LED-Chip-Temperatur (Junction Temperatur) exakt messen

Anleitungen für "hausgemachte" LED Projekte

Moderator: T.Hoffmann

Borax
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Di, 24.05.11, 14:25

Das Thema wurde schon ein paar mal im Forum behandelt:
viewtopic.php?f=37&t=4013&start=0
viewtopic.php?f=37&t=7658&start=0
viewtopic.php?f=37&t=8751&start=0

Ich habe mich weitgehend an dem Artikel hier orientiert:
http://www.vektrex.com/Support/kb/In-Si ... ure%20.pdf welcher wiederum auf einer von JEDEC spezifizierten Technik beruht.
Meine Idee für das prinzipielle Vorgehen habe ich hier schon mal beschrieben: viewtopic.php?p=114839#p114839 und viewtopic.php?p=114846#p114846

Geändert habe ich drei Punkte:
1. Laut Datenblatt (http://www.cree.com/products/pdf/XLampXM-L.pdf) hat die CREE XM-L T6 einen Temperaturkoeffizienten von -3mV/K.
Um Temperaturen zwischen 20°C und 100°C zu messen, braucht man also einen Spannungsbereich von 80x3mV = 240mV. Das kann man bei einem ATTiny45 gerade so erreichen, wenn man den Differenzverstärker einschaltet (Gain=20), Referenz=2.56V verwendet und bipolare Messung auswählt. Das ergibt einen Bereich von -0.125V bis +0.125V.
2. Der 78L05 als 'Spannungsreferenz' für die Differenzialmessung ist nicht gut, weil er eine recht hohe Temperaturdrift hat.
Ich habe mich zunächst beim ausprobieren gewundert, warum der Messwert nach dem Einschalten erst mal einige mV steigt (wenn die LED warm wird sollte der Wert fallen). Im Datenblatt habe ich dann gesehen, dass die 78LXX Serie eine Temperaturdrift von etwa 0.7mV/K hat. Und auch beim geringen Messstrom (~8mA) erwärmt sich der 78L05 offensichtlich schon hinreichend, um das festzustellen. Kurz drauf pusten reicht, um den Messwert um einige mV zu ändern...
Ich habe den 78L05 daher mit einem LM317LZ ersetzt, der eine wesentlich geringere Temperaturdrift hat (~0.1mV/K).
3. Weil es mir um die CREE XM-L T6 ging, habe ich anstatt dem LM317 einen LM350 verwendet, der verträgt 3A. Als Messstrom habe ich 4.1mA verwendet (Shunt=300Ohm). Das ist laut Datenblatt bei einer Spannungsdifferenz (Eingang/Ausgang) unter 10V locker oberhalb des Mindeststromes. Tests mit ein paar Messwiderständen (3 mal 300Ohm in Serie wobei eben einer oder zwei gebrückt wurden) haben das bestätigt: Wenn man den Lastwiderstand (600Ohm) halbiert oder auf 900Ohm erhöht, ist keine Änderung des Stromes feststellbar (Messgenauigkeit ca. 0.5%).
Die Spannungsversorgung habe ich sicherheitshalber getrennt: LED-Strom über LM350 mit LiPo Akku (11.7V), Spannungsreferenz (LM317LZ) mit 9V Block, ATTiny45 mit 5V Netzteil.

Messaufbau:
Um eine 'saubere' gut messbare LED-Temperatur zu haben, habe ich die LED auf einem Lamellenkühlkörper montiert (1/4 aus einem alten CPU Kühlkörper mit ca. 3x3cm Fläche, 5mm Materialstärke und 3.5cm lange Lamellen). Den Kühlkörper habe ich dann schwimmend in einem großen Becherglas (800mL) aufgehängt, so dass der Kühlkörper bis auf ca. 2mm vollständig eingetaucht war (Falls es jemand noch genauer wissen will, kann ich auch noch ein Foto nachliefern).
Das 'Kühlwasser' wurde mit einem Thermostat (300W Tauchsieder + PT100 Regler) auf einer eingestellten Temperatur gehalten (geht auf ca. 0.2°C genau) und mit einem Magnetrührer kräftig durchgerührt.
Gemessen habe ich die Differenzspannung zwischen LED und Spannungsreferenz (2.5V) mit einem UT50E Multimeter (Genauigkeit bei 200mV: 0.05%) sowie mit dem ATTiny45. Wie erwartet war die interne Spannungsreferenz im ATTiny45 alles andere als genau. Daher habe ich den Bereich auf das UT50E abgestimmt (Faktor: 1Bit = 239µV).
Der Tiny45 hat immer 10 Werte gemessen (Sampling Rate etwa 18kSPS). Weil diese Werte im Rahmen der Messgenauigkeit (+/- 2 LSB) gleich waren, habe ich sie gemittelt.
Die Temperatur habe ich in 5° Schritten erhöht und bei jeder Temperaturstufe etwa nach 20 Sekunden den Messwert aufgeschrieben (der ATTiny45 hat per Software natürlich selbst 'mitgeschrieben')
Gemessen wurde die Temperatur mit einem Chemie-Thermometer (klassisches Quecksilber-Thermometer mit recht hoher Genauigkeit) und es stellte sich heraus, dass die LED schneller auf Temperaturänderungen reagiert als mein Thermometer...
Zwei Dinge haben mich dann doch schon während der Messung sehr erstaunt:
1. Der Temperaturkoeffizient der XM-L T6 ist weit weg von den angegebenen -3mV/°C (so wie das luckylu1 schon mal vermutet hat: viewtopic.php?p=66994#p66994 )
2. Die erreichte Genauigkeit - Die XM-L T6 ergibt in so einem Aufbau ein prima Thermometer!

