LED Chiptemperatur sehr exakt messen, Rev. 2

[CRI 93+ / Ra 93+]

Ich hatte sowas ähnliches in länger und nicht ganz so durchdacht schonmal gepostet, denke aber, dass dies hier etwas aufgeräumnter ist. Falls ich irgendwann mal eine Revision 3 machen werden, wird die dann auch Fotos und Messungen enthalten.

1.) Wir nehmen an, dass die -mV/°C (Rückgang der Vorwärtsspannung pro Grad Celsius) über den gesamten relevanten Temperaturbereich gleich ist. Das kommt eigentlich recht genau hin zwischen 0 und 100°C.

2.) Im Datenblatt nachgucken, um wieviel mV/°C die Vorwärtsspanung sinkt.
Wenn kein Datenblatt vorhanden ist, dann muss experimentell zwischen 2 möglich deutlich auseinanderliegenden und möglichst exakt bestimmbaren Temperaturen ausgemessen und auf die mV pro 1°C runtergerechnet werden. (z.B. kann man die zwei Messungen bei Raumtemperatur und Kühlschranktemperatur machen, das dürfte für private Zwecke hinreichend genau werden, ein Thermometer muss man aber schon haben und man sollte die Temperatur mindestens eine Stunde einpendeln lassen und ggf. Leitungen in den Kühlschrank legen und die Tür nicht öffnen vor der Messung). Dieses Messen kann genauso erfolgen wie das Messen bei bereits bekannten mv/°C ab Punkt 3.)

3.) Die Vorwärtsspannung bei einem recht geringen Strom von z.B. 20 mA und bekannter Umgebungstemperatur die Vorwärtsspannung der LED ausmessen. Am einfachsten nimmt man die Raumtemperatur. Der Strom muss relativ gering sein, damit die LED sich nur minimal erwärmt, aber auch hoch genug, um nicht in mehr oder weniger undefinierten Grenzbereichen herumzukrebsen. Ich bin nicht sicher, ob 20 mA für eine LED der 1000mA-Klasse ausreichen, denke aber schon, unter 10 mA würde ich aber nicht gehen. Wer den Messwert sehr schnell abliest (in deutlich unter 1 Sekunde), der kann evtl. auch bis 100 mA hochgehen. (Bei der zweiten Messung muss natürlich exakt der gleiche Messtrom verwendet werden!!!) Man muss bei höheren Strömen beachten, dass der Chip sich extrem viel schneller erwärmen würde als das LED-Gehäuse oder gar der Kühlkörper, deshalb kann man auch nicht einfach die 1000 mA Nennstrom nehmen (ich gehe einfach mal von einer normalen High-Power-LED aus)

4.) Die LED nun 1-3 Stunden oder länger unter den ganz normalen Einsatzbedingungen betreiben, bis die zu messende Temperatur erreicht ist. Dann den Strom auf EXAKT DEN GLEICHEN wie bei der vorherigen Referenzmessung bei Raumtemperatur einstellen --- hierzu sollte ggf. bereits eine Messleitung im Vorfeld parallel zur LED geschaltet sein und außerdem noch eine Diode mit der LED in Reihe, damit kein Strom zurück in die Normalbetriebs-KSQ der LED fließt. (es stört auch nicht, wenn die 20 mA die ganze Aufwärmzeit lang mit draufgegeben werden)
Das Umschalten auf den geringeren Strom und die Messung sollte sehr schnell erfolgen, idealerweise sollte man in weniger als 1 Sekunde nach dem Umschalten auf den geringen Strom mit Ablesen fertig sein! Je schlechter der LED-Chip an den Kühlkörper gekoppelt ist, desto größer sein Temperaturrückgang beim umschalten auf geringen Strom --- das klingt erstmal paradox, aber bei schlechtem Wärmeübergang wird der Chip extrem heiß, entsprechend sinkt seine Temperaur bei umschalten auf geringen Strom viel stärker als wenn die thermische Kopplung sehr gut ist, da er sich ja viel weiter aufheizen konnte. Absolut hat er dann natürlich eine höhere Temperatur als bei guter thermischer Kopplung.
Ideal wäre es wohl, das ganze wahlweise Mikrocontroller-gesteuert zu machen oder die Spannung an einem Oszilloskop zu messen (mache ich vielleicht irgendwann mal in der Mittagspause) --- wobei man aufpassen muss zu unterscheiden, zwischen Rückgang des Stroms und Rückgang der Temperatur, deshalb dürfte es ratsam sein, den Strom für einige Millisekunden ganz wegzuschalten, damit man genau sieht, ab wann der geringere Strom für die Vorwärtsspannungsmessung anliegt.
Oder man entfernt die Leistungs-KSQ auf der LED-Seite. Die KSQ für den geringen Strom sollte eine Lineare mit LM317 sein, die regelt extrem schnell und genau den Strom ein. (bei 230V-KSQs, die man auf LED-Seite abtrennt muss man penibelst darauf auchten, nicht zu zittern, die Drähte dürften nur getrennt werden, sich nicht wieder berühren, das würde die LED beschädigen oder zerstören, da die Spannung im Ausgangs-Elko der KSQ bereits zu weit angestiegen sein könnte)

