Grenzstrom für bestimmte Impulslänge berechnen

Schaltungen, Widerstände, Spannung, Strom, ...

Moderator: T.Hoffmann

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uwete
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Mo, 18.11.13, 02:48

Hallo, gibt es eine Formel, mit der man aus Dauergrenzstrom und 10 ms Grenzstrom den Grenzstrom für beliebige Impulslängen berechnen kann?

Mich würde im Moment 30 ms interessieren.

Gruß
Uwe
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Mo, 18.11.13, 09:07

Cree beschreibt, dass AFAIR 200% des Maximalstrom für einen 50:50 duty cycle und 300% des Maximalstroms für einen 10:90 duty cycle möglich sind, wobei ich die maximalen ein-ms jetzt nicht mehr weiß.
Alles natürlich unter Inkaufnahme einer reduzierten Lebensdauer und eines reduzierten Wirkungsgrades!
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Achim H
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Mo, 18.11.13, 09:08

Mit welchem Strom eine Led im Pulsbetrieb maximal betrieben werden darf, ist im Datenblatt zur Led ersichtlich.
Ebenfalls dort findet man auch das Tastverhältnis (das Puls-Pausenverhältnis, engl.: Duty).

Eine Formel zum Umrechnen ist mir nicht bekannt.

Man kann aber davon ausgehen, wenn die Einschaltzeit länger ist (bei gleichem Tastverhältnis), der Strom durch die Led unter dem maximal erlaubten Pulsstrom liegen muss.
uwete
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Mo, 18.11.13, 18:33

Natürlich stehen die maximalen Ströme für Dauer und 'Impuls im Datenblatt. und zwar unter Absolute Maximum Ratings.
Nur leider sind mir die 10 ms, auf die sich Pulse Forward Current bei Nichia bezieht zu kurz, während Duty zur Zeit keine Rolle spielt.

Ich hatte gehofft, nicht das Rad nochmal erfinden zu müssen. Jetzt muß ich mir doch wohl ein Rechenmodell ausdenken.
Maßgeblich ist ja wohl die Sperrschichttemperatur und die hängt von Leistung, Zeit Wärmekapazität und Wärmewiderstand ab.
Borax
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Mo, 18.11.13, 22:36

Maßgeblich ist ja wohl die Sperrschichttemperatur und die hängt von Leistung, Zeit Wärmekapazität und Wärmewiderstand ab.
Korrekt. Aber diese Angaben sind ja auch nicht so einfach zu bestimmen und von LED zu LED verschieden. Und speziell die Wärmekapazität hab ich noch in keinem Datenblatt gesehen. Daher wird es schwierig mit einer allgemeinen Formel... Die Sperrschichttemperatur kann man übrigens auch indirekt messen. Ist aber auch nicht sooo einfach: viewtopic.php?f=31&t=12079
uwete
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Di, 19.11.13, 00:07

Ich denke mal, die Stromgrenzwerte sind so, daß man die Maximaltemperatur bei einer unterdurchschnittlichen aber noch innerhalb der Kriterien für verkaufsfähige Ware liegenden Diode gerade erreichen kann.
Aus dem Dauerstrom und der dazugehörigen maximalen Flußspannung kann man den thermischen Widerstand zu Umgebung oder Kühlkörper(je nach Spezifikation) ausrechnen, sofern nicht angegeben.
Aus der maximalen Verlustleistung bei der angegebenen Impulslänge unter Berücksichtigung der abfließenden Wärme kriegt man die Wärmekapazität.
Mit so einem Modell könnte man auch auf andere Ströme/Impulslängen umrechnen.
Das wäre ein Weg.
So brauchte man nichts zu messen und wäre im worst case auf der sicheren Seite. Je nach Qualität der LED und Umgebungsbedingungen kann man dann die Abschläge wählen.
BMK
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Di, 19.11.13, 12:10

Bitte auch die Bonddrähte in der LED beachten.
Die können auch in Millisekunden durchbrennen.
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Di, 19.11.13, 12:47

Ich habe es nicht erforscht, aber ich bin mir ziemlich sicher, ihr macht es euch zu einfach, lediglich die Sperrschichttemperatur zu betrachten.

Außerdem sei die Frage gestattet: welche Überbestromung ist denn angedacht? Und wäre nicht eine leistungsfähigere LED eher das Mittel der Wahl?

