Problemas de confiabilidad con un conjunto de 91 LED de alta potencia

He diseñado e impreso una PCB de 4 capas que acomoda 91 LED infrarrojos en un diseño rectangular de 7x13. Esto se utilizará como luz de fondo para un proyecto de visión artificial. Tengo un problema donde los LED individuales se están quemando o tal vez se desconectan del circuito de alguna manera. Sospecho que la disipación de calor puede ser la causa del problema.

Imagen

Diseño de PCB

Cada fila de 7 LED (texto de LED verde) está cableada en serie. La fuente de 12V (VCC powerplane) se conecta al primer LED. Los siguientes 6 están conectados en serie. Finalmente, una resistencia limitadora de corriente (texto verde R) conecta el último LED al plano de tierra.

Presupuesto:

• Avión VCC: suministro de 12V, 2A
• LED: TSHG6200 . Corriente nominal máxima de 100 mA.
• Resistencia limitadora de corriente: 20 ohmios
• Soldadura: Thermoflow Sn60 / PB40
• Disipación de energía total estimada: 12V * 0.1A por fila * 13 filas = 15.6W.
• Tamaño de la matriz: 13 filas de 7 LED, aproximadamente 7 cm x 6 cm

Mediciones

Con una fuente de alimentación de 12 V, hay aproximadamente 1,45 V sobre cada LED y aproximadamente 2,0 V sobre la resistencia limitadora de corriente, lo que significa una corriente de 100 mA. Debido a que está justo en la corriente máxima permitida, puse un gran potenciómetro de alta potencia entre la fuente de alimentación y el plano VCC, y lo usé para regular el voltaje de entrada para que sea ligeramente más bajo (11.5V más o menos). Esto hace que la corriente sea segura por debajo del monto máximo permitido.

También estoy usando un par Darlington para controlar la luz de fondo con un Arduino. La luz de fondo está encendida casi todo el tiempo y ocasionalmente se apaga durante aproximadamente 30 ms. No creo que esto sea relevante para el problema, pero puedo proporcionar más detalles si es necesario.

Problema

Después de unos 10-30 minutos de uso, una o más de las filas de LED se apagarán. Si mido el voltaje a través de cada LED en la fila rota, la mayoría de los LED están a aproximadamente 0.8V y uno tiene aproximadamente 8.0V a través de él. No fluye corriente. A veces, resolver los pines o tocar el LED soluciona esto. A veces tiene que ser reemplazado. En cualquier caso, solo obtengo otros 10-30 minutos de uso antes de que salga otro.

Otra observación es que todo el reverso del tablero es algo pegajoso. Puedes ver esto en la imagen de arriba. Me pregunto si se está calentando demasiado y la soldadura se está comprometiendo (¿¿quizás exuda flujo?).

Pregunta

¿Qué debo intentar para mejorar la fiabilidad? Ya he intentado ejecutarlo a un voltaje más bajo para obtener la corriente de manera segura por debajo del máximo nominal. Me pregunto si necesito usar un tipo diferente de soldadura. ¿O algún tipo de disipador de calor? Los LED se calientan al tacto pero no de manera insoportable.

Editar, después de probar sugerencias

¡Gracias a todos por los consejos! Hice algo bastante simple: apunté a un ventilador de computadora para que soplara aire a través de la matriz, ¡y funcionó fantásticamente! Supongo que esto es realmente obvio para muchos de ustedes, pero me sorprendió lo enorme que era la diferencia.

Sin ventilador:

• 25mA por fila -> 39C
• 33mA por fila -> 41C
• 40mA por fila -> 48C
• 55mA por fila -> 52C

Entonces nos metemos en la "zona de peligro" de la temperatura mucho antes de alcanzar la corriente máxima por LED.

Con ventilador:

• 35mA por fila -> 26C
• 60mA por fila -> 30C
• 90mA por fila -> 34C

Lo ejecuté a 90 mA por fila y 34 ° C durante más de una hora sin problemas. ¡Excelente!

Ya has dado con la respuesta: tus LED se están calentando. Puede que 15 vatios no parezca mucho, pero se está acumulando y matando sus LED. Le sugiero que obtenga un termistor y lo conecte al centro de la placa, luego controle la temperatura mientras el sistema funciona. Aún mejor, conéctelo al cuerpo de uno de los LED.

Debido a que está usando esto como luz de fondo, no use LED de haz estrecho. Use unidades de haz relativamente anchas y separelas para que el aire pueda pasar. Si puede encontrar una fuente de, digamos, LED de 35 grados, instale solo cada uno en un patrón de tablero de ajedrez, soldando el puente según sea necesario. Solo obtendrá la mitad del brillo total, pero eso es apenas perceptible, y el flujo de aire mejorado debería ser de gran ayuda. También es posible que deba proporcionar un ventilador con algunos conductos para mantener el flujo de aire a través del conjunto adecuado.

Y siempre incluya un monitor de temperatura. Si bien no es directamente aplicable, este video de YouTube muestra los principios de enfriamiento. En su caso, dado que tiene un bosque de LED verticales, es importante no dejar que los LED se toquen entre sí, ya que esto bloqueará el flujo de aire.

De la hoja de datos:

Figura 1. Corriente directa máxima absoluta.

y más adelante:

Figura 2. Reducción de la corriente del LED a temperatura incrementada.

La corriente y la temperatura son tus problemas. Está funcionando a una corriente máxima absoluta sin espacio de maniobra y está permitiendo que la temperatura aumente. A 60 ° ambiente, la corriente máxima permitida se reduce drásticamente.

Un google rápido para "disipador térmico LED" le encontrará muchas soluciones adecuadas para enfriar sus LED quemados. Sin embargo, mi recomendación inicial sería convertir la parte superior de la PCB en una capa de disipador térmico y usar adhesivo térmico para pegarle los LED. Me temo que es más soldador, pero hola.

Para obtener más información, he encontrado que Wikipedia tiene un enlace a varias tecnologías de enfriamiento LED que pueden ser de interés.