Junctiontemperatur messen – mal anders

In vielen Foren wird beschrieben, wie bei LEDs die Sperrschicht -Temperatur ermittelt werden kann. Die Sperrschicht ist der Kern einer LED und dessen Betriebstemperatur ist maßgeblich für Lebensdauer und Wirkungsgrad verantwortlich. Je niedriger desto besser.

Leider ist es nicht möglich diese direkt zu messen. Sie muss über Umwege errechnet werden.

Es ist technisch nicht möglich in der LED einen Temperaturfühler zu kontaktieren. Auch Versuche mittels Infrarotmessung via IR-Sensor oder Wärmebildkamera sind mehr vage Versuche und liefern keine zuverlässigen Ergebnisse.

Somit ist der herkömmliche Weg wie folgt:

  1. Temperaturmessung am LED-Gehäuse oder Anschluss-Pin –> Ts (z.B. 60°C)
  2. Ermittlung des Leistungsverbrauch der Power-LED (z.B. 2 W)
  3. Analyse Datenblatt des Herstellers bezüglich dem thermischen Widerstand RthJS. (z.B. 6K/W)
  4. Nun kann die Sperrschichttemperatur Tj errechnet werden:
    Tj = Ts + (6 K/W * 2W) = 60°C + 12°C = 72 °C

Nun der trickreiche, etwas andere Weg:

Ermittlung der Sperrschichttemperatur mit einem Speicher-Oszilloskop.

Was wird benötigt:

  • Digitales Speicher-Oszi
  • Temperaturmessgerät mit externem Temperaturfühler z.B. PT100
  • Konstantstromquelle (LED-Treiber) mit aperiodischem Einschwingverhalten (keine Strom-Spitze)
  • a bisserl Zeit.

Die Messung beruht auf einem linearem Zusammenhang zwischen Vorwärtsspannung der LED und Betriebstemperatur. Je höher die Temperatur Tj, desto kleiner die Vorwärtsspannung (Uf).
Meistens liegt der Gradient bei  – 2 mV/°C  (Dies kann in der Regel aus den Herstellerdatenblättern entnommen werden).

Alternativ ist es auch möglich diesen selbst zu ermitteln, in dem zwei Wertepaare ermittelt werden.
(Messung von Temperatur am Lötpunkt und Durchlassspannung. Dies bei 2 verschiedenen Temperatur.

Das jeweilige Delta ergibt den Gradienten.

Nun gehts los:

  1. Messaufbau: Oszi misst die Vorwärtsspannung an der Diode.
  2. LED im kalten Zustand (Tj = 25°C) – alles ist auf Raumtemperatur (= Referenztemperatur)- in Betrieb nehmen.
  3. Mit dem Oszi die Spannung beim Einschalten ablesen/aufzeichnen. –> Uf bei Tj von 25°C
  4. LED auf Betriebstemperatur bringen. Hierbei sollte die Diodenspannung anfangs schnell, dann langsam sinken.
  5. Ist die Spannung konstant, hat die LED ihre endgültige Temperatur erreicht.
  6. Spannung messen ! Unbekannte Tj über Dreisatz errechnen.

Viel Erfolg.

 

 

 

4 comments for “Junctiontemperatur messen – mal anders

  1. Oliver Spengler
    6. Mai 2011 at 09:32

    Die Linearität der Temperatur zur Vorwärtsspannung Uf ist doch eher eine Annahme? Wie verlässlich ist die Angabe von 2mV/°C?
    Muss der Wärmewiderstand K/W vom Gehäuse zum Kühlkörper nicht auch berücksichtigt werden?
    Theoretisch könnte man mit dieser Berechnung ja auch die Lichtmenge berechnen, da diese ja bei höhere Temperatur sinkt und bei etwa 75°C etwa halbiert wird.

    • 6. Mai 2011 at 09:52

      Hallo Oliver,
      Der Zusammenhang Uf zu T ist bei all mir bekannten LEDs (z.B. Dragon, Luxeon, Xlamps, P4, ) durchweg als eine Gerade im Datenblatt bekannt. Somit linear.
      Die -2mV/K sind nicht für alle LEDs gültig. Bitte das Datenblatt checken.

      Zur Frage mit Rth Gehäuse-KK:
      Der Rth vom Gehäuse zum Kühlkörper spielt bei beiden Verfahren keine Rolle.
      Du kannst es sehen, wie bei Spannungsmessung an reihegeschaltenen Widerständen. Analog zu T=U; P=I; Rth = R.
      Du willst also z.b. die Spannung Uj am anderen Ende eines Widerstandes wissen, kommst aber mit der Messspitze nicht hin. Du kennst aber den Strom I durch den Widerstand und kannst an einem Ende die Spannung messen. Uj = Uc + delta U = Uc + R *I
      Dabei ist dann nicht wichtig durch welche Widerstände der Strom noch fliesst.
      Analog hier für Temperatur: Tj = Tc + Rth*P

      Lichtmenge berechnen:
      Stimmt. Jedoch sind es bei 75°C noch nicht die Hälfte. Meine Erfahrungswerte aus dem Kopf: -5% bei Tj=65°C; -18% bei Tj=80°
      Grundsätzlich beachte ich immer: Je kühler, desto heller und desto längere Lebensdauer.

  2. Borax
    16. Juni 2011 at 12:50

    Der Zusammenhang Uf zu T ist zwar linear, aber vom (Mess-)Strom abhängig. Leider fehlt diese Angabe in den Datenblättern. Siehe auch:
    http://www.ledhilfe.de/viewtopic.php?f=31&t=12079

  3. 17. April 2016 at 09:09

    Die Methode einen konstanten kleinen Messtrom einzusetzen ist ein gängiges Verfahren unter anderem von NXP patentiert. Wir haben jetzt ein neues Verfahren entwickelt, welches den Entaldevorgang eine Kondensators parallel zur LED ausnutzt, um eine Überhitzung der LED sicher zu verhindern. Mit der Messung der Junction Temperatur, kann man unter anderem auch ausmessen ab welcher Temperatur und Leistung die internen Verluste der LED größer werden, sprich sich der optische Wirkungsgrad der LED verschlechtert.
    http://www.led-temperature-protection.com/

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