Messwerte (Spannung bei 30°C wurde bei den Werten in den [mV] Spalten schon abgezogen => virtueller Nullpunkt bei 30°C):
LED_TEMP_MESSUNG_TINY45_1.png
LED_TEMP_MESSUNG_TINY45_1.png (4.4 KiB) 19976 mal betrachtet
Wie man sieht, unterscheiden sich die Messwerte zwischen Tiny45 und UT50E nur minimal.
Graphisch dargestellt (nur die Tiny45 Werte) + Regressionsgerade:
LED_TEMP_MESSUNG_TINY45_2.png
LED_TEMP_MESSUNG_TINY45_2.png (6.28 KiB) 19976 mal betrachtet
Ich hätte nicht geglaubt, dass man die paar mV so gut messen kann...
Wenn man die Gleichung umstellt (Temperatur = 29,9 - [mV] / 1,3) ergeben sich diese Werte:
LED_TEMP_MESSUNG_TINY45_3.png
LED_TEMP_MESSUNG_TINY45_3.png (2.47 KiB) 19976 mal betrachtet
Ich denke die Werte sprechen für sich... Genauer konnte ich die Temperatur wohl gar nicht am Thermometer ablesen.
Der Temperaturkoeffizient der (meiner) XM-L T6 beträgt also 1,3mV/°C (anstatt wie im Datenblatt angegeben 3mV/°C) und das mit weniger als 5% Fehler (exakt: 1,30 +/- 0,03). Sollte man also tunlichst selbst messen.
Um die Reproduktionsgenauigkeit zu prüfen, hab ich diese Werte an zwei verschiedenen Tagen nochmal gemessen...
Die gemessenen Werte unterscheiden sich im Rahmen der Messgenauigkeit +/- 0.2°C / +/- 0.2mV) nicht.
Um zu prüfen, wie sich die LED unter 'Last' verhält wurden die Messungen mit dem ATTiny wiederholt, aber diesmal wurde unmittelbar vor der Messung (eine Messung pro Sekunde) jeweils eine Millisekunde (= duty 1:1000: Messreihe ATTiny45[2]) bzw. 3 Millisekunden (= duty 1:300: Messreihe ATTiny45[3]) ein Puls mit 0.6A auf die LED geschaltet.
Auch hier im Rahmen der Messgenauigkeit stabile Werte.
Der Messwert unmittelbar nach dem Umschalten war nicht brauchbar (außerhalb des Messbereichs) - die Regelgeschwindigkeit von Mosfet + LM350 von 0.6A auf 4.1mA liegt wohl doch oberhalb von etwa 20µS (erster Messwert) aber unterhalb von 80µS (zweiter Messwert). Die darauf folgenden Werte (Wert 2-9) waren dagegen (+/- 2 LSB) wieder gleich und wurden daher gemittelt.
Messwerte und daraus berechnete Temperaturen (bei der letzten Messung war es schon ein wenig spät... daher habe ich die Messung schon bei 65°C beendet).
LED_TEMP_MESSUNG_TINY45_4.png
LED_TEMP_MESSUNG_TINY45_4.png (3.43 KiB) 19976 mal betrachtet
Was kann man jetzt damit anfangen?
Wenn man die Pulsfolge 'umdreht' (also eine Sekunde 0.6A und dann eine Millisekunde auf 4.1mA zurückschaltet), dann kann man die LED-Chip-Temperatur (Junction Temperatur) exakt messen. Man muss ja nur auf der 'Eichkurve' nachschauen
Ergebnis: Bei 0.6A und 29° Umgebung (gleicher Aufbau wie oben) ergibt sich eine Differenzspannung von 14.5mV also eine Junction Temperatur von 41°C.
Bei 1.2A und 29° Umgebung ergibt sich eine Differenzspannung von 32,9mV also eine Junction Temperatur von 55°C.
Wenn man annimmt (die genauen Werte muss ich noch mal messen), dass bei 0,6A die LED eine Flussspannung von 2.9V hat, ergibt das 1.7W und damit ein Gesamtwärmewiderstand von etwa 7°C/W (Temp.Differenz=12°)
Für die Messung mit 1.2A (Annahme: Flussspannung = 3V) ergibt sich ein Gesamtwärmewiderstand von ebenso 7°C/W (Temp.Differenz=26° und Leistung=3.6W)