Wie gesagt: mehr als 300% des Maximalstroms hält Cree z.B. nicht für sinnvoll.
http://light.rtcs.ru/files/XLamp-Pulsed-Current.pdf
http://www.cree.com/~/media/Files/Cree/ ... stress.pdf
http://www.cree.com/~/media/Files/Cree/ ... urrent.pdf

Zitat:
An even greater long-term reliability concern is the effect of operating LEDs at elevated currents. This is due to heating
of the p-n junction, especially for duty cycles greater than 25%. To determine if the maximum junction temperature (Tj)
will be exceeded, one must measure the current (If), voltage (Vf) and case temperature (Tc) of the LED. For a pulsed
LED, the power is proportional to the duty cycle (D); therefore, the following formula can be used to calculate Tj.
Tj = Tc + D * If * Vf * Rthj-c
Die beziehen sich allerdings auf 1 kHz ein/aus, also nicht 10, nicht 30, sondern nur 0,5 ms Einschaltdauer (bei 50% duty cycle).
Borax
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Di, 19.11.13, 13:25

Da gebe ich Dir recht.
Wobei...
This is due to heating of the p-n junction...
Was ja wieder genau die Sperrschichttemperatur ist ;)

Es hängt aber auch stark von den LEDs ab. Ich hab ja mal testweise eine 5mm Standard-LED mit über 700mA 'betrieben' (siehe viewtopic.php?p=96852#p96852 ), also mit dem mehr als 30-fachen Nennstrom (bei 2% duty und gut 1kHz). Bei einer High-Power LED würde das aber bestimmt nicht gut gehen (wie lange die 5mm LED es 'durchgehalten' hätte weiß ich auch nicht).
uwete
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Di, 19.11.13, 17:26

Bei mir geht es aus Platzgründen um 5 mm Power LED.
Nichia erlaubt da nur 250% des Dauerstroms für 10 ms und das ist mir zu kurz.
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Achim H
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Di, 19.11.13, 17:53

Nur eine Idee.
über die Kathode ein Kapillarrohr* aus Kupfer drüber stülpen und festklöppeln oder löten?
Dann kann man die Wärme leiten.

* Øaußen: 2mm, Øinnen: 1mm.
zum Beispiel von einem abgestochenen Kühlschrank (Elektroschrott, Bauhof) oder Firma für Kältetechnik.
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Di, 19.11.13, 20:19

Um die Kühlung außerhalb der LED brauche ich mir bei 30 mW im Schnitt, kaum Gedanken zu Machen.
Borax
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Di, 19.11.13, 22:05

Bei mir geht es aus Platzgründen um 5 mm Power LED.
Das versteh ich nicht. Viele High-Power LEDs sind wesentlich kleiner als 5mm LEDs. Und wenn die Kühlung kein Problem ist...
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Mi, 20.11.13, 09:34

uwete hat geschrieben:Bei mir geht es aus Platzgründen um 5 mm Power LED.
Nichia erlaubt da nur 250% des Dauerstroms für 10 ms und das ist mir zu kurz.
a) es gibt keine 5 mm-Power-LEDs. Punkt. Mehr als 3V*0,1A = 300 mW Wärme (eigentlich nichtmal die) lassen sich da nicht vernünftig abführen. Mit "Power" hat das nicht das geringste zu tun.

b) Eine Cree XP-G z.B. ist WESENTLICH kleiner (ca. 3,5 Kubikmillimeter) als eine 5 mm-LED, verträgt aber 1,5A _dauerhaft_ wobei noch dazu der Wirkungsgrad ungleich höher ist als bei einer überbestromten 5mm-LED.

Also betreibe doch einfach eine Cree XP-G mit 0,3 Ampere, statt eine 5mm-LED mit dem gleichen Strom. Aufgrund der Unterbestromung und der High-End-Eigenschaften dürfte dabei sogar mindestens 2x, eher 3x soviel Licht rauskommen.
[EDIT]
Ich erhöhe auf 3 bis 6x soviel Licht, da eine mit 100 mA spezifizierte 5mm-LED bei 300 mA vermutlich noch so um die 20-30 Lm/w bringen dürfte, eine XP-G @ 300 mA dagegen > 150 Lm/W ---> 150/30=Faktor 5.
[/EDIT]

0,3 A dürften für eine XP-G IMHO sogar bis zu 1 Sekunde ganz ohne Kühlkörper und sogar ohne Star-Platine gefahrlos machbar sein. Bei 300 mA erreicht sie über 150 Lm/W, es werden mehr als 50% der reingesteckten Energie zu Licht.

Die gewünschten 30 ms sind gar kein Problem, 300 mW im Mittel ebenfalls nicht. (da diese LED bis zu 150°C Sperrschichttemperatur verträgt, welche sie aber bei 300 mW im Mittel auch "nackt" nicht erreichen wird: alles tutti!)
uwete
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Mi, 20.11.13, 22:09

Nichia vermarktet sie auch nicht als Power LED, Leds.de schon.

