¿Cómo calcular la temperatura de unión a ambiente del LED?

Este es un LED de alta potencia. Está diseñado para disipar la gran mayoría de su calor a través de las juntas de soldadura. Por lo tanto, debe calcular la resistencia térmica del panel de soldadura al ambiente de la placa de circuito en la que desea soldarlo. Por supuesto, esto se puede calcular en función de las dimensiones de las características de cobre en su placa, pero el método más fácil puede ser simplemente soldar el LED a una placa y medir la temperatura en la unión de soldadura para algunos niveles de potencia diferentes.

A diferencia de otros dispositivos semiconductores como los transistores, conectar un disipador de calor al dispositivo no es muy útil ya que bloqueará la luz.

La página 12 de la hoja de datos dice:

La corriente directa máxima está determinada por la resistencia térmica entre la unión del LED y el ambiente. Es crucial que el producto final se diseñe de manera que minimice la resistencia térmica desde el punto de soldadura hasta el ambiente para optimizar la vida útil de la lámpara y las características ópticas. [Énfasis mío.]

Figura 1. Las cifras de resistencia térmica solo se indican para la unión al punto de soldadura. Esto implica que la unión al aire (a través de la lente) no es significativa.

Debería poder diseñar para cumplir con las especificaciones de la almohadilla de soldadura al final del documento y seguir las curvas de calificación que se dan.

Figura 2. Área de operación segura actual frente a temperatura ambiente.

Otras lecturas:

• Nota de aplicación de mantenimiento de lúmenes a largo plazo de Cree .
• Nota de aplicación de gestión térmica de Cree .

calcular la unión a la temperatura ambiente

Supongo que esto significa calcular la temperatura de la unión del aire ambiente.

Sé cómo calcular esto:
Junction Temp = Unión a la caja + Caja al disipador de calor + Disipador de calor al ambiente + Ambiente

No creo que lo hagas. Esa es una fórmula sin sentido. Y no está claro si se refiere a la temperatura o la resistencia térmica porque sus términos no tienen las etiquetas adecuadas. ¿Caso a cruce qué? ¿Temperatura? ¿Resistencia termica?

Para calcular la temperatura de unión (T _j ), necesita saber cuánta potencia térmica (calor) se genera y cuánto de este calor se disipa.

Si quiero saber cuál es la unión a la temperatura ambiente, ¿cómo calculo esto a partir de la hoja de datos?

No existe tal cosa como " unión a temperatura ambiente "

Hay temperatura de unión, temperatura ambiente y resistencia térmica de unión a ambiente.

Muy poca de esta información proviene de la hoja de datos.

Para calcular la cantidad de vatios que se disiparán, debe conocer los vatios eléctricos que se consumen y los vatios radiantes emitidos por el LED.

Los vatios eléctricos provienen de la curva IV.

Para calcular los vatios radiantes, debe convertir el flujo fotométrico (luminoso) (lúmenes) en flujo radiométrico (vatios radiantes). Para hacer eso necesitas la distribución espectral.

La distribución espectral en la hoja de datos está en vatios radiantes radiométricos.

Si tuviera que digitalizar la curva azul para obtener la altura relativa de la curva en cada longitud de onda y luego trazar las longitudes de onda, obtendría algo como esto:

Así que ahora tengo los vatios radiantes para cada longitud de onda. Tengo que convertir los vatios a lúmenes. Este es un proceso de dos pasos. Los fotones en cada longitud de onda transportan diferentes cantidades de energía radiante.

ENLACE: Tablas de conversión de unidades cuánticas, radiométricas y fotométricas

Por ejemplo, si comparamos el flujo radiante de 450 nm (azul) y el flujo radiante de 550 nm (verde),
1 µmol de fotones azules transportaría 0,27 vatios de energía. Mientras que
1 µmol de fotones verdes transportaría 0,22 vatios de energía.

Para "medir" los lúmenes, en realidad se mide el flujo radiante y luego los vatios radiantes se convierten en lúmenes de acuerdo con la eficacia luminosa fotópica de la curva de sensibilidad relativa para la tabla del observador estándar CIE .

1 vatio de fotones azules de 450 nm se convierte en 27,46 lúmenes.
1 vatio de fotones verdes de 550 nm se convierte en 679,55 lúmenes.

Entonces obtienes la cantidad de lúmenes de la hoja de datos

Luego ajuste los lúmenes a la cantidad de corriente que usará para encender el LED

Luego use la conversión anterior de lúmenes a vatios

La temperatura es una función de la resistencia térmica al ambiente y cuánto calor se genera en la unión. En el camino térmico desde la unión hasta el ambiente hay algunas resistencias térmicas.

