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28 ottobre, 2020 770 Visto

Misura della temperatura di giunzione per lampade a filamento LED

Astratto
Il miglioramento e la diffusione delle lampade a filamento LED richiede metodi e strumenti affidabili e accurati per la misurazione della temperatura di giunzione. Sulla base dei metodi di tensione diretta, vengono introdotti il ​​processo di misurazione e l'equipaggiamento delle lampade a filamenti LED. E viene discussa la dipendenza della temperatura di giunzione da vari fattori.

Generale
Sebbene la tecnologia delle lampade a filamento LED sia stata matura per le applicazioni negli ultimi anni, deve ancora affrontare alcune difficoltà nella gestione termica che porteranno a un rapido degrado della luce e a una bassa potenza della lampada e limiteranno l'esplorazione delle applicazioni e le spese di mercato.

La temperatura di giunzione Tj dei LED è la chiave per determinare le prestazioni dell'apparecchio, in particolare il mantenimento e la durata della luce. I metodi e gli strumenti affidabili e accurati di misurazione Tj sono necessari per le lampade a filamento LED, non solo per valutare oggettivamente la razionalità del design termico, ma anche per migliorare la progettazione del sistema e le tecniche di produzione per il bene di una maggiore produttività e di una maggiore durata nominale .

I filamenti LED sono sigillati nel bulbo di vetro riempito di gas, lasciando solo due cavi di polarità all'esterno per il collegamento al driver. Poiché è difficile iniettare termocoppie nel bulbo sigillato o fare in modo che la luce infrarossa trasmetta il vetro, i metodi di temperatura e termografia del perno non possono essere applicati alle lampade a filamento. Il metodo della tensione diretta è la scelta giusta.

Metodo della tensione diretta per la misurazione della temperatura di giunzione
Il metodo di tensione utilizzato per la misurazione Tj dei semiconduttori è stato emesso dal Joint Electron Device Engineering Council (JEDEC). Il Tj è derivato dalla tensione diretta transitoria dei LED alla certa corrente di prova durante il funzionamento, in base alla temperatura caratteristica della giunzione PN.

Alla corrente costante, la tensione di giunzione mantiene la relazione lineare approssimativa con la temperatura per la maggior parte dei semiconduttori, il che rappresenta che la tensione diminuisce monocromaticamente con l'aumentare della temperatura. Per questo motivo la tensione di giunzione VF viene prima testata a più temperature di taratura alla piccola corrente di taratura IM, in modo da calcolare il coefficiente K che rappresenta la relazione tra tensione e temperatura nell'unità [mV /]. Durante la calibrazione, il LED testato viene inserito nel contenitore del termostato per mantenere la temperatura costante. Quindi il LED viene pilotato alla corrente nominale IF per mantenere un funzionamento stabile. La commutazione rapida viene condotta dalla corrente nominale IF al valore di calibrazione IM e la tensione transitoria VF viene misurata nello stato di equilibrio termico. Di conseguenza, la Tj del LED può essere derivata tramite la curva tensione-temperatura da programma PC.

Considerando che l'apparecchio di illuminazione a LED è l'integrazione del sistema che include semiconduttori, componenti meccanici, elementi ottici e driver, i caratteri termici di ciascuna parte possono influire sulle prestazioni complessive del prodotto. Soprattutto per gli apparecchi di illuminazione integrati, il design compatto si traduce nelle interazioni termiche tra LED e driver a seconda del design termico e della forma di installazione. Pertanto, il Tj dell'apparecchio di illuminazione a LED dovrebbe essere valutato dall'intero sistema anziché dai semplici chip LED.

Il filamento è composto da più chip LED in serie, collegati tra loro in serie o in parallelo. Tutti i filamenti sono sigillati nel bulbo della lampada, quindi devono essere misurati nel loro insieme. Per il prodotto standard, la lampadina LED e il driver devono essere separati, lasciando due coppie di cavi di polarità da collegare a LISUN Sistema spettroradiometrico a resistenza termica TRS-1000 per LED. Soddisfa pienamente lo standard LM-80. È inoltre collegata una termocoppia, che aderisce a qualsiasi posizione sulla superficie del bulbo.

La lampadina LED a filamento viene inserita nel contenitore del termostato e quindi la curva tensione-temperatura può essere calibrata quando la temperatura sale passo dopo passo, come mostrato in Figura 1.Per ogni gradino temperatura Tn, viene calibrata la tensione VFn corrispondente fino alla temperatura in il contenitore sale al valore impostato e nel frattempo il filamento LED raggiunge l'equilibrio termico. Si suggerisce che il periodo di stabilità venga determinato automaticamente da LISUN TRS-1000. La corrente di taratura IM viene regolata in base ai parametri della lampada di prova, e si mantiene costante per vari Tn. Quindi la curva VT può essere adattata, come mostrato in Figura 2. Dopo la calibrazione, la lampadina di prova è stata rimossa dal contenitore e riportata alla struttura originale con due coppie di cavi collegati come menzionato sopra. La VF viene registrata ad intervalli regolari dall'accensione all'equilibrio, che viene utilizzato per ricavare la curva sequenziale del Tj. L'apparecchio LED deve essere tenuto nel parabrezza o nell'ambiente senza convezione dell'aria.

La curva Tj di un esempio è illustrata nella Figura 3. La misurazione è stata condotta a temperatura ambiente di 29 ℃ senza vento all'interno. Dopo l'accensione della lampadina, il LED Tj è aumentato e si è stabilizzato a 121.3 ℃ durante la prima fase. Quindi nella seconda fase, lo scarico è stato danneggiato manualmente per effettuare lo scambio d'aria tra il bulbo e l'atmosfera. Il Tj è gradualmente aumentato fino al nuovo equilibrio a 159.5 ℃. La temperatura di riferimento testata dalla termocoppia sulla superficie del bulbo è stata mantenuta a 40.8 ℃ durante il normale funzionamento e aumentata a 46.3 ℃ in condizioni di perdita. Il grande aumento di Tj dopo la fuoriuscita d'aria rappresenta gli effetti significativi dei gas riempiti sulla dissipazione del calore. E il cambiamento della temperatura della superficie del bulbo non ha alcuna relazione con il Tj dei filamenti LED.
L'uscita del driver ha anche un effetto diretto su Tj, come mostrato nella Figura 4. A una temperatura ambiente di 28.3 ℃, la tensione di ingresso della lampada a filamento LED è stata regolata nell'intervallo di 220 ± 10 % per simulare la fluttuazione della tensione di rete. I Tj sono 106.6 ℃, 121.7 ℃ e 137.9 ℃ separatamente a una tensione di 198 V, 220 V e 242 V.

Riferimento:
[1] Standard JEDEC EIA / JESD51-1. Metodo di misurazione termica dei circuiti integrati: metodo di prova elettrica (dispositivo a semiconduttore singolo) [S], 1995.
[2] Xi Y, Schubert E F. Misura della temperatura di giunzione in diodi emettitori di luce ultravioletta GaN utilizzando il metodo della tensione diretta del diodo [J]. Lettere di fisica applicata, 2004, 85 (12): 2163-2165.
[3] CALT 001-2014, Metodo di misurazione della temperatura di giunzione per LED nell'apparecchio [S].
[4] Chen XY, Zhang XG, Yang YL, et al. Misura della temperatura di giunzione con metodo della tensione diretta per apparecchi di illuminazione a LED [C] // The Proceeding of 2015 China LED Lighting Forum. Shanghai, 2015. 238−241

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