Hallo,


ich bin durch den User CRI 93+ / Ra 93+ darauf gekommen, wie man die Chiptemperatur einer Led direkt messen kann.
Das beruht darauf, dass der Spannungsabfall in der Led mit steigender Temperatur sinkt, da Halbleiter bei höheren Temperaturen besser leiten. So hat die Luxeon K2 einen deltaU/deltaTJ Koeffizient von -2mV/K und die XP-G -2,1mV/K.
Die Meßdurchführung sieht jetzt so aus, dass man die Kühlkörper Temperatur am Anfang im ausgeschaltetem Zustand misst, das ist dann auch die Initial-Chiptemperatur. Dann schaltet man die Led ein und misst möglichst sofort die Flussspannung, das wäre dann die Initial-Flussspannung bei der obigen Chiptemperatur. Was so simpel klingt, ist meßtechnisch im Hobbybereich alles andere als trivial. Entweder gibt man ordentlich Leistung, sodass man ordentlich Temperaturdifferenz hat, was nötig ist, um eine messbare Spannungsdifferenz beim Aufheizen zu erzeugen, und kann so die Initial-Spannung nicht sicher bestimmen, weil diese durch die sehr geringe thermische Trägheit des Chips, beim Einschalten sich sehr schnell ändert. Oder man gibt wenig Leistung, so 100mW (20-30mA Strom), wodurch der Chip sich langsamer aufheizt. Die resultierende Spannungsdifferenz ist dann aber im Hobbybereich nicht mehr sicher zu messen.

Mein Extech EX510 Multimeter hat eine Grundgenauigkeit von +-0,09% + 2 Digits bei einer Auflösung von 1mV im Meßbereich 6V.
Das macht als eine Gesamtgenauigkeit von +-29mV bei 3V Ledspannung und dabei ist dieses Multimeter schon ziemlich genau. Ein Fluke 131 Multimter hat zum Beispiel schon ganze +-2% Grundgenauigkeit + 3 Digits, macht also ganze +-63mV. Das heisst, bei 20mA Strom ist die Temperaturdifferenz etwa um den Faktor 20 zu klein, als das man sie mit einem relativ teuren Multimeter überhaupt messen kann.

Man braucht da also schon eine ordentliche Temperaturdifferenz, oder ein extrem genaues Meßgerät, was in die Tausende und Zigtausende gehen würde. Die zweite, in dem Fall systematische Fehlerquelle ist die Bestimmung der Initialspannung beim Einschalten. Da der Chip nur 1mm² Gross und nur etwa 0,1m dick ist, verhält sich dieser thermisch extrem flinkt. Mit den Augen ist eine sichere Erfassung der Initialspannung kaum möglich. Ich habe bei meinem Extech eine "MAX" Funktion, die den höchsten Wert aufzeichnet, leider weiß ich nicht genau, wie schnell das geht. Ein elektronischer Datenschreiber wäre hier absolut angebracht. Mal sehen, vieleicht kann ich im kommenden Semester bei uns in der Uni im Messtechniklabor einige Leds vermessen.

Jetzt zu meinem Test:
Ich habe eine K2 rot und eine XP-G R4 vermessen. Der Messaufbau war so, dass ich die 2 Leds auf einen passiv Kühler mit Arctic Silver auf den Kupferkern geklebt habe, und etwa 1cm entfernt den Temperatursensor. Ebenfalls auf den Kuperkern, um eine möglicht genaue Temperaturüberwachung zu haben.
Ich habe jeweils 1h gewartet, damit sich eine konstante Temperatur einpendelt. Praktisch ist das aber nicht nötig, man erwärmt besser den Kühler am Anfang auf die geschätze Endtemperatur mit einem Feuerzeug etc., und wartet dann etwas, bis sich ein konstanter Wert eignependelt hat. So umgeht man die langsame Aufheizphase, die mit der Zeit immer langsamer verläuft.

Ergebnisse
Die gelb markierten Werte sind die Initialwerte. Bei der Xp-G kommt der Wert ziemlich gut hin. Ich weiß zwar nicht den Wärmewiderstand der XP-G mit Starplatine, aber selbst wenn dieser 10K/W (6K/W für die XP-G +4K/W für die Platine) beträgt, liegt man abzüglich der Lichtleistung ziemlich gut in dem Bereich.
Bei der K2 rot konnte ich jedoch keinen sinnvollen Wert rausbekommen. Ich habe die Chiptemperatur 4 mal versucht zu messen, 1 mal bei 700mA, 3 mal bei 350mA. Jedesmal kamm eine absolut unrealistische Chiptemperatur raus. So wie ich das sehe, ist der rote K2 Chip thermisch noch viel flinker als der der XP-G, sodass ich keine zuverlässige Initialspannung messen kann. Das liegt wohl nicht zuletzt am doppelt so schlechtem Wärmewiderstand der K2.

Falls jemand Fehler findet, bitte hinschreiben.


Beste Grüße,

Eugene S.

@Cossart

Genau so habe ich auch gedacht, dass es ein systematischer Fehler ist. Aber ob das auch wirklich einer ist? Ich lasse mich gerne eines Besseren belehren, falls jemand anderer Meinung ist und das begründen kann. Mein Messtechnik Praktikum mache ich auch erst im kommenden Semester.

Zitat von »orca«

Hallo John,

kann
es sein, dass sich in deine Tabelle ein Fehler eingeschlichen hat? Laut
meinen Berechnungen sollte die Chiptemperatur bei der R4 31,95°C und
nicht 32,25°C sein.
Ich schreibe das nicht um kleinlich zu sein,
sondern um zu sehen, ob ich deine Rechenvorgänge richtig nachvollzogen
habe. Was ich nämlich nicht durchschaut habe ist, wie du auf die K/W
Werte gekommen bist!?

