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Ermittlung der Sperrschichttemperatur von Hochleistungs-LEDs durch Messung der Vorwärtsspannung

Nottrodt, Oliver (2008):
Ermittlung der Sperrschichttemperatur von Hochleistungs-LEDs durch Messung der Vorwärtsspannung.
Technische Universität Darmstadt, [Seminar paper (Midterm)]

Abstract

Zusammenfassung:

LEDs finden immer mehr Zugang zu vielen Anwendungen der Lichttechnik. Die heutigen Anwendungsgebiete reichen von kleinen Signalanzeigen bis zu Automobilscheinwerfern, sowie Innen- und Außenbeleuchtungen. Lichttechnische Parameter hängen wesentlich von der Temperatur der lichterzeugenden Sperrschicht ab. Daher ist die Kenntnis der Sperrschichttemperatur von entscheidender Bedeutung.

Heutige Anwendungen verwenden meist einen Temperatursensor, der nahe der oder den LEDs angebracht ist. Diese Studienarbeit behandelt eine Möglichkeit die Sperrschichttemperatur von Hochleistungs-LEDs direkt über die Vorwärtsspannung unter Berücksichtigung des LED-Stroms zu bestimmen. Der entwickelte Messaufbau verwendet zur Vermessung der Charakteristik der LED kurze Strompulse. Dabei ist zu beachten, dass die Pulse zu kurz zu einer relevanten Eigenerwärmung der Sperrschicht sein müssen. Der ermittelte Bereich der maximalen Messzeit bis zum Einsetzen des Spannungsabfalls durch Eigenerwärmung bestimmt die maximale Pulslänge.

Mehrere Möglichkeiten zur Entwicklung einer mathematischen Anpassung, um die Strom- und Temperaturabhängigkeit der Vorwärtsspannung auszudrücken, werden aufgezeigt. Der Vergleich der verschiedenen Wege zur Entwicklung dieser 3D-Anpassung betrachtet Vorgehensweise, sowie Vor- und Nachteile dieser Anpassung. Die aufgezeigten Messgeräteanforderungen und erreichbaren Genauigkeiten geben Aufschluss über Schwierigkeiten und Einschränkungen dieses Messverfahrens.

Die durchgeführten Messungen zeigen eine Abhängigkeit der Vorwärtsspannung von Strom und Sperrschichttemperatur für eine weiße Luxeon Rebel LXML-PWC1-0100. Die Stromabhängigkeit der Vorwärtsspannung ist entsprechend der Strom-/Spannungskennlinie der LED im unteren Strombereich stark nichtlinear. Die Temperaturanhängigkeit der Vorwärtsspannung verändert sich mit dem Strom und der Temperatur. Die ansatzweise Analyse der Stabilität der Koeffizienten zeigt eine zeitliche Veränderung des Temperaturverhaltens der betrachteten Luxeon Rebel LXML-PWC1-0100, wodurch die Genauigkeit der Temperaturmessung über längere Zeit eingeschränkt ist. Der Vergleich verschiedener Messreihen zeigt, dass auf Grund der Koeffizientenunsicherheit der Fehlerunterschied zwischen der Annahme einer linearen Temperaturabhängigkeit und einer Temperaturabhängigkeit zweiter Ordnung vernachlässigbar ist. Somit ist trotz der nachgewiesenen Nichtlinearität der Temperaturabhängigkeit für Anwendungen das einfachere Modell der linearen Temperaturabhängigkeit zu bevorzugen. Die Genauigkeit der Temperaturmessung wird durch die Koeffizientenunsicherheit bestimmt.

Die Auswertung der Messreihen ergibt für das erstellte 3D-Modell eine Temperaturgenauigkeit von 4°C für eine Luxeon Rebel LXML-PWC1-0100 im Strombereich zwischen 100 und 800mA. Somit ist das vorgestellte Verfahren gut und mit Betriebsstrombereichseinschränkungen sehr gut zur Bestimmung der Sperrschichttemperatur geeignet. Es bietet die Möglichkeit mit relativ einfachen Mitteln Temperaturmessungen in Anwendungen wie Automobilscheinwerfern und hochwertigen Innen- und Außenbeleuchtungen durchzuführen.

Item Type: Seminar paper (Midterm)
Erschienen: 2008
Creators: Nottrodt, Oliver
Title: Ermittlung der Sperrschichttemperatur von Hochleistungs-LEDs durch Messung der Vorwärtsspannung
Language: German
Abstract:

Zusammenfassung:

LEDs finden immer mehr Zugang zu vielen Anwendungen der Lichttechnik. Die heutigen Anwendungsgebiete reichen von kleinen Signalanzeigen bis zu Automobilscheinwerfern, sowie Innen- und Außenbeleuchtungen. Lichttechnische Parameter hängen wesentlich von der Temperatur der lichterzeugenden Sperrschicht ab. Daher ist die Kenntnis der Sperrschichttemperatur von entscheidender Bedeutung.

