LED 규격서 분석

LED 규격서 분석

1. 링크
   1. 전자부품
      1. LED
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2. 설명
   1. 조명장치 설계자가 필요한 정보이다.
      1. 한마디로 최고접합온도를 넘지 않게 어떻게 방열과 전류를 결정하느냐이다.
      2. 사용중 접합온도를 알아내지 못하면 조명장치를 설계할 수 없다.
3. 조명용 고출력 LED
   1. 삼성전자, LH351D
      1. 홈 페이지 https://www.samsung.com/led/lighting/high-power-leds/3535-leds/lh351d/
         1. 최대 소비전력 9.8W @3.0A, 공칭 소비전력(typical) 3.0W @1050mA
         2. 광속(Luminous Flux) 460lm@1050mA
            1. 마음대로 광효율: 460루멘@3W이므로 W당 150루멘. 683루멘이 1W이므로, 22%, 즉 약 20% 광효율이다.
      2. 데이터 시트 - 2020년 5월 홈 페이지에서, Lighting 제품군 - High Power - 3535 - LH351D - 27p
      3. 표지에서
         1. 데이터 시트에서
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         2. 개정판 9.3 - 내용을 많이 수정했다.
         3. Hot binning @85'C란 주변온도 85도에서 전기적, 광학적 특성을 측정해서 등급별로 분류했다는 뜻이다.
      4. 절대 최대 사용조건
         1. 데이터 시트에서
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         2. 사용온도 -40도~+105도
            1. 사용온도는 이 제품(3.5x3.5mm 제품이 설치되는) 주변 공기 온도를 말한다.
            2. 최대 사용온도 105도는 이곳에만 등장한다. 그러므로 규격 활용 일관성 차원에서 문제가 있다.
         3. 접합온도 150도
            1. PN junction 위치에서 최대 허용온도를 말한다.
            2. 150도를 넘지 않게 사용전류를 조정해야 한다. 방열을 잘하면 접합온도가 쉽게 올라가지 않으면 사용전류를 많이 흐르게 할 수 있다.
            3. 이 제품을 사용하기 위해서는, 방열 능력(최대 사용전류 결정)을 알아야 하므로, 이 접합온도를 측정해야 최대 성능으로 사용할 수 있다.
      5. 공칭(typical) 특성 (공칭값이므로 접합온도 85도에서 측정한 값이다.)
         1. 데이터 시트에서
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         2. 상대 밝기 그래프에서
            1. 1050mA에서 밝기를 100이라고 하면, 3A에서는 220이다.
            2. 이는 광속(Luminous Flux) 460lm@1050mA이므로 3A에서는 1310루멘이라고 가정할 수 있다.
               1. 3A는 10W이므로, W당 131루멘이 된다. 19% 광효율이다. (공칭값 1050mA에서는 20% 광효율)
         3. V-I 그래프에서
            1. 공칭전류 1050mA를 위해서는 약 2.9V가 필요하다. -> 3.0W 소비전력
            2. 최대전류 3000mA를 위해서는 약 3.3V가 필요하다. -> 10W 소비전력
      6. 온도 특성 (공칭전류 1050mA에서 측정한 값이다.)
         1. 데이터 시트에서
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         2. 접합온도에 따른 상대 밝기 그래프에서
            1. 접합온도 85도에서 밝기가 100이라면 25도에서는 10% 증가한 110, 105도에서는 96%가 나온다.
            2. 사용온도범위가 -40도~+105도이므로 -40도씨까지 그래프를 제공해야 했다.
            3. 특히, 접합온도는 150도까지 허용하므로, 결국 -40도~+150도까지 제공해야 한다.
            4. 이는 열저항 등을 계산할 때, 온도에 따른 광효율을 알아야 정확히 열로 소모되는 전력을 고려해야하기 때문이다.
            5. 그래프를 눈으로 외삽하여 볼 때, 150도에서 광효율은 80%까지 생각할 수 있다. 이는 공칭 19% 광효율이 15%까지 떨어질 수 있다.
         3. 접합온도에 따른 Vf 그래프
            1. "접합온도를 알아낼 수 있는" 매우 중요한 그래프이다.
      7. 전기-광학 특성
         1. 데이터 시트에서
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         2. 접합온도 85도에서 1050mA 흘려주면 forward voltage(Vf)는 2.6~3.2V이다.
            1. 해석
               1. 접합온도를 85도 유지하기 위해서는 이 제품을 85도씨에서 측정해야 한다.
            2. 문제
               1. 인가전력에 의해 접합이 (+0.1도씨 이상) 뜨거워지면 안되므로 측정 에너지를 낮추어야 한다.
               2. power dissipation factor는 열저항 역수이므로 아래, 2.2도/W의 역수인 0.45W/C이다.
               3. 0.1도 상승은 0.045W이다. 그런데 측정을 위해 1050mA x ~3V = 3W 이므로 6.6도 상승 효과를 갖는다.