Eine genauere Messung der Ströme (und Flussspannungen) und eine Messung bei 2.4A liefere ich noch die nächsten Tage nach.
Dann kann man auch mal praxisorientierte Tests machen, z.B. die LED (nur auf Star montiert) prüfen, bis zu welchem Strom die Junction Temperatur unter 100° bleibt, oder ob ein Stück Alu-Blech von z.B. 10cm Kantenlänge als Kühlkörper reicht...
tommi
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Di, 24.05.11, 22:21

Daten - so hab ich das gern :)

Interessant wär noch zu wissen wie stark die LED's streuen. Also ob man jetzt für Abschätzungen deine 1,3 mV/K verwenden kann oder ob das stark variiert.

Interessant wär noch ob du nen Wärmewiderstand zwischen LED und Platine auf die Weise raus bekommen kannst. Also um einen Zusammenhang Temp der Platine und Chiptemperatur zu bekommen, das wäre ja auch leicht zu Messen.

5 Sterne von mir!
Lg Tommi
Borax
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Di, 24.05.11, 22:53

Danke für die Sternchen... Serienstreuung kann ich mangels weiterer XM-L T6 LEDs nicht bestimmen (und nur zum Messen kaufe ich die auch nicht). Ich habe aber gerade ein paar andere LEDs bestellt (Nichia NS9L153MT und NS6L183T). Da werde ich bestimmt noch ein paar Messungen machen.
Interessant wär noch ob du nen Wärmewiderstand zwischen LED und Platine auf die Weise raus bekommen kannst. Also um einen Zusammenhang Temp der Platine und Chiptemperatur zu bekommen, das wäre ja auch leicht zu Messen.
Ist mir nicht ganz klar... Um den Wärmewiderstand zwischen LED und Platine zu bestimmen, müsste ich die LED ohne Platine betreiben, aber die Unterseite der LED auf einer einheitlichen Temperatur halten. Das ist mechanisch nicht so einfach... Und die Oberflächentemperatur der Platine ist mit meinen Mitteln auch nicht exakt bestimmbar. Ich vermute jedoch, dass ein großer Anteil des Wärmewiderstands von 7°C/W auf genau den Wärmewiderstand zwischen LED und Platine zurückzuführen ist. Junction-Case ist laut Datenblatt (wobei es die Frage ist, wie genau dieser Wert ist...) 2.5°/W. Der Wärmewiderstand zwischen Platine und Kühlkörper dürfte wegen der doch recht großen Fläche der Star-Platine eher klein sein. Und derjenige zwischen Kühlkörper und Kühlwasser ist dank der großen Strömungsgeschwindigkeit des Kühlwassers zu vernachlässigen.
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Mi, 25.05.11, 09:32

EXZELLENT!

Auf die Idee, die LED bei vernachlässigbarem LED-Strom von außen zu Erwärmen, um deren Vorwärtsspannung bei verschiedenen temperaturen erstmal ganz genau zu bestimmen bin ich noch gar nicht gekommen. (Die Idee per MCU den Strom kurz runterzuschalten und dann zu messen schwebte mir auch schonmal vor, aber das ist dann doch ein großer Aufwand, der Zeit kostet und die Freundin grantig machen würde...)

Schade, dass man nicht 50 Sterne vergeben kann! :-)
Endlich mal wieder ein hochinteressanter und tiefgründiger Beitrag!

Ich habe mich auch schon gewundert, dass die XP-G -2 mV/K haben soll und die neuere XM-L -3mV/K (XR-E und XP-E hatten -4 mV/K) --- spricht: bei der Cree XM-L hat sich der Temperaturkoeffizient "gefühlt rückwärts/in die falsche Richtung" entwickelt.

