LED-Chip-Temperatur (Junction Temperatur) exakt messen

[LED-Profi]

Hallo Borax,

hab alles gelesen, und auch vielen Dank für den Beitrag in meinem LED-Blog.

Deine Test sind einzigartig gut und hab ich bisher noch nirgends so fundiert und kompetent gefunden.
Bitte weiter so. Deine Aktivitäten inspierieren mich und würde am liebsten mich gleich dran hängen... wenn ja wenn ich gerade die Zeit dazu hätte.
Was ich anbieten kann, dass ich mal ein paar Messungen mit ner Wärmebildkamera übernehme. Du bekommst dann allerdings alles schwarz angemalt zurück.

Begeisterte Grüße,
Tom

[Borax]

Danke für das Angebot. Interessieren würde mich mal eine Wärmebildkamera-Aufnahme einer LED auf Starplatine (ca. 3-5W), die auf einem 2-3mm starkem Alublech mit ca 10cm Kantenlänge montiert ist. Und das ein Mal bei horizontaler und ein Mal bei vertikaler Lage des Alublechs. Die Aufnahme darf auch gerne die Rückseite des Alublechs zeigen. Da stört es auch nicht, wenn alles schwarz angemalt ist.

Ich habe heute die Nichia-NS9L153MT-H3-250lm-warmweiss auf Starplatine vermessen... herbe Enttäuschung:
Messaufbau wie beschrieben.
Temperaturkoeffizient (bei 3,7mA): 4,2mV/K (=1,4mV/K pro Chip; max. Fehler etwa 5%)
Strom: 173mA, Spannung: 9,40V, Leistung: 1,63W, Kühlwassertemp: 28°, Junction Temperatur : 58° Wärmewiderstand: 19K/W
Strom: 275mA, Spannung: 9,92V, Leistung: 1,63W, Kühlwassertemp: 28°, Junction Temperatur : 82° Wärmewiderstand: 19,8K/W
Strom: 335mA, Spannung: 10,15V, Leistung: 3,4W, Kühlwassertemp: 28°, Junction Temperatur : 98° Wärmewiderstand: 20,6K/W

Weil ich es fast nicht glauben konnte hab ich gleich noch eine zweite Nichia-NS9L153MT vermessen (ich hatte drei gekauft), in der Hoffnung hier einen geringeren Wärmewiderstand zu bekommen. Leider nichts. Die Messwerte waren im Rahmen der Messfehler (5%) völlig identisch.
Diese LED sollte man also IMHO eher nur mit 250mA belasten. Außer man kann dafür sorgen, dann der Kühlkörper nicht wärmer als ca. 40° wird. Schon bei 350mA ist eine (gesunde) Junction Temperatur (<100°) nicht machbar.

[CRI 93+ / Ra 93+]

Hmm, ich hätter eher die Alukernplatine im Verdacht...

Aber wie kommt es dann, dass die Cree XM-L ebenfalls auf Alukernplatine nur 7K/W Wärmewiderstand hat??? Diese LED hat doch eine nur minimal größere Grundfläche...

[stromflo]

Hi,

finde die Dokumentation zur Messung sehr gut und auch die Messung an sich ist natürlich absolut interessant!
Mich würden noch ein paar Bilder vom Messaufbau interessieren.
Vielleicht könntest du auch noch den Schaltplan und Programmcode bereitstellen.... oder habe ich da was überlesen ?!

Gruß Flo

[Borax]

Hmm, ich hätter eher die Alukernplatine im Verdacht...

Ich nicht (nur). 4-5K/W kommen wohl von der Platine, aber der Rest eher von der LED. Von dieser LED gibt es keine Angabe zum Wärmewiderstand im Datenblatt. Bei einer 'ähnlichen' http://www.nichia.co.jp/specification/e ... M-H3-E.pdf sind es aber auch 10-13K/W. Möglicherweise hat also die Nichia-NS9L153MT-H3 tatsächlich 15K/W.
@stromflo
Einiges habe ich ja schon beschrieben.
Hier noch ein paar Fotos sowie der 'aktuelle' Schaltplan (viele Widerstände sind steckbar und nur als XX - YYY Ohm angegeben weil sie genau auf die zu messende LED + Versorgungsspannung abgestimmt sein müssen)
'Gesamtansicht' (ohne Stromversorgung):

Attiny45_Led_Messung1.jpg (48.58 KiB) 16846 mal betrachtet

Links der Thermostat, Mitte der Magnetrührer mit Becherglas, LED und Thermometer, Rechts Messplatine)
Platine:

Attiny45_Led_Messung2.jpg (35.23 KiB) 16846 mal betrachtet

Wie gesagt, viele Widerstände sind steckbar (Potis haben sich nicht bewährt) und ebenso die Stromversorgung
Hier noch mal der 'wesentliche' Teil:

Links PT100 Fühler für den Thermostat, hinten Tauchsieder.
Und hier der Schaltplan:

Und die Software:

[Borax]