5.) Anhand der geringer gewordenen Vorwärtsspannung und dem aus dem Datenblatt entnommenen oder experimentell ermittelten Vorwärtsspannungsrückgang in mv/°C lässt sich nun die Sperrschichttemperatur=Junction Temperature=CHIP-Temperatur sehr exakt ermitteln.


Hinweis:
Die Vorwärtsspannung sollte deshalb mit einem geringen Strom gemessen werden, da bei Nennstrom (z.B. 1000 mA) der LED-Chip sehr schnell um die K/W heißer werden dürfte, die die ganze Kühlkörperkonstruktion ihm erlaubt. U.U. kann man das auch in Kauf nehmen, denn eigentlich sind ja die K/W bei Raumtemperaur und bei Endtemperaur identisch. In dem Fall ist es u.U. sogar sinnvoll, die LED ca. 10 bis 60 Sekunden warmlaufen zu lassen für die Messung der Vorwärtsspannung bei Raumtemperaur, damit der LED-Chip wirklich schon um die zur reingesteckten Leistung passenden K/W erwärmt hat. (da ja alle Materialien zwischen LED-Chip und Kühlkörper ja auch eine gewisse thermische trägheit haben) Man müsste mal prüfen, ob beide Verfahren sehr ähnliche Ergebnisse liefern.

Ich hoffe ich habe hier keine groben Denkfehler drin, denn erstmal ist das nur graue Theorie, praktisch nachvollzogen habe ich das noch nicht.

[John.S]

Hallo,

ich habe den Test durchgeführt mit der Luxeon K2 rot und einer XP-G R4. Jedoch möchte ich dir widersprechen, was den möglichst geringen Strom angeht.
Nehmen wir mal an, die ganze Leistung wird in Hitze verwandelt und nehmen wir mal an, die Spannung steigt nicht mit dem Strom, das macht das rechnen einfacher. Dann hat man bei der Luxeon K2 zum Beispiel -2mV/K. Da die Luxeon K2 12K/W Wärmewiderstand hat, braucht man 1/12W um 1K Temperaturdifferenz zu erzeugen. Das entspricht etwa 83mW, also Pi mal Daumen der Leistung bei 20mA.
Mein Extech EX510 Multimeter hat eine Grundgenauigkeit von +-0,09% + 2 Digits bei einer Auflösung von 1mV im Messbereich 6V.
Das macht als eine Gesamtgenauigkeit von +-29mV bei 3V Ledspannung und dabei ist dieses Multimeter schon ziemlich genau. Ein Fluke 131 Multimter hat zum Beispiel schon ganze +-2% Grundgenauigkeit + 3 Digits, macht also ganze +-63mV. Das heisst, bei 20mA Strom ist die Temperaturdifferenz etwa um den Faktor 20 zu klein, als das man sie mit einem realtiv teuren Multimeter überhaupt messen könnte.
Korrekterweise ist so die 2. Nachkommastelle bei den Spannungsmesswerten in der Tabelle nicht mehr wirklich zuverlässig. Beim Fluke 131 wäre sogar nur die 1. Nachkommastelle messtechnisch sicher erfasst.