Vielleicht haben aber auch nur die Datenblatt-Schreiberlinge von Cree die Daten der Ingenieure falsch aufgeschreiben und das "1," vor der "3" weggelassen, weil sie dachten, das wäre unwichtig und würde eh' keinen interessieren.

Deiner Messung nach ist zumindest diese Angabe im Datenblatt falsch und IMHO sollte man mal Cree kontaktieren und darauf hinweisen.

-1,3mV/K würden auch wesentlich besser zur Historie der Vorgänger-LEDs passen, da hat sich der Temperaturkoeffizienz schließlich bisher immer weiter verringert.
Fasti
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Mi, 25.05.11, 13:19

Hallo,

interessant wäre, wie sich die Umgebungshelligkeit der LED auf die Temperaturmessung auswirkt. Halte mal während der Messungen eine TaLa vor die LED und schau ob du dann auch noch genau messen kannst, Stichwort Photodiode. Es wäre interessant wie stark das Einfluß auf die Messung mit einer XM-L hat.

Grüße

Fasti
Borax
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Mi, 25.05.11, 14:02

Ok. Werde ich testen. Was natürlich auch interessant wäre, wenn jemand meine Messungen bestätigen könnte. Soo groß ist der Aufwand eigentlich gar nicht. Ein paar LM317 hat vermutlich jeder ambitionierte Bastler unter uns sowieso in der Kiste und ebenso einen Mosfet und ein paar Shunt Widerstände. Einzig beim ATTiny45 + dazu gehörendes Equipment (Programmer + RS232 Interface) bin ich nicht so sicher...
Das 'Kühlwasser' könnte man zur Not auch von Hand rühren und weil die Wärmekapazität von Wasser extrem groß ist, braucht es nicht mal eine Thermostatisierung. Bis sich die Temperatur bei ausgeschalteter Heizung um mehr als ein halbes Grad ändert, dauert es bei einem halben Liter Wasser locker 20 Sekunden (bei höheren Temperaturen geht es natürlich schon ein wenig schneller) und in der Zeit hat man den Wert problemlos abgelesen.
Fasti
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Mi, 25.05.11, 14:28

Servus,

würde ich gerne, allein mir fehlt die Zeit..... leider

Grüße

Fasti
Borax
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Mi, 25.05.11, 22:51

Schade. Also beleuchten (mit meiner P4 Taschenlampe) ändert im Rahmen der Messgenauigkeit gar nichts.
Die genauen Ströme und Spannungen: 0.62A bei 2.87V und 1.19A bei 2.98V. Für die 2.5A Messung habe ich gerade keinen passenden Shunt zur Hand. Kommt aber bald.
Fasti
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Do, 26.05.11, 12:25

Hallo Borax,

ich habe gedacht, dass du bei wesentlich weniger Strom misst (hatte geglaubt was von 4mA gelesen zu haben). Der Diodeneffekt ist sehr hochohmig, weshalb es leicht sein kann, dass man ihn schon bei ein paar mA oder sogar uA Belastung nicht mehr messen kann.

Grüße

Fasti

PS: Ich finde die Methode genial, da man hier zB in einer TaLa ohne großen Bauteil-Zusatzaufwand die Chip Temperatur zumindest grob auswerten könnte und bei zu hoher Temp den Strom reduzieren könnte.
Borax
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Do, 26.05.11, 13:21

ich habe gedacht, dass du bei wesentlich weniger Strom misst (hatte geglaubt was von 4mA gelesen zu haben).
Hab ich auch (auch beim Beleuchtungsversuch). Gemessen wird die Differenzspannung zwischen Spannungsreferenz und LED immer bei den vorgegebenen 4.1mA.
Nur bei den 'Hochstromversuchen' (0.6A und 1.2A) hatte ich die Ströme nur über die Shuntwiderstände abgeschätzt (hat ja auch halbwegs genau gepasst) und die Spannungen nur vom Datenblatt geschätzt. Diese habe ich jetzt noch mal genau gemessen (nicht mit dem Tiny sondern mit dem UT50E direkt an den LED-Lötstellen).
Um LEDs als Photodioden zu verwenden werden sie (wie Photodioden auch) in Sperrrichtung betrieben. Oder als 'Solarzelle'. Hab ich auch schon mal gemacht - geht recht gut. Im 'leuchtenden' Zustand ist der Effekt aber quasi nicht vorhanden.
Siehe auch: http://itp.nyu.edu/physcomp/sensors/Reo ... Photodiode
To use the LED as an optical detector, do not forward bias the LED into quadrant # 1 of the current-voltage (I-V). (Quadrant 1 is when the operating voltage and current are both positive.)
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Mo, 30.05.11, 11:29