LG
Simon

Stimmt, du hast natürlich recht, da war in der Formel noch ein falscher Wert von letzten Messung über.

Die K/W Werte sind aus den Datenblättern der Leds entnommen.

Zitat von »Deadeye5589«

Stimmt,
wenn der Fehler bei beiden Messungen genau gleich ist, heben sich die
Fehler in einer Differenzmessung auf, aber wer garantiert dir das hier?

So
wie ich das sehe, macht das Multimeter einen Fehler um den eigentlichen
Messwert von bis zu 29mV. Wenn du bei der einen Messung mit -29mV
daneben liegst und bei der zweiten mit +29mV drüber hast du am Ende
einen Fehler von fast 60mV gemacht. Die Idee ansich ist gut, nur sehe
ich keine Garantie in den Messwerten auf die Fehlergenauigkeit.

Guter Einwand! Der Gedanke ist mir gerade auch schon gekommen, dass man nicht genau weiß, wie der Fehler im Multimeter zustande kommt und das so eine Aussage dann doch nicht so sicher wäre. Messtechnik ist echt eine komplizierte Angelegenheit.


Gruß

Eugene

In einem anderen Forum hat der User Borax folgenden Vorschlag gemacht:

Zitat

1. Könnte man damit sehr einfach und schnell zwischen z.B. 20mA und 700mA umschalten (LM317-KSQ mit einem Widerstand für z.B. 20mA und einem weiteren für 700mA der über einen P-Channel Mosfet geschaltet wird)
2. Der ATTiny hat einen differenziellen Eingang (kann also die Spannungsdifferenz zwischen zwei Potentialen messen) und einen integrieren OP mit einem Gain Faktor von 20. So würden sich Spannungsdifferenzen von z.B. 50mV mit weniger als 1% Fehler messen lassen:
Referenz=1.1V; Gain 20 => Messbereich DeltaU=55mV mit einer Auflösung von 10Bit!; 20mV entsprechen dann etwa einen Wert von 400 +/-4 (max. Gesamt-Fehler = 2LSB).
Prinzip: An einer 5V Spannungsquelle mit zwei Messwiderständen (oder ein 10Gang Poti) einen Spannungsteiler aufbauen" linkhref=" so dass die Spannung ca. 20mV über der LED-Flussspannung liegt. Diese Spannung an den Positiven Differentialeingang am ATTiny legen.
LED über eine LM317-KSQ mit 20mA Strom betreiben. +Pin von der LED an den Negativen Differentialeingang am ATTiny legen. Differenzspannung (1) mit ATTiny messen und 'merken'
LED entsprechend lange über eine LM317-KSQ mit 700mA Strom betreiben.
Differenzspannung (2) mit ATTiny messen und 'merken'
Per ATTiny auf 20mA zurückschalten und sofort Differenzspannung (3) messen (das geht in weniger als eine Millisekunde)
Wenn man jetzt die Differenzspannung (2) und (3) um den Offset bei (1) korrigiert kann man daraus sehr exakt die Flussspannungsdifferenz zwischen 'kalt' (1) und 'heiß' (3) berechnen.
Wenn ich mal wieder viel Zeit hab...[/quote" class="wysiwygQuote">

Zitat

Strom muss natürlich nachgemessen werden. Sind nur in etwa 20/700mA. Ebenso würde ich mit einem guten Messgerät (max. 1% Fehler) die Differenzialmessung am Tiny45 überprüfen. Der relative Fehler dürfte zwar recht gering sein, aber die Referenz ist meist nicht besonders genau.

Zitat von »Cossart«

Zitat von »Deadeye5589«

So wie ich das sehe, macht das Multimeter einen Fehler um den eigentlichen Messwert von bis zu 29mV.

Solange der Meßbereich nicht verändert wird, ändert sich auch der systematische Fehler nicht. Das ist das Schöne an Digitalmultimetern: Sie kennen kein "vielleicht", sondern nur "ja" oder "nein". Aus welchem Grunde sollte morgen "nein" sein, was heute noch "ja" ist? Probier's selber aus: Nimm irgend ein Billig-Teil aus der Kruschtelkiste für 5 Euro. Damit mißt die Spannung einer Lithiumbatterie. Morgen wiederholst Du die Messung, ohne den Meßbereich zu ändern. Was kommt dabei raus? John.S Messung ist richtig. Sie funktioniert mit jedem Meßgerät, dessen Auflösung hoch genug ist, die Spannungsdifferenz zu registrieren. Die absolute Genauigkeit spielt dabei keine Rolle, weil sich der systematische Fehler bei der Messung von Spannungsdifferenzen von selbst aufhebt.

Viele Grüße
Robert

Also mein Physikpraktikum liegt schon bischen her und das Messtechnikpraktikum steht wie gesagt bei mir erst im kommenden Semester an. Deswegen bin ich mir da nicht so sicher. Aber ist das wirklich ein systematischer Fehler im Messgerät? Ein Systematischer Fehler "läuft" doch immer nur in eine Richtung, aber das Messgerät kann sowohl nach oben und nach unten abweichen.

Zitat von »Cossart«

Wenn es ein zufälliger Fehler wäre, müsste der Meßwert von Messung zu Messung um biszu ± 29 mV springen. Da er das aber nicht tut, ist es ein systematischer Fehler (Unzulänglichkeiten des DA-Wandlers).

Viele Grüße
Robert

Macht Sinn. Simple Logik, ist, wie so oft die beste Logik. Die Erklärung hast du ja schon indirekt beim Beispiel mit der Batterie gegeben.


Gruß
Eugene