Ich habe am WE die Matrix warmweiß (alte Version mit '180lm') vermessen. Ergebnis ist recht erfreulich.
Messung: Die Matrix wurde mit einer Schicht Frischhaltefolie (ca. 10µ) als Isolator auf einem CPU Kühlkörper montiert. Diese zusätzliche 'Wärmeisolation' ist im Vergleich zur Platine sicherlich zu vernachlässigen. Die Matrix wurde 'so wie sie ist' verwendet (also incl. der 46,4Ohm Widerstände). Das bringt natürlich einen zusätzlichen Fehler bei der Bestimmung des Temperaturkoeffizienten mit rein, aber dieser dürfte auch nahezu vernachlässigbar sein, schließlich haben die LEDs bei 3,65mA (Messstrom) einen 'Innenwiderstand' von ~ 700 Ohm (drei Stück also 2100Ohm), so dass die knapp 50Ohm nur maximal 2% Fehler bewirken könnten. Der thermische Widerstand der Platine ist schon recht groß (habe ich nicht bestimmt), aber man merkt es daran, dass es schon ca. eine Minute dauert, bis die Flussspannung stabil bleibt, wenn man eine neue Temperatur einstellt. Gemessen wurden wieder Temperaturen im 5° Abstand zwischen 25° und 80°C. Der Temperaturkoeffizient der ganzen Matrix beträgt (bei 3.65mA!) etwa 3,9 mV/K, also 1.3mV pro LED (man muss nur die Serienschaltung berücksichtigen).
Wenn man die Matrix (auf Kühlkörper montiert!) bei Standardbedingungen betreibt (12,0V) ergab sich bei meiner Matrix ein Strom von 202mA. Dieser war fast gleichmäßig auf die drei parallelen Stränge verteilt (2x 68mA und 1x 66mA). Leistung also 2.4W. Bei 25° Kühlkörpertemperatur ergab sich bei diesen Werten eine Junction Temperatur von 52°C, also ein Wärmewiderstand von etwa 11K/W. Auf Grund der Methodik kann man diesen Wert aber schlecht auf eine einzelne LED 'umrechnen', aber für das 'Gesamtsystem' Matrix ist der Wert recht brauchbar.
=> Wenn die Matrix gekühlt wird, kann sie mit Sicherheit auch bei höherem Strom betrieben werden, ohne den LEDs zu schaden.

[CRI 93+ / Ra 93+]

Die Frischhaltefolie VERBESSERT den Wämerübergang! Denn sie verringert Luftpolster, die thermisch besser isolieren als die Folie. Das konnte ich zweifelsfrei nachweisen, der Unterschied ist aber gering. Doppelseitiges Klebeband geht noch besser.

52°C an den LED-Chips bei 25°C am Kühlkörper bedeuten aber in der Praxis (Matrix ohne Kühlkörper) dann die schon bekannten 90-110°C, in Extremfällen (keine Konvektion möglich, Wärmestau) sogar >120°C an den LED-Chips ...

[Borax]

Matrix ohne Kühlkörper

probiere ich auch noch mal aus. So etwa eine Stunde Betrieb an 12V frei in der Luft mit LEDs nach unten. Das sollte etwa der 'typischen' Betriebssituation entsprechen. Versuche mit 'Extremfällen' spare ich mir aber. Dafür ist mir die Matrix doch zu schade

[Borax]

Ergebnis: Junction Temperatur = 86° (bei einer Umgebungstemperatur von 26°). Temperatur an der Platinenoberfläche lag etwa bei 57° (gemessen mit einem kleinen SMD Temperaturfühler: KTY 13-5). Die Chiptemperatur lag also 29° oberhalb der Platinenoberflächentemperatur, also ein sehr ähnliches Delta wie bei der letzten Messung (27°).
Das Aufheizen hat nur ca. 10 Minuten gedauert. Danach hat sich die Junction Temperatur nicht mehr wesentlich geändert (auch nach einer Stunde nicht - von leichten Schwankungen um 3-4° mal abgesehen - wahrscheinlich Luftzug als ich mal das Zimmer verlassen habe).
=> Wenn man die Platine gerade noch anfassen kann (57° fühlen sich schon recht heiß an), dann geht es den LEDs noch gut.

[Borax]

Ich bin am WE endlich mal dazu gekommen die erste von den LEDs von jkunz zu vermessen. Ergebnisse sind erfreulich
Es handelt sich um eine 35mm 4 x XP-G Platine (von der Konkurrenz, daher kein Link...), kaltweiß in Serie geschaltet, die wie üblich auf Kühlkörper montiert war (wurde mir schon von jkunz so zur Verfügung gestellt) und nahezu vollständig in das Kühlwasser (bzw. Heizwasser) eingetaucht wurde.
Temperaturkoeffizient (bei 3,9mA): -5,4mV/°C (entspricht 1,35mV/°C pro LED), Fehler etwa 5%
Wärmewiderstand-Messwerte (bei einer Kühlwassertemperatur von 25°):

Code: Alles auswählen

U          I         P         dT      Rth
12,30      0,61      7,50      30      4,0
11,85      0,40      4,74      20      4,2
11,38      0,20      2,28      9       4,0

Anscheinend geht es also doch auch bei LEDs auf Platine einen guten Wärmewiderstand zu erreichen. Bei einer Kühlkörpertemperatur < 55°C kann man also die LEDs auf dieser Platine problemlos mit 700mA betreiben (die Junction Temperatur sollte dann bei etwa 90°C liegen).