Die noch ausstehende Messung bei ~2.5A:
Umgebungstemperatur: 24°
Strom: 2.46A
Spannung: 3.12V (im 'aufgeheizten' Zustand - bei diesem Strom kann man schon die Aufheizphase am Messgerät beobachten - Spannung fällt von etwa 3.2V in ca. 10 Sekunden auf 3.12V ab)
Entsprechend Leistung: 7.7W
Junction Temperatur: 83°
Gesamtwärmewiderstand: 7.6°/W

Auf Star kann man also diese LED nur mit wirklich idealer Kühlung bei 2.5A betreiben. Weil bei einer Kühlkörpertemperatur von 40° (was im Sommer ja ggf. schon gar nicht mehr möglich ist) würde ja schon eine Junction Temperatur von etwa 100° erreicht werden.

Als nächstes kommt die Cree CXA2011, warmweiß an die Reihe. Hier erhoffe ich mir einen wesentlich geringeren Gesamtwärmewiderstand (laut Datenblatt: Effective thermal resistance, junction to case = 0.4°C/W...)
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Mo, 30.05.11, 12:13

Mir fallen 2 interessante Dinge ein, die man mit Deiner Methode mal rausbekommen könnte:

-Welche Temperatur erreicht der Chip einer 5mm-LED bei einem z.B. 2,5W 5mm-LED-Spot? (Zum Messen eine LED elektrisch trennen, aber zwischen den anderen LEDs lassen und separat mit Niederspannung bestromen, Achtung: gefährlich, nichts für Anfänger)

-Welchen Temperaturkoeffizienten haben die NSSL157 (derzeit verwendete LEDs der Matrix)
(Nichia gibt den leider nicht an)
Borax
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Mo, 30.05.11, 14:08

Welche Temperatur erreicht der Chip einer 5mm-LED bei einem z.B. 2,5W 5mm-LED-Spot?
Hab ich nicht. Und nur um das nachzumessen werden ich mir auch keine davon kaufen :)
Welchen Temperaturkoeffizienten haben die NSSL157 (derzeit verwendete LEDs der Matrix)
Ist schon geplant. Ich habe eine warmweiße Matrix (180lm Version), auch weil mich das selbst interessiert. Ich muss mir nur noch überlegen, wie ich die Matrix thermisch so gut koppeln kann, um den Temperaturkoeffizienten sauber zu vermessen (Ablöten werde ich die LEDs nicht). Aber zuerst kommt die Cree CXA2011. Mein erster Eindruck von dieser LED ist jedenfalls hervorragend.
jkunz
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So, 05.06.11, 22:11

Sehr interessante und fundiert durchgeführte Messung. Der Wert von 7 K/W für den Wärmewiderstand der Sternplatine ist geradezu beängstigend. Ich frage mich wie der zustande kommt. Mich würde mal der Vergleich mit einer Keramikplatine interessieren.

Ich könnte dir eine XM-L auf Stern von einem anderen Hersteller zur Vermessung schicken. Ebenso würde ich dir auch mal eine Platine von 35 mm Durchmesser mit 4 x XP-G und ein Bridgelux BXRA-W1202 für eine Messung zur Verfügung stellen.

Wegen thermischer Kopplung: Einfach in deionisiertem Wasser versenken? So hätte ich das gemacht. Dann spart man sich das ganze Gehampel mit dem Kühlkörper komplett. Einfach an den Anschlussdrähten ins Becherglas hängen lassen.
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Mo, 06.06.11, 08:22

Könnte man nicht auch einen PT100 oder PT1000-Temperatursensor mit an den Kühlkörper kleben oder an die LED und das ganze dann ohne Wasser, z.B. mit dem Kühlkörper auf einer Heizplatte/Kochplatte durchführen?

Und würde es nicht noch genauer, wenn man die LED in einem Styroporkästchen verpacken würde, damit sie keine Wärme an die Umgebung abgeben kann? (ist sicher nur wenig, aber bei hohen Temperaturen sicher ein minimaler Unterschied feststellbar)
Borax
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Mo, 06.06.11, 10:15

