91個の高出力LEDアレイの信頼性の問題

7 x 13の長方形レイアウトで91個の赤外線LEDを収容する4層PCBを設計および印刷しました。これは、マシンビジョンプロジェクトのバックライトとして使用されます。個々のLEDが焼損したり、何らかの方法で回路から切断されたりする問題があります。熱放散が問題の原因であると思われます。

画像

PCBレイアウト

7つのLED（緑色のLEDテキスト）の各列は直列に配線されています。12V電源（VCCパワープレーン）は最初のLEDに接続します。次の6つは直列に配線されています。最後に、電流制限抵抗（緑色のRテキスト）が最後のLEDをグランドプレーンに接続します。

仕様：

• VCCプレーン：12V、2A電源
• LED：TSHG6200。最大定格電流は100mAです。
• 電流制限抵抗：20オーム
• はんだ：Thermoflow Sn60 / PB40
• 推定総消費電力：12V *行あたり0.1A * 13行= 15.6W。
• アレイのサイズ：13列の7つのLED、約7cm x 6cm

測定

12V電源の場合、各LEDには約1.45V、電流制限抵抗には約2.0V、つまり100mAの電流が流れます。これは最大許容電流で正しいため、電源とVCCプレーンの間に大きな高電力ポテンショメータを配置し、これを使用して入力電圧をわずかに低く調整しました（11.5V程度）。これにより、電流が安全に最大許容量を下回ります。

また、ダーリントンペアを使用して、Arduinoでバックライトを制御しています。バックライトはほとんど常に点灯し、時折約30ミリ秒間パルスオフされます。これは問題に関連するとは思いませんが、必要に応じて詳細を提供できます。

問題

約10〜30分使用すると、LEDの1つ以上の列が消えます。破線の行の各LEDの電圧を測定すると、ほとんどのLEDは約0.8Vであり、約8.0Vです。電流が流れていません。時々ピンを再はんだ付けするか、LEDをタップするとこれが修正されます。場合によっては交換する必要があります。いずれにせよ、別のものが出る前に、私は別の10-30分の使用しか得ません。

別の観察は、ボードの裏側全体が一種の粘着性であることです。これは上の写真で見ることができます。私はそれが熱くなりすぎており、はんだが危うくなっているのではないかと思います（おそらくフラックスを染み出させている？？）。

質問

信頼性を向上させるにはどうすればよいですか？電流を定格最大値以下に安全に落とすために、すでに低電圧で実行してみました。別の種類のはんだを使用する必要があるのだろうか？または、何らかのヒートシンク？LEDは熱くなりますが、耐えられないほど熱くなりません。

提案を試みた後、編集します

ヒントをありがとう！私は非常に単純なことをしました-アレイ全体に空気を吹き込むためにコンピューターのファンを向けました-それは素晴らしく機能しました！多くの人にとってこれは本当に明白なことだと思いますが、その違いがどれほど大きいかに驚きました。

ファンなし：

• 1行あたり25mA-> 39C
• 1行あたり33mA-> 41C
• 1行あたり40mA-> 48C
• 1行あたり55mA-> 52C

そのため、LEDごとの最大電流に達する前に、温度の「危険ゾーン」に入ります。

ファン付き：

• 1行あたり35mA-> 26C
• 1行あたり60mA-> 30C
• 1行あたり90mA-> 34C

1行あたり90mA、34Cで1時間以上問題なく実行しました。すばらしいです！

あなたはすでに答えを見つけました：あなたのLEDは熱くなっています。15ワットの音はあまり聞こえないかもしれませんが、LEDが蓄積して消滅します。サーミスタを入手してボードの中央に取り付け、システムの動作中に温度を監視することをお勧めします。さらに良いことに、LEDのいずれかの本体に取り付けます。

これをバックライトとして使用しているため、ナロービームLEDを使用しないでください。比較的幅広のビームユニットを使用し、空気が流れるように間隔を空けます。35度のLEDのソースを見つけることができる場合、必要に応じてジャンパーをはんだ付けし、市松模様で1つおきにLEDを取り付けます。全体の明るさの半分しか得られませんが、それはほとんど知覚できず、改善されたエアフローは大きな助けになるはずです。また、アレイを通る空気の流れを適切に保つために、ファンにダクトを付ける必要がある場合があります。

そして、常に温度モニターを含めます。直接適用することはできませんが、このYouTubeビデオは冷却の原理を示しています。あなたの場合、垂直に立つLEDの森があるので、LEDが互いに触れないようにすることが重要です。これは空気の流れを妨げるからです。

データシートから：

図1.絶対最大順電流。

さらに：

図2.温度上昇時のLED電流のディレーティング。

電流と温度が問題です。リグルルームなしで絶対最大電流で実行しており、温度の上昇を許可しています。周囲温度60°では、許容される最大電流が劇的に低下します。

「LEDヒートシンク」のクイックグーグルでは、燃え尽きるLEDを冷却するための適切なソリューションが多数見つかります。私の最初の推奨事項は、PCBの上部をヒートシンク層に変え、熱接着剤を使用してLEDを貼り付けることです。はんだ付けが多いのではないかと心配していますが、ほらほら。

詳細については、Wikipediaには、興味のあるさまざまなLED冷却技術へのリンクがあることがわかりました。