixa potência da lâmpada, além de limitar a exploração de aplicações e os gastos do mercado.

A temperatura de junção Tj dos LEDs é a chave para determinar o desempenho da luminária, especialmente a manutenção luminosa e a vida útil. Os métodos e instrumentos confiáveis ​​e precisos de medição de Tj são necessários para lâmpadas de filamento de LED, não apenas para avaliar objetivamente a racionalidade do design térmico, mas também para melhorar o design do sistema e os técnicos de fabricação para aumentar a produtividade, bem como aumentar a vida útil nominal .

Os filamentos de LED são selados no bulbo de vidro preenchido com gases, deixando apenas dois terminais de polaridade externos para conectar ao driver. Como é difícil injetar termopares no bulbo selado ou fazer com que a luz infravermelha transmita o vidro, os métodos de termografia e temperatura do pino não podem ser aplicados para lâmpadas de filamento. O método de tensão direta é a escolha certa.

Método de tensão direta para medição de temperatura de junção
O método de tensão usado para medição de Tj de semicondutores foi publicado pelo Joint Electron Device Engineering Council (JEDEC). O Tj é derivado da tensão transiente direta dos LEDs em determinada corrente de teste durante a operação, com base na característica de temperatura da junção PN.

Na corrente constante, a tensão de junção mantém a relação linear aproximada com a temperatura para a maioria dos semicondutores, o que representa que a tensão diminui monocromática com o aumento da temperatura. Por esta razão, a tensão de junção VF é primeiramente testada sob múltiplas temperaturas de configuração na pequena corrente de calibração IM, de modo a calcular o coeficiente K que representa a relação entre tensão e temperatura em unidade [mV /℃] Durante a calibração, o LED testado é colocado no recipiente do termostato para manter a temperatura constante. Em seguida, o LED é acionado na corrente nominal IF para manter a operação estável. A troca rápida é conduzida da corrente nominal IF para o valor de calibração IM, e a tensão transiente VF é medida no estado de equilíbrio térmico. Conseqüentemente, o Tj do LED pode ser obtido através da curva de tensão-temperatura pelo programa de PC.

Considerando que a luminária LED é a integração do sistema incluindo semicondutores, componentes mecânicos, elementos ópticos e também drivers, os caracteres térmicos de cada peça podem ter influência no desempenho geral do produto. Especialmente para luminárias integradas, o design compacto resulta nas interações térmicas entre o LED e o driver dependendo do design térmico e da forma de instalação. Portanto, o Tj da luminária LED deve ser avaliado por todo o sistema em vez dos chips de LED simples.

O filamento é composto por vários chips de LED em série, conectados entre si em série ou em paralelo. Todos os filamentos são selados no bulbo da lâmpada, de modo que devem ser medidos como um todo. Para o produto padrão, a lâmpada LED e o driver devem ser separados, deixando dois pares de cabos de polaridade para conectar LISUN TRS-1000 Sistema Espectrorradiômetro de Resistência Térmica para LED. Atende plenamente o LM-80 padrão. Um termopar também é conectado, aderindo a qualquer posição da superfície do bulbo.

A lâmpada LED de filamento é colocada no recipiente do termostato e, em seguida, a curva tensão-temperatura pode ser calibrada quando a temperatura aumenta passo a passo, conforme mostrado na Figura 1. Para cada etapa de temperatura Tn, a tensão correspondente VFn é calibrada até a temperatura em recipiente sobe para o valor de configuração e, enquanto isso, o filamento de LED atinge o equilíbrio térmico. Sugere-se que o período estável seja determinado automaticamente por LISUN TRS-1000. A corrente de calibração IM é estabelecida de acordo com os parâmetros da lâmpada de teste e mantém-se constante para vários Tn. Portanto, a curva VT pode ser ajustada, conforme mostrado na Figura 2. Após a calibração, o bulbo de teste foi removido do recipiente e recuperado na estrutura original com dois pares de cabos conectados conforme mencionado acima. O VF é registrado em intervalos regulares desde a ignição até o equilíbrio, que é usado para derivar a curva sequencial do Tj. A luminária LED deve ser mantida no para-brisa ou em ambiente sem convecção de ar.

A curva Tj de um exemplo é ilustrada na Figura 3. A medição foi conduzida em temperatura ambiente de 29 ℃ sem vento interno. Depois que a lâmpada foi ligada, o LED Tj aumentou e ficou estável em 121.3 ℃ durante o primeiro estágio. Em seguida, na segunda etapa, o escapamento foi danificado manualmente para fazer a troca de ar entre o bulbo e a atmosfera. O Tj aumentou gradualmente até o novo equilíbrio em 159.5 ℃. A temperatura de referência testada pelo termopar na superfície do bulbo foi mantida a 40.8 ℃ sob operação normal e aumentada para 46.3 ℃ no estado de vazamento. O grande aumento de Tj após o vazamento de ar representa os efeitos significativos dos gases preenchidos na dissipação de calor. E a mudança da temperatura da superfície do bulbo não tem relação com o Tj dos filamentos de LED.
A saída do driver também tem efeito direto sobre o Tj, conforme mostrado na Figura 4. À temperatura ambiente de 28.3 ℃, a tensão de entrada da lâmpada de filamento LED foi ajustada na faixa de 220 ± 10 ％ para simular a flutuação da tensão da rede elétrica. Os Tj são 106.6 ℃, 121.7 ℃ e 137.9 ℃ separadamente na tensão de 198 V, 220 V e 242 V.

Referência:
[1] Padrão JEDEC EIA / JESD51-1. Método de medição térmica de circuitos integrados - método de teste elétrico (dispositivo semicondutor único) [S], 1995.
[2] Xi Y, Schubert E F. Medição de temperatura de junção em diodos emissores de luz ultravioleta GaN usando o método de tensão direta de diodo [J]. Applied Physics Letters, 2004, 85 (12): 2163−2165.
[3] CALT 001-2014, Método de medição da temperatura de junção para LED na luminária [S].
[4] Chen XY, Zhang XG, Yang YL, et al. Medição de temperatura de junção com método de tensão direta para luminária LED [C] // The Proceeding of 2015 China LED Lighting Forum. Xangai, 2015. 238−241

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