Einfach in deionisiertem Wasser versenken?
Darüber habe ich auch schon nachgedacht... Aber dest. Wasser ist auch als eine eher 'aggressive' Flüssigkeit bekannt, das mache ich nur mal bei LEDs auf die es mir nicht so sehr ankommt (z.B. alte Seoul P4). Bei 'Vollplastik' 5mm LEDs hätte ich da keinerlei Bedenken, aber beim Gedanken Silikonlinsen bei höheren Temperaturen in dest. Wasser zu 'kochen' ist mir absolut nicht wohl... Kurzzeitig (< 1 Minute) und bei max. 60°C sollte es aber vmtl. gehen, ohne das Silikon zu beschädigen.
Ich könnte dir eine XM-L auf Stern von einem anderen Hersteller zur Vermessung schicken. Ebenso würde ich dir auch mal eine Platine von 35 mm Durchmesser mit 4 x XP-G und ein Bridgelux BXRA-W1202 für eine Messung zur Verfügung stellen.
Danke für das Angebot! Im Moment kämpfe ich gerade mit dem ATTiny... Um die Messgenauigkeit noch weiter zu verbessern möchte ich den gerne mit ADC Noise Reduction betreiben, aber das läuft noch nicht stabil. Im Pollin Evaluation-Board geht es, aber in der 'Messschaltung' nicht mehr... Ich habe den Grund dafür aber noch nicht gefunden. Der Chip bleibt einfach 'stehen' bzw. der ADC Interrupt kommt nicht zurück (normale Messung ohne Interrupt geht problemlos). Aber das kriege ich schon noch hin.
Könnte man nicht auch einen PT100 oder PT1000-Temperatursensor mit an den Kühlkörper kleben oder an die LED und das ganze dann ohne Wasser, z.B. mit dem Kühlkörper auf einer Heizplatte/Kochplatte durchführen?
Würde bestimmt auch gehen. Aber die Temperatur ist dann vmtl. wesentlich schwieriger zu kontrollieren. Wasser hat einfach den Vorteil der extrem großen Wärmekapazität, daher sind eben Temperaturschwankungen während der Messung minimiert.
Und würde es nicht noch genauer, wenn man die LED in einem Styroporkästchen verpacken würde, damit sie keine Wärme an die Umgebung abgeben kann? (ist sicher nur wenig, aber bei hohen Temperaturen sicher ein minimaler Unterschied feststellbar)
Bei der Aufheiz-Eichkurve ist ja kein derartiger Effekt feststellbar. Vermutlich sorgt der Wasserdampf über dem Wasserspiegel auch da für eine recht gleichmäßige Temperatur. Und bei der 'Betriebsmessung' darf IMHO die LED durchaus auch Wärme 'abstrahlen', weil es ja um die 'Gesamterwärmung' im Betrieb geht und dieser Effekt unter realen Einbaubedingungen ja die gleiche (vmtl. zu vernachlässigende) Größe hat.
jolep
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Mo, 06.06.11, 20:46

Ich frage mich auch, wo denn die 7K/W herkommen bei deinem Aufbau. Wenn die LED selbst da schon einen Großteil davon einnimmt, wäre das ja fast schon arglistige Täuschung bei dem großen Unterschied.

Im Datenblatt steht Junction to Solder pads = 2,5K/W. Die Pads sind gelötet auf der Star-Platine, das kann nicht viel sein.Die Alu-Platine sollte sehr gut Wärme leiten, ist aber eine unbekannte Größe in dem Aufbau. WL-Paste hast du sicher nicht vergessen bei so einer professionellen Untersuchung. Und der in Wasser getauchte KK hat fix die Wassertemperatur, basta. Also woher kommen die 4,5 K/W zwischen Lötpunkt und Wasser?

Mir fallen hierzu ein paar weitere Untersuchungsmöglichkeiten ein :
- Messen der Lötpad-Temperatur auf der Aluplatine
- Mal mit der Thermokamera draufschauen
- genaue Thermostatheizung (1-2 dicke Widerstände). Thermisch so gut es geht an die Starplatine gekoppelt.

aber irgendwie trotzdem komisch, der Wert. So wären die 10W auf der Starplatine in einem realen Aufbau ja quasi nicht erreichbar.

Oder steckt da irgendwo ein systematischer Fehler in deinem Aufbau ? (obwohl ich auch unter intensivem Nachdenken nicht draufkomme, wo der sein sollte). Denn wenn die LED doch -3mV/K zeigt, dann hätte sie ca. 2.8 K/W und beide Werte stimmen wieder.
??? :shock: ???
jkunz
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Mo, 06.06.11, 21:51

Dann halt (Silikon) Öl an Stelle von Wasser. Oder eine andere inerte Flüssigkeit. Hat ja schon anno dazumal der olle Cray mit seiner Cray 2 gemacht: Die Maschine schwamm im FCKW Kühlmittelbottich... :-)

