Problemas de confiabilidade com uma matriz de 91 LEDs de alta potência

Projetei e imprimi uma placa de circuito impresso de 4 camadas que acomoda 91 LEDs infravermelhos em um layout retangular de 7x13. Isso será usado como luz de fundo para um projeto de visão de máquina. Estou tendo um problema em que os LEDs individuais estão queimando ou talvez se desconectando do circuito de alguma forma. Eu suspeito que a dissipação de calor pode ser a causa do problema.

Imagem

Layout de PCB

Cada linha de 7 LEDs (texto verde do LED) é conectada em série. A fonte de 12V (avião de força VCC) se conecta ao primeiro LED. Os próximos 6 são conectados em série. Finalmente, um resistor limitador de corrente (texto R verde) conecta o último LED ao plano de aterramento.

Especificações:

• Plano VCC: 12V, alimentação 2A
• LED: TSHG6200 . Corrente nominal máxima de 100mA.
• Resistor limitador de corrente: 20 ohms
• Solda: Thermoflow Sn60 / PB40
• Dissipação de energia total estimada: 12V * 0.1A por linha * 13 linhas = 15.6W.
• Tamanho da matriz: 13 linhas de 7 LEDs, aproximadamente 7cm x 6cm

Medições

Com uma fonte de alimentação de 12V, há cerca de 1,45V sobre cada LED e cerca de 2,0V sobre o resistor limitador de corrente, o que significa uma corrente de 100mA. Como esta está na corrente máxima permitida, coloquei um grande potenciômetro de alta potência entre a fonte de alimentação e o plano VCC, e usei isso para regular a tensão de entrada um pouco mais baixa (11,5V). Isso coloca a corrente com segurança abaixo da quantidade máxima permitida.

Também estou usando um par de Darlington para controlar a luz de fundo com um Arduino. A luz de fundo está ligada quase o tempo todo e, ocasionalmente, é desligada por cerca de 30ms. Eu não acho que isso seja relevante para o problema, mas pode fornecer mais detalhes, se necessário.

Problema

Após cerca de 10 a 30 minutos de uso, uma ou mais linhas de LEDs se apagam. Se eu medir a tensão em cada LED na linha quebrada, a maioria dos LEDs está em cerca de 0,8V e um em cerca de 8,0V. Nenhuma corrente está fluindo. Às vezes, revender os pinos ou tocar no LED corrige isso. Às vezes tem que ser substituído. De qualquer forma, só recebo mais 10 a 30 minutos de uso antes que outro saia.

Outra observação é que todo o verso do painel é meio pegajoso. Você pode ver isso na imagem acima. Gostaria de saber se está ficando muito quente e a solda está ficando comprometida (talvez exalando fluxo ??).

Questão

O que devo tentar melhorar a confiabilidade? Eu já tentei executá-lo em uma tensão mais baixa para obter a corrente com segurança abaixo do máximo nominal. Será que preciso usar um tipo diferente de solda? Ou algum tipo de dissipador de calor? Os LEDs ficam quentes ao toque, mas não insuportavelmente.

Editar, depois de tentar sugestões

Obrigado a todos pelas dicas! Eu fiz algo bastante simples - apontei um ventilador de computador para soprar o ar através da matriz - e funcionou de maneira fantástica! Eu acho que isso é realmente óbvio para muitos de vocês, mas fiquei surpreso com a enorme diferença que houve.

Sem ventilador:

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

Então entramos na "zona de perigo" da temperatura antes de atingir a corrente máxima por LED.

Com ventilador:

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

Corri a 90mA por linha e a 34C por mais de uma hora sem problemas. Ótimo!

Você já encontrou a resposta: seus LEDs estão ficando quentes. 15 watts podem não parecer muito, mas estão se acumulando e matando seus LEDs. Sugiro que você pegue um termistor e conecte-o ao centro da placa, depois monitore a temperatura enquanto o sistema opera. Melhor ainda, conecte-o ao corpo de um dos LEDs.

Como você está usando isso como luz de fundo, não use LEDs de feixe estreito. Use unidades de feixe relativamente largas e as afaste para que o ar possa fluir. Se você puder encontrar uma fonte de, digamos, LEDs de 35 graus, instale apenas todos os outros em um padrão quadriculado, usando jumper de solda conforme necessário. Você obterá apenas metade do brilho total, mas isso é quase imperceptível, e o fluxo de ar aprimorado deve ser uma grande ajuda. Você também pode precisar fornecer um ventilador com alguns dutos para manter o fluxo de ar através da matriz adequado.

E sempre inclua um monitor de temperatura. Embora não seja diretamente aplicável, este vídeo do YouTube mostra os princípios do resfriamento. No seu caso, como você tem uma floresta de LEDs na vertical, é importante não deixar que os LEDs se toquem, pois isso bloqueará o fluxo de ar.

A partir da folha de dados:

Figura 1. Corrente direta máxima absoluta.

e mais adiante:

Figura 2. Reduzindo a corrente do LED com aumento de temperatura.

Corrente e temperatura são seus problemas. Você está funcionando com corrente máxima absoluta, sem espaço de manobra e está permitindo que a temperatura suba. A 60 ° de ambiente, a corrente máxima permitida diminui drasticamente.

Um rápido google para "dissipador de calor com LED" encontrará muitas soluções adequadas para resfriar seus LEDs de queima. Minha recomendação inicial, porém, seria transformar a parte superior da placa de circuito impresso em uma camada de dissipador de calor e usar adesivo térmico para fixar os LEDs nela. Receio que seja mais trabalhoso, mas ei.

Para mais informações, descobri que Wikipedia possui um link para várias tecnologias de refrigeração por LED que podem ser interessantes.