Проблемы надежности с массивом из 91 мощного светодиода

Я спроектировал и напечатал 4-слойную печатную плату, вмещающую 91 инфракрасный светодиод в прямоугольной компоновке 7x13. Это будет использоваться в качестве подсветки для проекта машинного зрения. У меня возникла проблема, когда отдельные светодиоды перегорают или, возможно, каким-то образом отключаются от цепи. Я подозреваю, что причиной проблемы может быть тепловыделение.

Изображение

Компоновка печатной платы

Каждый ряд из 7 светодиодов (зеленый текст светодиода) соединен последовательно. Источник питания 12 В (силовая плата VCC) подключается к первому светодиоду. Следующие 6 соединены последовательно. Наконец, токоограничивающий резистор (зеленый текст R) соединяет последний светодиод с заземлением.

Характеристики:

• Плоскость VCC: питание 12В, 2А
• Светодиод: ТШГ6200 . Максимальный номинальный ток 100 мА.
• Токоограничивающий резистор: 20 Ом
• Припой: Термофлоу Sn60/PB40
• Общая расчетная рассеиваемая мощность: 12 В * 0,1 А на ряд * 13 рядов = 15,6 Вт.
• Размер массива: 13 рядов по 7 светодиодов, примерно 7см х 6см

Измерения

При напряжении питания 12 В на каждый светодиод приходится около 1,45 В, а на токоограничивающий резистор — около 2,0 В, что означает ток 100 мА. Поскольку это соответствует максимально допустимому току, я поместил большой мощный потенциометр между источником питания и плоскостью VCC и использовал его для регулировки входного напряжения, чтобы оно было немного ниже (11,5 В или около того). Это безопасно снижает ток ниже максимально допустимого значения.

Я также использую пару Дарлингтона для управления подсветкой с помощью Arduino. Подсветка включена почти все время и периодически выключается примерно на 30 мс. Я не думаю, что это имеет отношение к проблеме, но при необходимости могу предоставить более подробную информацию.

Проблема

Примерно через 10-30 минут использования один или несколько рядов светодиодов погаснут. Если я измерю напряжение на каждом светодиоде в прерывистом ряду, большинство светодиодов имеют напряжение около 0,8 В, а на одном из них около 8,0 В. Ток не течет. Иногда это решается перепайкой контактов или постукиванием по светодиоду. Иногда его приходится заменять. В любом случае, я получаю еще 10-30 минут использования, прежде чем погаснет еще один.

Другое наблюдение заключается в том, что вся обратная сторона доски немного липкая. Вы можете увидеть это на картинке выше. Интересно, становится ли он слишком горячим, и припой становится скомпрометированным (возможно, выделяется флюс??).

Вопрос

Что я должен попытаться улучшить надежность? Я уже пытался запустить его при более низком напряжении, чтобы безопасно снизить ток ниже номинального максимума. Интересно, нужно ли мне использовать другой тип припоя? Или какой-то радиатор? Светодиоды нагреваются на ощупь, но не так невыносимо.

Изменить, попробовав предложения

Спасибо всем за советы! Я сделал что-то очень простое — направил компьютерный вентилятор, чтобы он обдувал массив, — и это сработало фантастически! Думаю, для многих из вас это действительно очевидно, но я был удивлен, насколько огромна разница.

Без вентилятора:

• 25 мА на ряд -> 39C
• 33 мА на ряд -> 41C
• 40 мА на ряд -> 48C
• 55 мА на ряд -> 52C

Таким образом, мы попадаем в «опасную зону» температуры задолго до достижения максимального тока на светодиод.

С вентилятором:

• 35 мА на ряд -> 26C
• 60 мА на ряд -> 30C
• 90 мА на ряд -> 34C

Я запускал его при 90 мА на строку и 34 градусах Цельсия более часа без проблем. Большой!