Wegen der LEDs: Wenn du sie haben willst gib bescheid sobald du die Muse für eine Messung hast. (Rück-) Porto übernehme ich selbstverständlich. Im Moment liegen die bei mir nur Nutzlos rum.
BMK
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Di, 07.06.11, 00:02

jolep hat geschrieben:Im Datenblatt steht Junction to Solder pads = 2,5K/W. Die Pads sind gelötet auf der Star-Platine, das kann nicht viel sein.
Ich denke mal, das Pad der LED ist auf eine 'quadratische Leiterbahn' gelötet,
die ihrerseits zum Alukern isoliert ist. Und der Wärmeübergang durch eine
Isolierschicht ist nicht so dolle, das würde die fehlenden 4,5K/W erklären.
jolep
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Di, 07.06.11, 08:06

BMK hat geschrieben:Ich denke mal, das Pad der LED ist auf eine 'quadratische Leiterbahn' gelötet,
die ihrerseits zum Alukern isoliert ist. Und der Wärmeübergang durch eine
Isolierschicht ist nicht so dolle, das würde die fehlenden 4,5K/W erklären.
Korrekt. Sucht man ein bisschen rum, findet man den Wärmewiderstand einer Alu-Kern-Platine. Da kommen bei so einem kleinen Ding durchaus ein paar K/W zusammen, damit sind in Summe die 4,5 K/W möglich.

Das liegt ja überwiegend an der Isolation des Kupfers zum Alukern. Da das mittlere Pad der LED aber elektrisch neutral ist, wird hier leider viel Kühlungsmöglichkeit verschenkt.
Besser wäre also eine Kupferplatine, wo das mittlere Pad direkt ohne Isolator verlötet wird. Da würde man einen deutlich besseren Wärmeübergangswiderstand erhalten.

@Borax : Nochmals extra "Danke" für die Messung der Aluplatine ;-)
Borax
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Di, 07.06.11, 09:14

Silikonöl wäre natürlich gut geeignet. Mal sehen, ob ich mir das 'gönne' (14€/500mL). Aber zunächst mal muss meine Messschaltung sauber funktionieren. Mir ist immer noch nicht klar, warum ein (wie auch immer aussehender) elektrischer Fehler verhindert, dass der ATTiny aus dem ADC Interrupt zurückkommt, wenn ohne Interrupt keinerlei Fehler (weder Messfehler noch Softwarefehler) feststellbar sind. Irgendeinen Bock muss ich wohl beim Layout gebaut haben. Und Fehlersuche ist halt immer zeitaufwändig.
Wegen dem Wärmewiderstand...
Mich wundert der hohe Wert auch. Typischer Wärmewiderstand einer Star-Platine sollte 1-2K/W betragen (im Seoul P4 Datenblatt ist für Emitter 'nackt' 8.5K/W und mit Starplatine 10.1K/W, also Wärmewiderstand der Star-Platine = 1.6K/W). Drum hoffe ich ja auch darauf, dass sich doch noch jemand findet, der meine Messungen wiederholt.
[EDIT]
Hier ist auch noch ein interessanter Artikel zu diesem Thema:
http://mycite.omikk.bme.hu/doc/83756.pdf
Als Testobjekt wurden CREE MCE LEDs verwendet (in Serie verschaltet).
Zwei Punkte passen ganz gut zu meiner Messung...
1. Im MCE Datenblatt sind als Temperature Coefficient of Voltage 4mV/K angegeben (pro Chip). Bei vier in Serie müssten es also 16mV/K sein. Gemessen (bei 10mA) haben die Autoren aber nur 6,8mV/K also 1,7mV/K pro Chip. Ist also ähnlich wie die Diskrepanz bei mir (angegeben: 3mV/K / gemessen: 1.3mV/K)
2. Bei einem bestimmten Aufbau des Trägers wurde auch dort ein Wärmewiderstand von etwa 7K/W gemessen.

Am besten (geringster Wärmewiderstand) war allerdings auch hier die Verwendung einer guten Wärmeleitpaste zwischen LED und Kühlkörper ohne die Isolierschicht einer Starplatine.

Ein anderer Effekt der hier beschrieben wird (ist mir auch schon aufgefallen, hab ich aber nicht weiter verfolgt, weil ich mich auf den Messstrom von 4.1mA 'festgelegt' hatte): Bei höherem Strom ändert sich der Temperaturkoeffizient! Im genannten Artikel wurden 6,8mV/K (= 1,7mV/K pro Chip) bei 10mA Strom gemessen aber 10,4mV/K bei 350mA (= 2,6mV/K pro Chip) und 10,9mV/K bei 700mA (= 2,7mV/K pro Chip). Ich werde das auch noch mal verfolgen (Messung bei 0.6A und duty 1:1000 also ca. 1 Millisekunde Strom an, 999 Millisekunden Strom aus). Wie in dem Artikel auch zu finden ist, erwärmt sich eine MCE bei 700mA (Vf=12.5V also fast 9W Leistung) in einer Millisekunde nur um ca. 2-3°C (Junction temperature). Bei einer XM-L T6 mit 0.6A (also 1.7W) sollten es in einer Millisekunde also schon weniger als 1°C sein.
Nach 0,1 Sekunden sind es aber bei der MCE (700mA / 9W) schon etwa 15° Erhöhung der Junction Temperatur, also ist es absolut hoffnungslos, einen 'Nullwert' bei höherem Strom mit einem Digitalmultimeter messen zu wollen.
jolep
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Mi, 08.06.11, 09:24