0,3 A für eine Sekunde ohne Kühlkörper lässt sich anhand des Datenblatts nicht nachvollziehen, ist hier aber auch nicht wichtig.

Ein Vergleich bei 300 mA kommt nicht in Frage, aber bei 200 mA hätte eine Cree XP-G2 tatsächlich 50% mehr Licht.
Es bleibt aber noch der Abstrahlwinkel, den ich bei einer 5 mm LED leichter hinbekomme, als bei einer echten Power LED.
Die Handhabung für Grobmotoriker ist bei Bedrahteten auch einfacher.

Und als Letztes müssen die vorhandenen LED erst verbaut werden. :)
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Mi, 20.11.13, 22:38

Die eine Sekunde ist geschätzt, es geht vermutlich deutlich länger. Mit Star-Platine beliebig lange.
Ist nur aus der Erfahrung, eine Cree XR-E z.B. kann man mit 265 mA als nackten Emitter nonstop betreiben (Eigener Test, die LED-Unterseite bleibt weit unter 100°C).

OK, also hast Du eine 5mm-Nichia-LED im Auge. Welche denn genau? Diese hier evtl.?
Die erreicht 117 Lm/W bei 70 mA. Wenn man mal bei anderen Nichia-LEDs guckt, geht dieser Wert bei hohen Strömen aber rapide bergab, bei Überbestromung i.d.R. noch dazu überproportional.
200 mA wären für diese LED 300%, die 80 mA- Lm/W-Angabe von Lumi ist natürlich Käse, die Effizienz steigt ja nicht wieder bei höherem Strom. Ich vermute, bei 200 mA kannst Du bei dieser LED mit 40-80 Lm/W rechnen. Zu beachten ist außerdem, dass diese Effizientwerte bei 25°C Sperrscichttemperatur gelten. Da sich die Wärme von High-Power-LEDs wesentlich besser vom Chip ableiten lässt, stehen diese nochmals besser da.

[Edit]Du wolltest ja einen engen Abstrahlwinkel, also wird's wohl eher diese LED sein[/EDIT]

Ich kann mir das mit nur 50% mehr Licht nicht vorstellen. Nichia liefert zwar keine Gurken-LEDs, aber in der 5mm-Klasse und dann noch überbestromt spielt man nunmal in einer ganz anderen Liga als mit einer auf 20% unterbestromten High-Power-LED.
Für Grobmotoriker gibt's die auch auf-Star-Platine, da gehen dann auch Pulse von 1500 mA, wobei ich der LED unter inkaufnahme einer verkürzten Lebensdauer bei 30 ms ein pro 100 ms auch bis zu 3 Ampere zumuten würde, wenn es v.A. auf möglichst helle Blitze ankommt.
Da es klein sein soll, kommen aber wohl Star-Platine+Linse für Dich eher nicht in Frage.

Je nachdem, was Du vorhast, z.B. wenn es kein Serienprodukt werden soll (was ich aber vermute, sonst würdest Du ja IMHO schon geschrieben haben, was Du überhaupt genau vor hast...), dann könnte man ja eine stark reduzierte Lebensdauer von z.B. nur 500 statt 50.000 Stunden in Kauf nehmen.

Übrigens sind für die genannten 5mm-LED die 10 ms Pulsdauer mit 200 mA lt. Datenblatt noch nicht als Überbestromung, sondern als Normalbetrieb zu werten (z.B. bei Multiplex-Ansteuerung ist das relevant).

Gegen die 30 ms Pulsdauer spricht aus meiner Sicht bei dieser LED nichts. Ja, wenn Du sie wie von Achim vorgeschlagen Kühltechnisch etwas aufpimpst, wird sie vermutlich auch bei dauerhaften 300 mA über 500 Stunden halten.
uwete
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Do, 21.11.13, 12:13

Na dann will ich mal.
Zur Zeit ist es tatsächlich die erste LED.
Von einem engen Strahlwinkel habe ich nichts geschrieben.
Nein, es wird kein Serienprodukt, jedenfalls nichts gewerbliches.
Es wird ein Anti-Kollisions-Licht für ein Modellflugzeug.
Das Besondere an der Abstrahlcharakteristik ist, daß beim Vorbild eine Sichtbarkeit rundum von der Horizontalebene bis mindestens 30° Vorgeschrieben ist. Mehr ist erlaubt. Mit ein bischen Bearbeitung kann eine 5 mm LED das leisten.
Lebensdauer ist nicht soo wichtig. 500 Stunden sollten allemal reichen, aber ich möchte sicherstellen, das es mehr als nur ein paar Stunden werden.
Dabei ist es nur ein Blitz pro Sekunde.
Ich will mir aber auch die Möglichkeit offenhalten für andere Modelle mit Doppelblitz zu arbeiten.
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Fr, 22.11.13, 09:15

Sollte bei nur 1 Hz auch mitt Doppelblitz bei der 5mm-LED immer noch wesentlich länger leben Betrieben werden können als der Rest des Flugzeugs.

