３０ワット級ＬＥＤの点灯回路

質問

あるメーカーのLEDー80個ほどの保守をしてますが、よく玉切れをします。
そこで問題点を教示願います。If；９Ａ　Vf；3.6Ｖ　初期電流0.01Ａ/2.5Vから点灯、Led7個を直列配列し定電圧安定化電源24－42Vを手製定電流アンプにて、９A駆動しています。ジャンクション温度は一部の測定で概ね50度までで温度的な問題ではないようです。現象として平均照度から７０％ぐらい、切り離してテストすると順抵抗が極端に下がり、初期電流3.0Ａ程度まで上がり放置すると切れます。
勿論本来なら単体駆動、各個定電流ですが配線、電源費用の点でしていません。アンプを疑いますが、電源のトレース装置を持ちませんので切れる瞬間の電流は不明です。解決方法は無い物でしょうか？　もし切れる時の測定装置があれば教えてください。

回答No.5

noname#230359

LEDと逆向きにツェナーダイオードを接続すれば良いのでは？

お礼

回答有難うございます。時間的余裕が無くて遅れました、確かにそうなのですが、小型点滅Ledとかに使用経験しかないですが、９A流せる巨大ツェナーダイオードがあったとしても実装は無理です。

回答No.4

noname#230359

毎度JOです。
VF3.6VのLEDが4.2V～4.6Vに成る事は異常です

本当にIFは9A(連続定格)なのでしょうか？？
9Aはパルスレートではないか （Duty10％なら9A流せる規格）

例えばVF3.6V　IF3A程度のLEDを「無理やり」
１）4.2Vを掛けると9A流れる
２）9A流すと4.2Vに成る

参照LED
VF3.6V　IF3A程度のLED
http://media.digikey.com/PDF/Data%20Sheets/CREE%20Power/XLamp%20XM-L%20LEDs%20Preliminary.pdf
このLEDの場合2.5V程度から発光を始めます

＊　本当にIFは9Aなのでしょうか？

毎度JOです。
現状の状態は、全容が見えてきません、
故障診断は、現場で現状を見る事が早道なのですが、
ＬＥＤの型番や全体の回路は提示頂けませんか？

もちろん実装の問題かも知れませんので、
回路等の提示でも解決しな可能性もありますが・・・

参考URL：

http://media.digikey.com/PDF/Data%20Sheets/CREE%20Power/XLamp%20XM-L%20LEDs%20Preliminary.pdf

補足

御回答有難うございます。
　連続定格９Aです。まちがいありません。

回答No.3

noname#230359

課題を整理させて下さい。
(1)使っているLED素子は、定格順電流が9.0A、順電圧3.6V　使用最大電流12A
　であり、常識的なLED素子と比較すると巨大な素子であること。
(2)前項(1)で記述した素子を６～７個直列点灯していること。
　（合成した順電圧は２２～２５Ｖ程度と推定される）
(3)点灯する電源回路は、手製の定電流回路であること。
(4)動作状態のジャンクション温度は50℃程度

お問い合わせの内容を整理させてもらいましたが、認識は正しいでしょうか？
考え違いがあれば、ご指摘下さい。

以下は質問です。
(a)LED素子は、定格順電流が9.0A、順電圧3.6V
　このような素子は、そんじょそこらにあるものではないはずです。できれば
　メーカーと型番を教えて下さい。　
(b)初期電流0.01Ａ/2.5Vから点灯　とは、
　単体の素子（定格順電流が9.0A、順電圧3.6V）について記述なさっている
　ことですね。
(c)安定化電源24－42V とは、　
　42Vの定電圧出力の電源に、（9A）の定電流回路を付加して、42V－24Vの
　負荷電圧範囲において定電流性が確保されているということでしょうか？
(d)ジャンクション温度は50度程度
　どのような方法で温度測定をなさっているのでしょうか？熱電対をつけて
　温度を測定してのであれば、その測定点を教えて下さい。
(e)よく玉切れ
　切れると、直列回路全体が光らなくなるのですか？切れたLEDのみが光ら
　なくなるのですか？
(f)平均照度から７０％ぐらい、
　LEDでは、駆動電流と明るさはおよそ比例します。平均照度から７０％と
　初期電流3.0Ａ程度の関係がよく理解できませんので、補足説明をお願い
　します。
(g)切り離してテストすると順抵抗が極端に下がり
　何をどのように切り離してテストすると、順抵抗が下がるのですか？
　順抵抗とは、LEDの順方向電圧を順方向電流で割った値のことを指すので
　すか？
(h)９A流したときの電圧が4.2V～4.6Vと個々ばらばら
　多少のバラツキがあるのは止むを得ませんが、3.6Vよりも極端に高いのは
　頷けません。この値は、LED素子メーカーの仕様書範囲内ですか？　LED素
　子メーカーに見解を求めていますか？特性の測り方に問題はありませんか？
(i)これが玉切れ前にはかなり電圧が上昇します。
　初期状態では、0.01A、2.5Vで点灯したLED素子が、徐々に劣化して、玉切
　れを起こす前には、0.01A、2.5Vを加えた状態では光らなくなるということ
　を表しているのでしょうか？