Heutige Anwendungen verwenden meist einen Temperatursensor, der nahe der oder den LEDs angebracht ist. Diese Studienarbeit behandelt eine Möglichkeit die Sperrschichttemperatur von Hochleistungs-LEDs direkt über die Vorwärtsspannung unter Berücksichtigung des LED-Stroms zu bestimmen. Der entwickelte Messaufbau verwendet zur Vermessung der Charakteristik der LED kurze Strompulse. Dabei ist zu beachten, dass die Pulse zu kurz zu einer relevanten Eigenerwärmung der Sperrschicht sein müssen. Der ermittelte Bereich der maximalen Messzeit bis zum Einsetzen des Spannungsabfalls durch Eigenerwärmung bestimmt die maximale Pulslänge.

Mehrere Möglichkeiten zur Entwicklung einer mathematischen Anpassung, um die Strom- und Temperaturabhängigkeit der Vorwärtsspannung auszudrücken, werden aufgezeigt. Der Vergleich der verschiedenen Wege zur Entwicklung dieser 3D-Anpassung betrachtet Vorgehensweise, sowie Vor- und Nachteile dieser Anpassung. Die aufgezeigten Messgeräteanforderungen und erreichbaren Genauigkeiten geben Aufschluss über Schwierigkeiten und Einschränkungen dieses Messverfahrens.

Die durchgeführten Messungen zeigen eine Abhängigkeit der Vorwärtsspannung von Strom und Sperrschichttemperatur für eine weiße Luxeon Rebel LXML-PWC1-0100. Die Stromabhängigkeit der Vorwärtsspannung ist entsprechend der Strom-/Spannungskennlinie der LED im unteren Strombereich stark nichtlinear. Die Temperaturanhängigkeit der Vorwärtsspannung verändert sich mit dem Strom und der Temperatur. Die ansatzweise Analyse der Stabilität der Koeffizienten zeigt eine zeitliche Veränderung des Temperaturverhaltens der betrachteten Luxeon Rebel LXML-PWC1-0100, wodurch die Genauigkeit der Temperaturmessung über längere Zeit eingeschränkt ist. Der Vergleich verschiedener Messreihen zeigt, dass auf Grund der Koeffizientenunsicherheit der Fehlerunterschied zwischen der Annahme einer linearen Temperaturabhängigkeit und einer Temperaturabhängigkeit zweiter Ordnung vernachlässigbar ist. Somit ist trotz der nachgewiesenen Nichtlinearität der Temperaturabhängigkeit für Anwendungen das einfachere Modell der linearen Temperaturabhängigkeit zu bevorzugen. Die Genauigkeit der Temperaturmessung wird durch die Koeffizientenunsicherheit bestimmt.

Die Auswertung der Messreihen ergibt für das erstellte 3D-Modell eine Temperaturgenauigkeit von 4°C für eine Luxeon Rebel LXML-PWC1-0100 im Strombereich zwischen 100 und 800mA. Somit ist das vorgestellte Verfahren gut und mit Betriebsstrombereichseinschränkungen sehr gut zur Bestimmung der Sperrschichttemperatur geeignet. Es bietet die Möglichkeit mit relativ einfachen Mitteln Temperaturmessungen in Anwendungen wie Automobilscheinwerfern und hochwertigen Innen- und Außenbeleuchtungen durchzuführen.

Uncontrolled Keywords: Elektromechanische Konstruktionen, Mikro- und Feinwerktechnik, Hochleistungs-LED, Kalibrierverfahren, Sperrschichttemperatur, Vorwärtsspannung
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Electromechanical Design
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Electromechanical Design > Light Technology
Date Deposited: 05 Sep 2011 13:59
Additional Information:

EMK-spezifische Daten:

Lagerort Dokument: Archiv EMK, Kontakt über Sekretariate,

Bibliotheks-Sigel: 17/24 EMKS 1688

Art der Arbeit: Studienarbeit

Beginn Datum: 05-05-2008

Ende Datum: 29-08-2008

Querverweis: 17/24 EMKS 1641

Studiengang: Elektrotechnik und Informationstechnik (ETiT)

Vertiefungsrichtung: Mikro- und Feinwerktechnik (MFT)

Abschluss: Diplom (MFT)

Identification Number: 17/24 EMKS 1688
Referees: Brückner, Dipl.-Ing. Stefan and Khanh, Prof. Dr. Tran Quoc
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