Den gewünschten Abstrahlwinkel bringen die XP-LEDs doch schon mit. Die XP-G ist mit 5,99€ natürlich extrem teuer, aber Du könntest ja z.B. eine XB-D nehmen, die kostet nur 2,49€ bzw. 3,49€ mit Platine. Aber wieder etwas weniger Wirkungsgrad als die XP-G und bei einem Modellflugzeug kommt es auf die 2€ mehr wohl kaum an.
Wobei: bei 5,99€ nimm' doch gleich eine XM-L:
http://www.leds.de/High-Power-LEDs/Cree ... param=XM-L 125° Abstrahlwinkel
Da kannst Du 3 Ampere reinballern, bei immer noch 91 lm/W (910 Lumen, ca. wie eine 75W-Glühlampe)
Und die ist noch vergleichsweise groß (5x5 mm) auch ohne Star-Platine (besser zu handeln), aber auch nichts für Grobmotoriker.

Ist halt die Frage, bei welcher Umgebungshelligkeit das ganze noch wahrnehmbar sein soll. Wenn nur nachts, dann reicht vermutlich sogar eine normal bestromte hocheffiziente 5mm-LED schon fast aus...

http://www.leds.de/High-Power-LEDs/Cree ... Lumen.html 115° Abstrahlwinkel
http://www.leds.de/High-Power-LEDs/Cree ... 521lm.html 115° Abstrahlwinkel
Borax
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Fr, 22.11.13, 12:22

Noch was... Da es sich 'nur' um ein optisches Signal handelt was für das Auge bestimmt ist, ist die Impulslänge (fast) egal. Es geht nur um die Gesamtanzahl der Photonen die das Auge erreichen (es gibt hier im Forum irgendwo noch einen uralten Thread wo uns das ein Augenarzt mal bestätigt hat). Ob also die Photonen in 10ms oder 30ms auf das Auge treffen merkt man eher nicht. So gesehen könntest Du durchaus auch mit den 'offiziell erlaubten' 10ms arbeiten und dabei ggf. eben den Strom höher ansetzen.
Wobei ich das prinzipiell ähnlich wie CRI sehe: Mit einer High-Power LED geht das viel besser.
uwete
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Fr, 22.11.13, 12:57

Ihr müsst euch die optischen Anforderungen anders vorstellen.
Eigentlich sind es 180° Abstrahlwinkel, wobei der Bereich zwischen 30 und 150° nicht so wichtig ist.
Ein 5mm LED kann ich in diese Richtung besser manipulieren, als eine Hi-Power LED.

Zum Photonenzählen: bei 30 ms und 150 mA kommen mehr zusammen, als bei 10 ms und 200 mA. Über 30 ms möchte ich auch nicht gehen, um noch einen scharfen Blitz zu erhalten, und 200 mA sind bei 10 ms die absolute Grenze.
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Fr, 22.11.13, 15:48

150°-30°=120° --- passt doch...
uwete
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Fr, 22.11.13, 17:09

Ist das jetzt ein Scherz oder hast du mich nicht verstanden?

Hi-Power LED werden bei Modellen für genau diesen Zweck durchaus eingesetzt.
Aber da die Abstrahlcharakteristik praktisch genau das Gegenteil der Vorschriften für die Großen darstellt, bin ich da sturer.

Es gibt auch Leute, die setzen Kaltweiß als Landescheinwerfer ein. :roll:

Ich baue wirklich nicht bis in Deteils vorbildgetreu, aber was man auf mehr als 5 m noch sieht und wenig Aufwand macht wird umgesetzt.
uwete
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So, 24.11.13, 04:33

Ich habe im Datenblatt noch ein Diagramm zum Strom abhängig vom Tastverhältnis gefunden. Natürlich bezogen auf 10%=10 ms 200 mA.
Ein bischen das Gehirngequält wegen ablesen einer logarithmischen Skala (Jahrzehnte her).Und siehe da 20 ms 153 mA, 30 ms 128 mA bei 100 ms Periodendauer und Ta=25°C. Bei längerer Periodendauer bleibt mir noch Reserve.

Die Werte zur Helligkeit bezogen auf den Strom beziehen sich in diesem Datenblatt auf Ta=25°C, nicht wie weiter oben behauptet auf Tj=25 °C.
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