Man braucht da also schon entweder eine ordentliche Temperaturdifferenz, oder ein extrem genaues Messgerät, was in die Tausende und Zigtausende gehen würde. Die zweite, systematische Fehlerquelle ist die Bestimmung der Initialspannung beim Einschalten. Da der Chip nur 1mm² Gross und nur etwa 0,1m dick ist, verhält sich dieser thermisch extrem flinkt. Mit den Augen ist eine sichere Erfassung der Initialspannung kaum möglich. Ich habe bei meinem Extech eine "MAX" Funktion, die den höchsten Wert aufzeichnet, leider weiß ich nicht genau, wie schnell das geht. Ein elektronischer Datenschreiber wäre hier absolut angebracht. Mal sehen, vieleicht kann ich im kommenden Semester bei uns in der Uni im Messtechniklabor einige Leds vermessen.

Jetzt zu meinem Test:
Ich habe wie gesagt, eine K2 rot und eine XP-G R4 vermessen. Der Messaufbau war so, dass ich die 2 Leds auf einen passiv Kühler mit Arctic Silver auf den Kupferkern geklebt habe, und etwa 1cm entfernt den Temperatursensor. Ebenfalls auf den Kuperkern, um eine möglicht genaue Temperaturüberwachung zu haben.
Die gelb markierten Werte sind die Initialwerte. Ich habe jeweils 1h gewartet, damit sich eine konstante Temperatur einpendelt. Praktisch ist das aber nicht nötig, man erwärmt besser den Kühler am Anfang auf die geschätze Endtemperatur mit einem Feuerzeug etc., und wartet dann etwas, bis sich ein konstanter Wert eignependelt hat. So umgeht man die langsame Aufheizphase, die mit der Zeit immer langsamer verläuft.

Ergebnisse
Bei der Xp-G kommt der Wert ziemlich gut hin. Ich weiß zwar nicht den Wärmewiderstand der XP-G mit Starplatine, aber selbst wenn dieser 10K/W (6K/W für die XP-G +4K/W für die Platine) beträgt, liegt man abzüglich der Lichtleistung ziemlich gut in dem Bereich.
Bei der K2 rot konnte ich jedoch keinen sinnvollen Wert rausbekommen. Ich habe die Chiptemperatur 4 mal versucht zu messen, 1 mal bei 700mA, 3 mal bei 350mA. Jedesmal kamm eine absolut unrealistische Chiptemperatur raus. So wie ich das sehe, ist der rote K2 Chip thermisch noch viel flinker als der der XP-G, sodass ich keine zuverlässige Initialspannung messen kann. Das liegt wohl nicht zuletzt am doppelt so schlechtem Wärmewiderstand der K2.



Beste Grüße,

Eugene S.

[Borax]

Die Lösung, die man mit Hobbymitteln verwirklichen könnte, wäre ein Messwiderstand im Led Stromkreis...

Damit misst Du aber den Strom durch Messwiderstand und LED, nicht die Flussspannung an der LED?!
Es gibt dieses Messprinzip auch im professionellen Bereich. Aber da wird ein recht großer Aufwand betrieben, mit Hobbymitteln ist da wohl keine saubere Messung möglich:
In-Situ Junction Temperature

[John.S]

Das ist mir jetzt auch eingefallen, nach ei paar Minuten nachdenken. Da bräuchte man ein 2. Meßgerät, welches die Gesamtspannung die sich aus UR+ULed zusammensetzt, misst. Da diese jedoch wieder im Voltbereich liegt, muss das 2. Meßgerät wieder extrem genau sein. Irgendwie beisst sich da die Katze also selbst in den Schwanz. Da hast du recht.