質問ばかりで申し訳ありませんが、LEDは正常な使い方であれば、早期に劣化
するものではありません。何らか使い方に問題がありそうです。
全部を記述するのは難しいかもしれませんが、(f)と(g)については、第三者
が読んで判るように補足をお願いします。
静電気が加わることによる劣化で、小電流領域の順方向電圧が上昇すること
はよく知られています。

照度低下、小電圧（小電流）領域における特性劣化など、玉切れに至る前の
劣化状態のＬＥＤ素子があるならば、素子メーカーに解析依頼をすることが
問題点を特定するには適当と思います。

温度は問題ないとご判断なさっていますが、ＬＥＤを基板にはんだ付けして
いる部分の温度を、熱電対を使って測定し、放熱系に問題がないか精査する
ことをお勧めしたいと思います。
ご回答では、サーミスタ温度計で測った放熱器の温度が５０℃程度というこ
とと思います。ジャンクション温度は、放熱器温度よりも、熱抵抗×投入電力
の分だけ高くなります。
（一般論ですが、３０Ｗ級のＬＥＤを何個も纏めて利用するには、ものすご
　い放熱器が必要です）

また、＃４回答者さんご指摘のように、素子の定格の考え方を再度検討なさ
ることも重要と思います。

３０Ｗ級のＬＥＤ素子の例
http://www.luminus.com/stuff/contentmgr/files/0/49fb13dd1ecd06ba454cc7714a96b032/miscdocs/pds_001342_rev_04_sst_90_w_product_datasheet_illumination.pdf

直列につないだからといって、理屈の上で不都合が起きることはないと思い
ます。

回路の並列については、課題が発生数ことがあります。
ご質問の冒頭に「あるメーカーのLEDー80個ほど」と書いていらっしゃいま
すが、６～７個直列のＬＥＤを１１～１４回路程度並列につないで、全体を
一つの電源で駆動なさっていることはありませんか？
電流フィードバックを掛けている旨ご回答ですが、６～７個直列のＬＥＤ
一組ごとに電流制御回路があるのか、８０個一括なのか正確には把握できま
せんでした。８０個一括で制御をしていれば、並列回路の電流バランスが崩れ
てどこかの回路に電流が増加すると、その回路に接続されたＬＥＤの温度が
上昇し、温度上昇により順方向電圧が下がることで、より一層電流集中を
助長する可能性があります。

私だけの杞憂ならばいいのですが、ジャンクションが3センチ角も有るとの
ご回答は鵜呑みにし難いです。ジャンクションとは、ＬＥＤの半導体のp-n
接合部の意味であって、電流定格９Ａ連続の素子であっても、3mm□とか
5mm□程度の面積であり、30mm□というようなことはなさそうに思います。
お使いの素子の、ジャンクションと放熱器取付部までの熱抵抗は、何℃／Ｗ
なのでしょうか？ＬＥＤ素子メーカーは、必ずこの熱抵抗の値を表明して
いると思います。
仮に、この値が2.15℃／Ｗであれば、３０Ｗの電力を投入した場合に、取付部
の温度よりもジャンクション温度は、2.15℃／Ｗ×３０Ｗ＝64.5℃高いと
いうことになります。

ＬＥＤとヒートシンクの熱接触を向上させるために、シリコーングリスなど
をお使いでしょうか？

ご苦労の様子は追記でより一層認識させて頂きました。

設計者ではなく、メンテナンスのみを任された方のご苦労は、ネット上のサ
イトからでは計り知れない程のことがあろうかと思います。

ではありますが、既に回答したとおり、対応方法は以下のポイントに絞られ
ると考えています。
＞照度低下、小電圧（小電流）領域における特性劣化など、玉切れに至る前の
＞劣化状態のＬＥＤ素子があるならば、素子メーカーに解析依頼をすることが
＞問題点を特定するには適当と思います。

劣化の可能性がある素子の全数交換をユーザーさんに勧めたいとお考えと思
いますが、ユーザーさんに対する説得力を得るにはメーカーの協力が一番と
思います。

事情が許されそうもありませんが、一度全部の素子を取り外して、所定電流
で駆動した場合の、明るさと順電圧を測定した後、交換するなり、様子をみ
るなりの処置を決めた方がよさそうに思います。