               4. DC로 긴 시간을 가해 측정하면 측정중 6.6도 상승하므로 85도 + 6.6도 = 92도에서 측정한 결과값이 나온다.
            3. 해결
               1. 짧은 시간동안 측정한다.
               2. 3W, 10ms동안 인가하여 측정한다면 에너지인 0.03 joule이 소모된다.
               3. 제품 체적 3.5x3.5x2.33mm(높이 반구) 이지만
                  1. 10msec 동안 열전달은 GaN 칩과 알루미나 기판에서만 일어난다고 가정하면
                  2. 칩 체적(가정) 2x2x0.2 = 0.0008cm^3, 밀도 6.15g/cm^3, 무게: 5mg
                  3. 기판 체적(가정) 3.5x3.5x0.43 = 0.005cm^3, 밀도 3.9g/cm^3, 무게: 20mg
                  4. GaN(Gallium nitride) 비열(Specific heat) 0.49 J/gK
                  5. 알루미나 비열(Specific heat) 0.9 J/gK
               4. 열용량 = 비열 x 질량 x 온도차 인데, 알루미나 기판만을 고려
                  1. 0.03J = (0.49 J/gK) x (0.02g) x K
                  2. K = 3도씨, 즉 3도씨 상승한다.
               5. 10msec 동안 3W 인가하는 것(0.03주울)도 접합온도를 1도씨 상승시킬 수 있다. 더 짧게 측정해야 한다.
                  1. Keithly 2601B 소스미터 pluse 모드는 10A 10V에서 최소 10usec 펄스로 측정이 가능하다.
                  2. 즉, 위 10msec 측정보다 발열에너지를 1/1000 소모하므로 접합온도를 ~0.01도 상승시키는 것에 불과하다.
         3. 열저항(납땜지점에서 접합까지)은, 접합온도 25도씨에서 2.2도/W이다.
            1. 여기서 W는 인가전력이라고 가정한다.
               1. 인가전력 중 빛으로 변환되는 광효율이 약 20%이므로 80%는 열로 소모된다.
               2. 그러므로 순수한 열저항을 계산할 때 W는 열로 소비되는 전력이어야 하므로, 입력 전력의 80%만 고려한다.
               3. 그러나 최악의 경우를 생각하므로 모든 계산은 인가전력을 사용한다. 즉, 20% 여율율을 고려한다.
            2. 이 제품의 최대인가전력이 10W이므로 납땜지점을 아무리 잘 식혀도 접합온도는 납땜지점에 비해 22도 상승된다.
               1. 이 말은 최대 접합온도가 150도까지 이므로, 3A(10W)에서는 납땜지점에서의 온도를 150-22=128도 이상 사용하지 말라는 뜻이다.
               2. 어떠한 경우에도(아무리 방열을 잘해도) 이 제품의 주변온도는 128도 넘기지 말라는 뜻이다.
               3. 그러면 최대 사용온도는 128도가 되는데, 규격서에는 105도로 되어 있다.(????????)
      8. derating 커브(부하경감 곡선)
         1. 데이터 시트에서
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         2. 방열 기술자에게 제공하는 그래프이다.
            1. Rth(j-a) 은 열저항(접합-주변온도)의 약자이다.
            2. 파랑그래프는 열저항 5도/W로 설계된 방열시스템인 경우이다.
               1. 10W 소모하므로, 5도/W에 곱하면 50도가 된다.
               2. 즉, 주변온도에 비해 접합온도가 50도 상승하게 설계된 방열시스템을 말한다.
               3. 허용 접합온도를 150도이므로 50도를 빼면 100도까지만 주변온도에서 사용하라는 뜻이다.
            3. 오렌지색은 10도/W이므로 10W를 곱하면 100도씨이므로 주변온도가 50도까지만 3A(10W)를 인가하라는 뜻이다.
            4. 검정은 15도/W이므로 10W인가하면 150도씨 올라가므로 주변온도를 0도까지만 3A인가해야 한다.
         3. 즉, 조명 기술자(LED 조명 설계자)는 이 제품을 사용하는 방열시스템의 열저항을 알아야 한다.
            1. 열저항을 낮게 설계해야 주변온도가 상승해도 충분한 전력을 공급해서 밝기를 유지할 수 있다.
            2. 주변(공기)온도는 쉽게 측정할 수 있다.
            3. 그런데 접합온도를 측정하는 것은 쉽지 않다. 접합온도를 측정하지 못하면 조명 시스템을 설계할 수 없다.
      9. 신뢰성 시험 규격
         1. 데이터 시트에서
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         2. room temperature life test에서
            1. 어떻게 25도씨를 유지하면서 최대전류 3A, 10W를 인가해야 하는지 모르겠다.
               1. 이 25도가 주변온도라면, 접합온도가 150도씨가 넘지 않게 어떤 방법을 취해야 한다.
               2. 이 취해야 할 방법에 따라 고장(접합온도가 150도 초과)이 날수도 안날수도 있기 때문이다.
            2. 물어보자.