Ich habe den Absatz also entfernt.

Danke für die Pdf.

[Borax]

Es gäbe vmtl. schon eine halbwegs praktikable Lösung... Mit einem ATTiny45 und einigen Messwiderständen.
1. Könnte man damit sehr einfach und schnell zwischen z.B. 20mA und 700mA umschalten (LM317-KSQ mit einem Widerstand für z.B. 20mA und einem weiteren für 700mA der über einen P-Channel Mosfet geschaltet wird)
2. Der ATTiny hat einen differenziellen Eingang (kann also die Spannungsdifferenz zwischen zwei Potentialen messen) und einen integrieren OP mit einem Gain Faktor von 20. So würden sich Spannungsdifferenzen von z.B. 50mV mit weniger als 1% Fehler messen lassen:
Referenz=1.1V; Gain 20 => Messbereich DeltaU=55mV mit einer Auflösung von 10Bit!; 20mV entsprechen dann etwa einen Wert von 400 +/-4 (max. Gesamt-Fehler = 2LSB).
Prinzip: An einer 5V Spannungsquelle mit zwei Messwiderständen (oder ein 10Gang Poti) einen Spannungsteiler aufbauen, so dass die Spannung ca. 20mV über der LED-Flussspannung liegt. Diese Spannung an den Positiven Differentialeingang am ATTiny legen.
LED über eine LM317-KSQ mit 20mA Strom betreiben. +Pin von der LED an den Negativen Differentialeingang am ATTiny legen. Differenzspannung (1) mit ATTiny messen und 'merken'
LED entsprechend lange über eine LM317-KSQ mit 700mA Strom betreiben.
Differenzspannung (2) mit ATTiny messen und 'merken'
Per ATTiny auf 20mA zurückschalten und sofort Differenzspannung (3) messen (das geht in weniger als eine Millisekunde)
Wenn man jetzt die Differenzspannung (2) und (3) um den Offset bei (1) korrigiert kann man daraus sehr exakt die Flussspannungsdifferenz zwischen 'kalt' (1) und 'heiß' (3) berechnen.
Wenn ich mal wieder viel Zeit hab...

[John.S]

Danke dafür. Hast du was dagegen, wenn ich diesen Post von dir im Konkurrenzforum zitiere?
Scheint mir nämlich ein sehr guter Vorschlag zu sein.

[Borax]

Nö, nichts dagegen. Interessiert mich ja auch. Aber wart noch ein bisschen... Ich probier grad mal einen Schaltplan dazu zu malen. Und im Moment gefällt mir ein N-Channel Mosfet dafür besser...
BTW: Welches Konkurrenzforum meinst Du? Das rote ?

[John.S]

Jap, das Rote. Kannst da auch gerne selber in den Thread posten, wenn du da reg. bist.

[CRI 93+ / Ra 93+]

Hallo,

ich habe den Test durchgeführt mit der Luxeon K2 rot und einer XP-G R4. Jedoch möchte ich dir widersprechen, was den möglichst geringen Strom angeht.

Der geringe Strom soll nur verhindern, dass sich die LED beim Messen der Vorwärtsspannung der noch kalten aufheizt und das Ergebnis verfälscht.

Es soll selbstverständlich KEINESFALLS mit einem Strom-Unterschied (delta) von nur 20 mA verglichen werden, sondern mit einem möglichst riesigen.

Nach dem Aufheizen muss man dann aber wieder (so schnell wie möglich, damit der Chip nicht abkühlt) mit 20 mA messen, damit der höhere Strom nicht die Vorwärtsspannung anhebt.

Wichtig ist, dass man an beiden "Temperatur-Enden" mit gleichem Strom misst, denn wie gesagt: der Strom erhöht ja auch die Vorwärtsspannung.