補足

質問の整理有難うございます。
　この問題が起きてより日々に追われ、データー整理も出来てません。それで矛盾する返事も出てきますので了承ください。
(1)巨大な素子です。
(2)前項(1)で記述した素子を６～７個直列点灯していること。
　（合成電圧は7個で31Ｖ程度、線路ドロップ；IV電線２?平方で往復約８メ　　ーター）
(3)点灯する電源回路は、手製の定電流回路です。
(4)動作状態のジャンクション温度は50℃程度、ただし私が関与前はもっと高　　いと思います。電流を少しさげました。
(a)LED素子メーカー、　公開上ではオープン出来かねます。　
(b)初期電流0.01Ａ/2.5Vから点灯　そうです。
　これと照度を基準に玉替えをしています。
(c)安定化電源24－42V　そうです。
(d)ジャンクション温度は50度程度、放射温度計です。なおLED近傍の放熱体の　アルミに穴を開けサーミスターをさしこんでいます。
(e)よく玉切れ　全体が光らない。

(f)平均照度から７０％ぐらい、
　駆動電流と明るさはあまり比例しません。そのためにデーターを取りました　が未だにプロットしてません。平均照度かは１回路グループの平均をとり
　それから７０％に劣化した物を単独でテストします。初期電流0.01Aで蛍の　光なのが3.0Ａで蛍発行します。テスト詳細は未整理です。

(g)切り離してテストとは
　　直列の列より外して単体にします。順抵抗は間違いでアナログテスター
　　での測定を目安にしています。
(h)９A流したときの電圧が4.2V～4.6V、
　LED素子メーカーの仕様書は3.6です。メーカーの担当者名が知りえた段階で　これからです。ケンウッドPd36-10で直接メーターを読みます。
(i　そうです。

質問の整理有難うございます。
　この問題が起きてより日々に追われ、データー整理も出来てません。それで矛盾する返事も出てきますので了承ください。
(1)巨大な素子です。
(2)前項(1)で記述した素子を６～７個直列点灯していること。
　（合成電圧は7個で31Ｖ程度、線路ドロップ；IV電線２?平方で往復約８メ　　ーター）
(3)点灯する電源回路は、手製の定電流回路です。
(4)動作状態のジャンクション温度は50℃程度、ただし私が関与前はもっと高　　いと思います。電流を少しさげました。
(a)LED素子メーカー、　公開上ではオープン出来かねます。　
(b)初期電流0.01Ａ/2.5Vから点灯　そうです。
　これと照度を基準に玉替えをしています。
(c)安定化電源24－42V　そうです。
(d)ジャンクション温度は50度程度、放射温度計です。なおLED近傍の放熱体の　アルミに穴を開けサーミスターをさしこんでいます。
(e)よく玉切れ　全体が光らない。

(f)平均照度から７０％ぐらい、
　駆動電流と明るさはあまり比例しません。そのためにデーターを取りました　が未だにプロットしてません。平均照度かは１回路グループの平均をとり
　それから７０％に劣化した物を単独でテストします。初期電流0.01Aで蛍の　光なのが3.0Ａで蛍発行します。テスト詳細は未整理です。

(g)切り離してテストとは
　　直列の列より外して単体にします。順抵抗は間違いでアナログテスター
　　での測定を目安にしています。
(h)９A流したときの電圧が4.2V～4.6V、
　LED素子メーカーの仕様書は3.6です。メーカーの担当者名が知りえた段階で　これからです。ケンウッドPd36-10で直接メーターを読みます。
(i　そうです。

言葉が足りませんでした。

(ｄ)ジャンクション温度は放射温度計で５０℃ぐらい、ただしLED直下ではありません(ジャンクションは3センチ角も有ります)。そしてその放熱体温度は差込のサーミスタで40℃です。ヒートシンク群内でも高そうなのを基準にしてますが実際はこれより高いのもあります。ただLed直下のジャンクション温度はもっと高いはずですが基準にしてる放熱体のサーミスタ温度計での経過を見ると破壊温度になっている様に思いません。勿論この温度は私の管理後に電流値10～12Aより９A に下げた状態での測定であり、過去にどれだけの温度であったかわかりません。
　以前に取り付け調整中とかランニング中に高温度によってLEDに一度火が入ったなのかもしれません、絶対定格温度、電流を超えたのであればしかたないですがまさかとも思います。

　連続定格の見直しですがメーカーが決めてるのはそれなりの根拠で決めてると思いますので他に原因があると思います。

　＊直列配列LED点灯で全体に電流(９A)流す場合の問題点はありませんか？

先にも書きましたが単独電源単独回路でアンバランスはありません。

間違いを訂正します。少し時間が出来ましたが条件等記載漏れが多く整理できてません。それと言い訳になります下記に、普通は書かないのでしょうが今回回答に時間をさいていただきましたので、仕事の流れを簡単に記入します。