La temperatura de la unión disminuye a medida que el flujo térmico se mueve desde la unión al ambiente. La cantidad de resistencia térmica en el camino del flujo térmico determina qué tan rápido fluye el flujo medido por cuánto se reduce la temperatura por la cantidad de calor generado (°C/W).

El calor fluye de lo caliente a lo frío. Por lo tanto, debemos proporcionar una ruta térmica desde la unión hasta el ambiente con la menor resistencia térmica posible. La hoja de datos solo tiene una resistencia térmica en este camino. Eso es desde la unión hasta la almohadilla de soldadura térmica en la carcasa del LED.

La siguiente resistencia térmica es la soldadura entre el LED y la PCB.

La imagen de la izquierda es el cobre en la PCB y el patrón de deposición de soldadura a la derecha.

Fuente: Hoja de datos de LED Cree XLamp XHP50.2

El espesor de la soldadura y la conductividad térmica de la soldadura determina la resistencia térmica. Puede ver por el patrón de la plantilla que hacen todo lo posible para asegurar que la soldadura sea lo más delgada posible.

El resto de la resistencia térmica proviene del diseño de la PCB y el disipador de calor.

Modelo de resistencia térmica para una PCB típica

Para un semiconductor, la fórmula para la temperatura ambiente a la unión es:

Fuente: Diseño térmico por percepción, no en retrospectiva

La disipación de energía para un semiconductor clásico es la misma que la energía eléctrica utilizada:
voltaje x corriente = vatios (tanto térmicos como eléctricos).

Un LED disipa la energía eléctrica como calor y energía radiante (luz). Para calcular los vatios térmicos, resta los vatios radiantes de los vatios eléctricos.

Este LED Cree XHP50.2 tiene una eficacia bastante pobre a 129 lm/W para el LED de 5700K de esta línea. Disipará más calor que un LED de menor densidad. Este LED está diseñado para emitir tantos lúmenes como sea posible en un área pequeña ya que tiene 4 dados creando un Vf _de 11.2V o 2 dados a 5.6V. Me gustaría ver una eficacia más cercana a 180-200 lm/W en un LED de 5700 K de matriz única de baja densidad y alta potencia como el XP-3G.

La potencia eléctrica a la corriente de prueba es de 11,2 x 700 mA o 5,6 x 1400 mA = 7,84 vatios. Este LED irradiará aproximadamente el 47 % de la energía eléctrica como luz y el 53 % como calor. Esto deja 4,15 vatios de calor para disipar. NOTA: el 47% es una estimación basada en la eficacia de otros LED para los que conozco el flujo radiante.

Si la T _ambiente (temperatura de PCB) es de 60 °C, la temperatura de la unión lo es.

T _j = (Ø _ja x 4,1 vatios) + 60°

Ø _ja depende en gran medida del diseño de la placa de circuito impreso y de la gestión térmica (p. ej., disipador de calor, vías térmicas, grosor del cobre, etc.).

En este caso el Ø _ja requerido se calcularía a partir de los 4 watts que se necesita disipar. Luego, la PCB se diseñaría para lograr el Ø _ja requerido .

Por lo tanto, debe estimar el Ø _ca (almohadilla térmica de la caja al ambiente) para que su PCB obtenga la temperatura de la unión a partir de la temperatura de la PCB. Los 1,2 °C/W en la hoja de datos (etiquetados como almohadilla expuesta en la imagen de arriba) se agregan a la resistencia térmica de la almohadilla térmica del LED al ambiente.

La mejor y más fácil, en mi humilde opinión, para entender la fuente para hacer estos cálculos es:
Diseño térmico por perspicacia, no a posteriori
Y "por más fácil" no me refiero a simple.

Lectura adicional:
gestión térmica de fuentes de luz basadas en LED SMT

Paquete mejorado térmicamente PowerPAD™, SLMA002H Noviembre de 1997 Revisado en julio de 2018

Descubrí que este documento que calcula la temperatura de unión de un LED es de poca utilidad, pero debería respaldar algunos de los cálculos utilizados en mi respuesta.

Línea de fondo

Puede obtener una maestría en termodinámica y hacer los cálculos descritos anteriormente. Si es muy inteligente, puede tomar un atajo y tomar la clase MIT Open Course Ware: Clase 1: Termodinámica Parte 1

O puedes hacerlo de la manera práctica.

Diseñe su PCB utilizando los mejores métodos de gestión térmica, construya su PCB, enciéndalo y ajuste la corriente según la temperatura de la PCB cerca del LED y el brillo deseado. Por lo general, no permito que la temperatura de la PCB supere los 55 °C. Esto se debe a que solo uso LED con una temperatura de unión máxima de 150 ° C.