[Borax]

Nein, bin ich nicht. Und dieses Forum reicht mir eigentlich auch.
Also Grobschaltplan:

Tiny45LedTempMessung1.png (6.24 KiB) 22424 mal betrachtet

Strom muss natürlich nachgemessen werden. Sind nur in etwa 20/700mA. Ebenso würde ich mit einem guten Messgerät (max. 1% Fehler) die Differenzialmessung am Tiny45 überprüfen. Der relative Fehler dürfte zwar recht gering sein, aber die Referenz ist meist nicht besonders genau.

[John.S]

Der geringe Strom soll nur verhindern, dass sich die LED beim Messen der Vorwärtsspannung der noch kalten aufheizt und das Ergebnis verfälscht.

Es soll selbstverständlich KEINESFALLS mit einem Strom-Unterschied (delta) von nur 20 mA verglichen werden, sondern mit einem möglichst riesigen.

Nach dem Aufheizen muss man dann aber wieder (so schnell wie möglich, damit der Chip nicht abkühlt) mit 20 mA messen, damit der höhere Strom nicht die Vorwärtsspannung anhebt.

Wichtig ist, dass man an beiden "Temperatur-Enden" mit gleichem Strom misst, denn wie gesagt: der Strom erhöht ja auch die Vorwärtsspannung.

Achso meintest du das.
Beim Lesen deiner Antwort ist mir eine gute Methode eingefallen, glaube ich zumindest. Man bestimmt erst die Flusspannung bei möglichst niedrigem Strom (einstelliger mA Bereich) und rechnet diese dann auf 350mA etc hoch. Denn die Kurve der Flussspannung ist ja gegeben und mathematisch ist das auch einfach nur ein exponentielles Wachstum. Und worum es hier geht, ist ja die Änderungsgeschwindigkeit, also die Ableitung, und nicht ein bestimmter Fixwert.
Was sagst du dazu, bzw. du meinen ersten Meßergebnissen?

[tommi]

Ich muss den Thread noch mal ausgraben, hoffe es gibt nicht doch schon eine Rev. 3

Meine Fragestellung war jetzt weniger in Richtung der Chiptemperatur, die sicher interessant ist, aber vielleicht nicht super relevant.

Ich möcht herausfinden ob mein Kühler ausreichend ist für die LED - und da wär halt die Frage wie hoch im Betrieb die Temperatur steigt. Dafür würde ich die LED ganz normal anschließen wie man es brauch. Wichtig ist nur dass ich konstanten Strom hab. Gemessen wird die Spannung direkt an der LED.

Messung 1: Spannung an der LED wenn man aufdreht. Also quasi die Spannung im "kalten". Nach dem der Chip flink ist wird der schon auf Temperatur sein, die (Star)-Platine aber noch nicht.
Messung 2: Spannung im eingeschwungenen Zustand.

Aus der Spannungsdifferenz kann man sich jetzt ne Temperaturdifferenz ausrechnen die einem sagen sollte wie heiß der Kühlkörper wird direkt an der LED. Würde mal so aus dem Bauch heraus sagen dass 30-50 Grad Erhöhung ok sind. Damit müsste man auch unterschiedliche Kühlmethoden untereinander testen können, oder hab ich wo nen groben Denkfehler?

Lg Tommi, der sich gerade echt unsicher ist ob die LEDs nicht zu warm sind...

[CRI 93+ / Ra 93+]

Die Kühlkörpertemperatur ist uninteressant, auch direkt an der LED. Die LED-Chiptemperatur ist interessant.
Meine Experimente deuten darauf hin, dass man Raumtemperatur + die Temperaturerhöhung, die sich aus der Leistung die in die LED geht sowie deren internen Wärmewiderstand berechnen lässt.
Dazu misst man die LED-Spannung in den ersten 0,2 bis 1,0 Sekunden*1) nach dem einschalten und addiert eben z.B. bei 6K/W Wärmewiderstand und 3 Watt in die LED entsprechend 3W * 6K/W = 18K = 18°C. Dazu noch die Raumtemperatur. (=Kühlkörpertemperatur), sagen wir mal 25°C. Macht dann 25°C + 18°C also 43°C am LED-Chip.

