在频闪灯中使用 LED 驱动过电流

电器工程 引领
2022-01-08 23:09:24

我想要一个使用 RGB LED 作为光源的频闪灯。我想以 100 Hz 左右的持续时间非常短的脉冲(理想情况下为微秒或更短)对 LED 进行脉冲处理。

每秒 LED 的总开启时间可能小于 1/1000 秒。如果 LED 以标称功率驱动,则总光输出将很低,由此产生的照度将非常差。我对通过恒定功率的 LED 驱动非常短的脉冲的想法很感兴趣,但电流远高于标称值。理想情况下,是标称值的 10 倍甚至 100 倍。

这里有一个线程:LED 上的高电流脉冲表明短脉冲的标称电流高出几倍可能是可以的,但我认为他们谈论的脉冲比我想象的要长。

任何人都可以评论 LED 是否可能存在足够长的时间以发挥作用?我不介意总寿命大幅减少。只要它们能使用几十个小时(总时间可能不到一个小时),就可以了。

4个回答

对于这个问题的实际答案,至少需要对一个 LED 进行破坏性测试,最好是几个。

宽广地:

LED主要被热量破坏,而不是电流。根据 LED 的内部结构及其短期散热性能,可以想象 LED 可以承受 100 倍的额定电流。同样,如果结的热释放速度不够快,那么 LED 很可能会被额定电流的 5 倍损坏。


鉴于问题中提到的所需脉冲持续时间,我只是尝试了以下方法:

我有一个便宜的无名 20 mA 红色 LED,在 12 伏特下以0.8 安培脉冲,脉冲持续时间为5 微秒,占空比为 1/256(0.39%)。它在最后 15 分钟内没有爆炸,实际上引线甚至没有明显的温暖。不过,它不是很亮——这可能部分是由于开关波形的下降。

对于类似的 LED 过驱动要求,我遵循的内部经验法则是,驱动电流每比标称值增加 100%,LED 的平均额定功率就降低 10%。我认为这过于保守,但我已经成功地为使用白色 Piranha LED 的“相机闪光灯”类型应用提供了高达 30 倍的标称电流。

超出额定值是否会被视为可接受的工程?不是由一个长镜头。


更新:

  1. 在使用上述红色 LED 进行测试之后,PWM 频率降低,使得每个“开启”脉冲从之前的 4.88 微秒变为20 微秒保持占空比与之前相同。

    结果是真正的破坏性测试:LED 爆炸了,上半部分仍未被发现。

    假设:由于脉冲持续时间与 LED 的上升时间相当,因此 LED 不会真正点亮太多,也不会表现出预期的热灾难效应。

  2. 在保持 20 微秒脉冲持续时间和 0.39% 占空比的同时,引入了电流限制,系统地将允许电流从 50 mA 增加到 400 mA 以上。LED 可以存活到一个点,并且比整个 4.88 微秒的情况要亮得多。

    超过约 350 mA,LED 熄灭,魔法烟雾冒出,即它转变为 SED(Smoke Emitting,Dead)。

    结论

    • 平均功率不是导致破坏(或生存)的唯一因素,保持脉冲太短根本不允许 LED 开启足够重要
    • 在 20 微秒脉冲下,20 mA LED 可承受约 17.5 倍其标称电流额定值的破坏前
    • 我需要购买更多的 LED。

Anindo 在 20mA LED 上的有趣工作,我一直都知道在短占空比下可能会过驱动,尽管我不知道有多少。我想也许 10:1、40:1 可能会推动它!

然而,这可能不适用于更新的高性能 LED,这些 LED 已经通过仔细的热设计更加努力地运行。

例如,HP 的这种高功率 LED(cough,Avago)具有明确的“绝对最大”额定值,InGaN 的“峰值脉冲电流”为 2.4A,AlInGaP 二极管为 1.5A,仅为 700ma 额定电流的 3.5 倍和 2 倍。该器件数据表的第 6 页有您想要的:不同占空比的脉冲电流与持续时间图。

对其他大功率 LED 数据表的简要回顾显示,其中一个(350ma 设计电流)具有1.2A“绝对最大值”,有趣的附带条件是在产品的整个生命周期内累计 60 秒内不应达到此电流。

因此,它显然因大功率 LED 的不同品牌和型号而有很大差异。

LED 可以过驱动的量在很大程度上取决于设计。对于每种涉及的材料,每个 LED 都有一个在失效之前可以达到的最高温度

最大连续电流通常受到封装、保护二极管的透镜材料的限制。这种故障要么熔化,要么使镜片变得不透明(通常是黄色,然后是棕色)。可以通过减少产生的热量(提高效率)或有效的热传导来增加最大连续电流。这就是制造高功率 LED 的方法。

最大脉冲电流通常由载流材料决定。导体的质量很小,以至于它们很快过热并发生灾难性故障(即 Amindo Gosh 对爆炸 LED 的回答)。导电路径过热并失效,因为它没有足够的质量来处理电流浪涌。即使 LED 具有低热阻并且可以处理大的连续电流,它也可能无法处理比脉冲电流更多的电流。

可以将 LED 视为一系列热电容器和电阻器(电阻器与旁路电容器串联)。二极管具有低电容但也具有低热阻。它可以快速排出热量,但不能处理浪涌。封装具有高电容但也具有高热阻。它可以处理浪涌,但不能处理大的连续电流。

还有关于 LED 开启时间。这很可能受到您的控制电路而不是 LED 的限制。我只熟悉转换时间约为 10 纳秒的 CREE XLAMP LED。

LED 规格的绝对最大额定值部分通常会指定高于设备允许的连续工作电流的电流。如果您甚至超过了指定的最大电流一纳秒,那么就制造商而言,所有赌注都没有了。

在实践中,即使绝对最大额定值指定 500mA,也很可能在 10us 内通过该部件的电流为 1A,每秒一次,持续一年,而不会损坏任何东西。另一方面,将 1A 电流通过该部件 10us 也可能不会产生比通过 500mA 电流 10us 获得更多的光。无论一个 LED 投入多少功率,它通过其预期方式(即通过燃烧以外的方式)产生的光量都是有限度的。由于任何没有转化为光的功率都会转化为热量,因此在某个点之上,增加的峰值电流对部件寿命的不利影响远远超过它对产生的光量的影响。