[Borax]

So, jetzt die nächste...
CREE XM-L warmweiß auf Starplatine, 3V Version (vmtl. T3 von der Konkurrenz, daher kein Link...)
Die Ergebnisse sind sehr ähnlich wie die kaltweiße...
Temperaturkoeffizient (bei 4,1mA): -1,4mV/°C Fehler etwa 3%
Wärmewiderstand-Messwerte (bei einer Kühlwassertemperatur von 28°C):

Cree_XM-L_Rth1.png (1.24 KiB) 16672 mal betrachtet

Ein Rth von 8°C/W ist nicht berauschend, aber viiiel besser als bei den Nichia-NS9L153MT-H3-250lm-warmweiss auf Starplatine

[Borax]

CREE XP-G kaltweiß auf Starplatine (vmtl. XPGWHT-L1-1T-R5 auf Star-Platine von der Konkurrenz, daher kein Link...)
Nicht so toll
Temperaturkoeffizient (bei 4,2mA): -1,59mV/°C Fehler etwa 4%
Wärmewiderstand-Messwerte (bei einer Kühlwassertemperatur von 29°C):

Cree_XP-G_Rth1.png (1.2 KiB) 16634 mal betrachtet

Letztlich ist das aber konsistent mit der Messung der 4 x XP-G Platine, wenn man den dort gemessenen Wert (4°C/W) vervierfacht, landet man wieder bei 16°C/W...
Ergo, mehr als 700mA sollte man den CREE XP-G LEDs nur bei sehr guter Kühlung zumuten.

[Borax]

Die wollte ich schon lange testen: Nichia NS6L183T-H1 185lm warmweiß ohne Platine
Für Testzwecke wollte ich die LED aber nicht auf einen Alu-Träger aufkleben (kriegt man schließlich nicht mehr runter), also musste ich mir was anderes ausdenken: Einfach einklemmen. Das Stück Alu ist ein 1x1cm 4 Kant Rohr (1mm Materialstärke) mit etwa 4cm Länge (das eloxierte Baumarkt Zeug). Die LED wurde zwischen zwei Schrauben mit Unterlegscheibe (und ein Stück Kabel auf der anderen Seite der Unterlegscheibe) mit Wärmeleitpaste festgeschraubt. Für einen Testaufbau geht das gut, sieht allerdings nicht sehr hübsch aus:

Nichia_Montage.jpg (34.32 KiB) 16593 mal betrachtet

Das Ergebnis ist dafür aber sehr erfreulich:

nichia_NS6L_Rth1.png (920 Bytes) 16593 mal betrachtet

Bei einem Rth des Gesamtsystems von 5.5°C/W sollte man wohl auf Star-Platinen verzichten, wo immer das möglich ist.

[R.Kränzler]

Von dieser LED gibt es keine Angabe zum Wärmewiderstand im Datenblatt. Bei einer 'ähnlichen' http://www.nichia.co.jp/specification/e ... M-H3-E.pdf sind es aber auch 10-13K/W. Möglicherweise hat also die Nichia-NS9L153MT-H3 tatsächlich 15K/W.

Datenblatt S.9:

[Borax]

Wenn die 10°C/W bei der Nichia stimmen, dann ist hier einfach die Star-Platine besonders 'schlecht'.

So jetzt noch die letzte LED von jkunz...
Bridgelux LED Array BXRA-W1202, warmweiß, 1320 Lumen
Ergebnis ist klasse!
Datenblattangabe: Typical Thermal Resistance Junction to Case 0.5°C/W
Typical Temperature Coefficient of Forward Voltage -5 bis -15mV/°C (man beachte den großen Bereich!)
Messwerte:
Temperaturkoeffizient (bei 3.85mA): -7.36mV/°C Fehler etwa 4%
Wärmewiderstand-Messwerte (bei einer Kühlwassertemperatur von 27°C):

R_th_Bridgelux1202.png (1.22 KiB) 16457 mal betrachtet

[jkunz]

Hoch interessant! Ich bin in großer Versuchung gleich noch einen Stapel andere LEDs zu kaufen und dir zur Vermessung zur Verfügung zu stellen. (XP-G auf Keramik Platine, 3 x XM-L Modul der roten Konkurenz, Citizen COB Modul, ... ???)

[Borax]

Wenn Du meinst
Allerdings dauert es halt schon ein wenig bis ich dazu komme... die erste Messung ist ja schon zwei Monate her. Ich muss Dir jetzt erst mal die 'alten' zurückschicken.