Interessanter Artikel !

Dass der Temperaturkoeffizient nicht konstant über den Strom ist, hatte ich auch schon vermutet. Bei elementaren Halbleiter-Bauteilen ist generell alles nichtlinear.

Dann fällt mir aber auch auf, dass man für die Berechnung des echten Rthjc (Wärmeübergangswiderstand Junction - Case) natürlich die Strahlungsleistung aus der zugeführten Leistung abgezogen werden muss. Zuerst denkt man zwar evtl, das wäre egal, mit dem falschen Wert zu rechnen, da sich am Ergebnis nichts ändert, aber das stimmt nicht ganz. Bei hohen Temperaturen verliert die LED Wirkungsgrad und emittiert weniger Strahlung. Dort darf dann mit dem schlechteren (=echten) Rthjc weniger Strahlungsleistung abgezogen werden, wodurch mehr Wärme in der LED verbleibt und diese eben noch wärmer wird.
(vielleicht etwas kompliziert ausgedrückt...)
Borax
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Sa, 11.06.11, 17:08

So! War eine schwere Geburt, bis das richtig funktioniert hat...
Es gibt da so einige Ecken und Kanten beim ATTiny45. Aber das erklär ich nur wenn es jemand interessiert.
Ergebnisse zur Cree CXA2011:
(FANTASTISCH!)
Die LED war (wie oben) auf einem Stück CPU Kühlkörper montiert (mit Arctic Silver5 Wärmeleitpaste)
Temperaturkoeffizient (bei 4mA): 21mV/K (max. Fehler etwa 5% - falls jemand die Rohdaten haben will, gerne)
Strom: 275mA, Spannung: 41,7V, Leistung: 11,3W, Kühlwassertemp: 30°, Junction Temperatur : 38° Wärmewiderstand: 0.71K/W
Strom: 400mA, Spannung: 42,6V, Leistung: 17,0W, Kühlwassertemp: 30°, Junction Temperatur : 42° Wärmewiderstand: 0.70K/W
Strom: 490mA, Spannung: 43,4V, Leistung: 21,3W, Kühlwassertemp: 32°, Junction Temperatur : 47° Wärmewiderstand: 0.71K/W

Bin begeistert!

@jkunz
Ich könnte dir eine XM-L auf Stern von einem anderen Hersteller zur Vermessung schicken. Ebenso würde ich dir auch mal eine Platine von 35 mm Durchmesser mit 4 x XP-G und ein Bridgelux BXRA-W1202 für eine Messung zur Verfügung stellen.
Schreib mir mal eine PN, dann können wir das besprechen. Aber nur, wenn diese LEDs irgendwie sinnig auch einem Stück Kühlkörper befestigt werden können. 'Baden' der Leds ist mir einfach zu gefährlich.
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alexStyles
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Sa, 11.06.11, 20:35

Tolle Arbeit Borax, musste ich mal loswerden.
Borax
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Di, 14.06.11, 13:29

Danke für das Lob! Ich habe jetzt noch mal eine Aufheizkurve der Cree CXA2011 bei höherem Strom (275mA) gemessen (duty ca. 1ms an pro Sekunde) und siehe da, der oben beschriebene Effekt (Stromabhängigkeit des Temperaturkoeffizienten) kann ich bestätigen. Die Werte sind nicht ganz so gut wie diejenigen bei 4mA, aber +/- 10% würde ich sagen der Temperaturkoeffizient der Cree CXA2011 bei 275mA liegt bei -37mV/K. Also ist die (Datenblatt-)Angabe des Temperaturkoeffizienten ohne Angabe des Stromes bei dem dieser gemessen wurde sinnlos. Wenn man annimmt, dass die Angabe des Temperaturkoeffizienten im Datenblatt der Cree CXA2011 mit -35mV/K auch bei 270mA bestimmt wurde (wie die meisten anderen Werte), dann passt es recht gut zu meiner Messung.
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