Sperrschichttemperaturmessung für LED-Glühlampen

Abstrakt
Die Verbesserung und Verbreitung der LED-Glühlampen erfordert zuverlässige und genaue Methoden und Instrumente zur Messung der Sperrschichttemperatur. Basierend auf den Durchlassspannungsmethoden werden der Messprozess und die Ausstattung von LED-Glühlampen vorgestellt. Die Abhängigkeit der Sperrschichttemperatur von verschiedenen Faktoren wird diskutiert.

Allgemeines
Obwohl die LED-Glühlampentechnologie in den letzten Jahren für Anwendungen ausgereift ist, gibt es immer noch einige Schwierigkeiten beim Wärmemanagement, die zu einer raschen Lichtverschlechterung und einer geringen Lampenleistung führen und die Erforschung von Anwendungen und den Marktaufwand einschränken.

Die Sperrschichttemperatur Tj von LEDs ist der Schlüssel zur Bestimmung der Leuchtenleistung, insbesondere der Lichtwartung und -lebensdauer. Die zuverlässigen und genauen Methoden und Instrumente der Tj-Messung sind für LED-Glühlampen erforderlich, um nicht nur die Rationalität des thermischen Designs objektiv zu bewerten, sondern auch das Systemdesign und die Herstellungstechniken zu verbessern, um die Produktivität zu steigern und die Lebensdauer zu verlängern .

Die LED-Filamente sind in dem mit Gasen gefüllten Glaskolben versiegelt, wobei nur zwei Polaritätskabel außen verbleiben, um eine Verbindung zum Treiber herzustellen. Da es schwierig ist, Thermoelemente in die versiegelte Glühbirne zu injizieren oder das Infrarotlicht das Glas durchzulassen, können die Stifttemperatur- und Thermografiemethoden für Glühlampen nicht angewendet werden. Die Durchlassspannungsmethode ist die richtige Wahl.

Durchlassspannungsmethode zur Messung der Sperrschichttemperatur
Die für die Tj-Messung von Halbleitern verwendete Spannungsmethode wurde vom Joint Electron Device Engineering Council (JEDEC) herausgegeben. Der Tj wird aus der transienten Durchlassspannung von LEDs bei dem bestimmten Teststrom während des Betriebs basierend auf der Temperaturcharakteristik des PN-Übergangs abgeleitet.

Bei konstantem Strom behält die Sperrschichtspannung für die meisten Halbleiter die ungefähre lineare Beziehung zur Temperatur bei, was bedeutet, dass die Spannung mit zunehmender Temperatur monochromatisch abnimmt. Aus diesem Grund wird die Sperrschichtspannung VF zunächst unter mehreren Einstelltemperaturen bei dem kleinen Kalibrierstrom IM geprüft, um den Koeffizienten K zu berechnen, der die Beziehung zwischen Spannung und Temperatur in Einheit [mV / darstellt.℃]. Während der Kalibrierung wird die getestete LED in den Thermostatbehälter gegeben, um die Temperatur konstant zu halten. Dann wird die LED mit dem Nennstrom IF angesteuert, um einen stabilen Betrieb aufrechtzuerhalten. Das schnelle Umschalten wird vom Nennstrom IF zum Kalibrierungswert IM durchgeführt, und die transiente Spannung VF wird im thermischen Gleichgewichtszustand gemessen. Folglich kann die Tj der LED durch die Spannung-Temperatur-Kurve durch ein PC-Programm abgeleitet werden.

In Anbetracht der Tatsache, dass es sich bei der LED-Leuchte um die Systemintegration handelt, die Halbleiter, mechanische Komponenten, optische Elemente sowie Treiber umfasst, können die thermischen Eigenschaften jedes Teils Einfluss auf die Gesamtleistung des Produkts haben. Insbesondere bei Integralleuchten führt das kompakte Design zu thermischen Wechselwirkungen zwischen LED und Treiber, die vom thermischen Design und der Installationsform abhängen. Daher sollte die Tj der LED-Leuchte vom gesamten System anstelle der einfachen LED-Chips bewertet werden.