Hierzu kommt nun noch der (i.d.R. unbekannte) Wärmewiderstand LED->Kühlkörper. Vielleicht hat ja jemand eine Idee, was man da für eine sauber auf eloxiertes Alu geklebte Cree XR-E / XP-G oder XM-L erwarten kann... Anyone?
Ich tippe mal auf 3 bis 20°C pro Watt, sicher auch stark abhängig von der LED-Grundfläche. Diese Temperatur kommt dann AUCH noch mit drauf! (Und bei LEDs auf Platinen dann auch noch deren NOCHMALs zusätzlicher Wärmewiderstand)

Mit jedem °C das sich der Kühlkörper dann erwärmt, erwärmt sich auch der LED-Chip um 1°C.


*1) diese Zeit könnte theoretisch soweit ausgedehnt werden, wie es dauert, bis der Kühlkörper sich messbar erwärmt, WENN Wärmewiderstand LED zu Kühlkörper 0 wäre (was nie der Fall ist).

Für wirklich ganz exakte Ergebnisse muss man einen PT100 oder PT1000 Messwiderstand dort an die LED löten, wo eine Stelle ist, bis zu der der exakte Wärmewiderstand bekannt ist, Nichia gibt das z.B. für die auf der Matrix verbauten LEDs an.

[tommi]

Die Kühlkörpertemperatur ist uninteressant, auch direkt an der LED. Die LED-Chiptemperatur ist interessant.

Würde ich so Pauschal nicht sagen. Die Aufgabe von einem Kühlkörper ist ja kühl zu halten, also Wärme abzutransportieren. In der ersten Sekunde sollte es ja egal sein was für ein Kühlkörper (und wahrscheinlich ob Star Platine oder was anderes) dran hängt, es sollte sich ja wirklich nur der LED Chip erwärmen, das wäre dann quasi die Situation einen perfekten Kühkörper zu haben der alle Wärme immer abtransportiert. Wenn ich dann warte bis die LED und KK auf Temperatur sind, und die Messung wiederhole, bekomme ich quasi die Differenz aufgebrummt die dadurch entsteht dass ich doch keinen perfekten KK habe. Je größer eben diese Differenz desto schlechter mein Kühlsystem. Vielleicht kann man damit nicht direkt auf die Chip Temperatur rückschließen, aber müsste man damit nicht zumindest unterschiedliche Kühlsysteme (auch von verschiedenen Usern) vergleichen können.
Das wäre ja auch schon mal ein guter Anhaltspunkt, damit man weiß dass sein Kühlssystem reicht, weil bei nem anderen ist die Temp. Diff gleich groß und es funktioniert auch.

Mein Problem mit den Wärmewiderständen ist dass man sie wohl nie so genau kennt. Die zwei großen Unbekannten sind ja der Wärmewiderstand von der LED Anbringung und der Kühlkörper (und auch wenn die K/W bekannt sind, wird es durch die Anbringung verändert). Und genau deswegen wärs ja nett herauszufinden was für eine Chip Temp man hat, ob die Kühlleistung ausreicht und die LED Anbringung ok ist.

[agent_47]

Jetzt hat hier schon 2 Jahre keiner mehr geschrieben,aber ich finde die Methode Klasse,nur Frage ich mich warum man sich so viele Gedanken über die Genauigkeit macht,mit einen Oszi kann man bis 0,1mV genau ablesen das sollte doch reichen. Das wäre meine Lösung ohne viel schnickschnack^^
Was ich noch vergessen habe ist das ich bei so einer Messung generell exakte Spannungsquellen benutze,also guter Linearregler oder Z diode,so klein wie möglich und natürlich Akku betrieb.

[Borax]

Bitte hier weiter lesen:
viewtopic.php?f=31&t=12079