Der Glühfaden besteht aus mehreren in Reihe geschalteten LED-Chips, die entweder in Reihe oder parallel miteinander verbunden sind. Alle Glühfäden sind im Lampenkolben versiegelt, so dass sie als Ganzes gemessen werden müssen. Beim Standardprodukt sollten die LED-Lampe und der Treiber getrennt sein, so dass zwei Paar Polaritätskabel zum Anschluss übrig bleiben LISUN TRS-1000 Spektroradiometrisches System mit thermischem Widerstand für LED. Es erfüllt voll und ganz die LM-80 Standard. Außerdem ist ein Thermoelement angeschlossen, das an einer beliebigen Stelle der Kolbenoberfläche haftet.

Die Glühfaden-LED-Glühbirne wird in den Thermostatbehälter eingesetzt und dann kann die Spannungs-Temperatur-Kurve kalibriert werden, wenn die Temperatur schrittweise ansteigt, wie in Abbildung 1 dargestellt. Für jede Schritttemperatur Tn wird die entsprechende Spannung VFn kalibriert, bis die Temperatur in Der Behälter steigt auf den Einstellwert und währenddessen erreicht das LED-Filament das thermische Gleichgewicht. Es wird empfohlen, den stabilen Zeitraum automatisch zu bestimmen LISUN TRS-1000. Der Kalibrierstrom IM richtet sich nach den Parametern der Prüflampe und bleibt für verschiedene Tn konstant. Daher kann die VT-Kurve angepasst werden, wie in Abbildung 2 dargestellt. Nach der Kalibrierung wurde die Testbirne aus dem Behälter entfernt und mit zwei Paaren von Leitungen, die wie oben erwähnt verbunden waren, wieder in die ursprüngliche Struktur gebracht. Der VF wird in regelmäßigen Abständen von der Zündung bis zum Gleichgewicht aufgezeichnet und daraus die sequentielle Kurve des Tj abgeleitet. Die LED-Leuchte sollte in der Windschutzscheibe oder in der Umgebung ohne Luftkonvektion angebracht werden.

Die Tj-Kurve eines Beispiels ist in Abbildung 3 dargestellt. Die Messung wurde bei Umgebungstemperatur 29 ° C ohne Wind in Innenräumen durchgeführt. Nach dem Einschalten der Glühbirne stieg die LED Tj an und erreichte in der ersten Stufe einen stabilen Wert von 121.3 ° C. In der zweiten Stufe wurde der Auspuff manuell beschädigt, um den Luftaustausch zwischen dem Kolben und der Atmosphäre herzustellen. Der Tj stieg allmählich bis zum neuen Gleichgewicht bei 159.5 ° C an. Die mit einem Thermoelement auf der Lampenoberfläche getestete Referenztemperatur wurde im Normalbetrieb bei 40.8 ° C gehalten und im Leckzustand auf 46.3 ° C erhöht. Der starke Anstieg von Tj nach dem Austreten von Luft repräsentiert die signifikanten Auswirkungen gefüllter Gase auf die Wärmeableitung. Und die Änderung der Lampenoberflächentemperatur hat keine Beziehung zur Tj der LED-Filamente.
Der Treiberausgang wirkt sich auch direkt auf den Tj aus, wie in Abbildung 4 dargestellt. Bei einer Umgebungstemperatur von 28.3 ° C wurde die Eingangsspannung der LED-Glühlampe im Bereich von 220 ± 10 ° C eingestellt, um die Netzspannungsschwankung zu simulieren. Die Tj betragen 106.6 ℃, 121.7 ℃ und 137.9 ℃ getrennt bei einer Spannung von 198 V, 220 V und 242 V.

Referenz:
[1] JEDEC-Standard EIA / JESD51-1. Thermische Messmethode für integrierte Schaltkreise - Elektrische Testmethode (Einzelhalbleitervorrichtung) [S], 1995.
[2] Xi Y, Schubert E F. Messung der Sperrschichttemperatur in GaN-Ultraviolett-Leuchtdioden mit der Dioden-Durchlassspannungsmethode [J]. Applied Physics Letters, 2004, 85 (12): 2163–2165.
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