間違い箇所
　(ｄ)ジャンクション温度は放射温度計で５０℃ぐらい、(ジャンクションは3センチ角も有ります)。

訂正　電流を９Aに下げ、冷却を追加した状態
　(ｄ)パッケージの樹脂部温度50度ぐらい、ただしLED直下ではありません(ケースは3センチ角も有ります。)　メーカー説明書にも図示されてましたが、古くからから私は一緒くたに扱っていましたので、間違い表記しました。

熱抵抗はジャンクションとケース間0.9度C/Wとあり、放射温度計はケース(パッケージと表現されている)上部に樹脂充填がありかなり差があるとおもいます、
　ケースと冷却材間は絶縁シート0.3?厚を両面絶縁接着剤で止めている為にかなりな熱抵抗が見込まれます。私は1.0度C/Wぐらいと見てます。
　冷却材表面はアルマイトでなくて絶縁塗装です。絶縁シートは念の為に製作者もしていましたので設置してます。

最初にWeb仕様書を見たとき、3.6Vとかなり違い
　玉切れ時　MAX　50度過去推定＋20度夏場＋(0.9＋1.0)ｘ12.6Aｘ5.1Vチップが火が入った為か初期値か不明。(4.6V)＝190度(180度)　だろうか半信半疑でしが、原因を熱と判断しました、当時は。

　＊　順電圧のばらつきは考えられないほどのバラツキがあります。ただ日本のメーカーでも大きいと聞きます。

＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠＠

過去の経緯

　当初玉切れで客先に呼ばれて初めて巨大Ledを見ました。客先にはLed仕様書無く、物にもロゴマークも無い(後で判ったことですがロゴを消してあった)、Webで検索しメーカーを特定できました。
　症状から見て、恐らく火の入った状態(夏場150度を超えて使用したため)でその系列全て交換が必要と推定しました。

当初の提示した対応策　
　１　電流値を下げるーーーーー照度を落とせないので当分のみOK
　２　冷却装置の拡大。－－－－－－－費用の点で様子見
　３　勿論切れ玉の取替え。ーーーーーー２系列7個X2と予備含め16個の取替えを提案。費用の点からユーザーは2個の取替えを希望。
　４　電源の調査と見直しーーーーーー費用の点で様子見
　５　温度警報装置設置ーーーーーーー費用の点で様子見

　結局メーカーに破壊温度テスト用含め５個を注文、しかし取り替えても系列とそれ以外の系列も玉切れ、取り替えても次々玉切れのため、追加発注し玉替えをしております。遅かれ20個換えも。。。そして現在上記3番以外進行中
　玉切れの原因が過去の《火》なのか私が関与後の対応の悪さ、例えば玉切れ系列の全玉交換をせず一部のみのためにかどうか、
　玉切時での原因特定が出来ずにずるずると玉換えをしている現状打開の為で質問です。

回答No.2

noname#230359

もう少し整理してください。

> If；９Ａ　Vf；3.6Ｖ　初期電流0.01Ａ/2.5Vから点灯
これは何処を表してますか

LEDの接続ですが、7個直列(1セット)でそれが11個？並列でしょうか。

定電流と言ってますが、各直列回路毎の定電流回路ではなく
一括しての定電流回路と受け取れましたがそうなのでしょうか。
（もし、そんな回路なら素人設計）

LEDの定格はどうなってますか。

回路に問題があるなら公開できれば誰かがすぐに指摘してくれると
思いますが、それは出来ませんよね。

> 先にも書きましたがこの３０ワットLEDは本来個々に定電流駆動しないといけないのでしょうが、現実そうでありません。

ここがとても気になるし、実際の回路がどうなっているのか知りたい。
例えば、直列の場合 基本的に１つの定電流源で駆動しても
それぞれのLEDには同じ大きさの電流しか流れないので問題は起こらない。
（Vfのばらつきや個別特性のばらつきで明るさに差は出るが）

問題は、１つの定電流源にLEDが並列で入っていないかと言うことが分からない
もし、そうならVfの低いLED側へ電流が多く流れて壊れやすくなり
Vfの高い方は暗くなる。

経験的には、LEDは電流の管理と温度管理をきちんとすればそう簡単に
壊れるような物ではないと思います。

補足

一個の定電圧電源の出力にシャントをかませ、それを定電流基板で電圧指令に帰還させてます。そして電源出力に一括の６～７個のLEDを直列配列で駆動しています。これが一回路で多回路あります。
　　　　　＋　○→→→→→→→○　－
定電流回路についてですが、用意しますのでお待ちください。

先にも書きましたがこの３０ワットLEDは本来個々に定電流駆動しないといけないのでしょうが、現実そうでありません。

定格ですが順電流が9.0A、順電圧3.6V　使用最大電流12A、ジャンクション温度絶対定格　１５０度、絶対電流１８A　と巨大です。

ただ個々にテストすると実測で、９A流したときの電圧が4.2V～4.6Vと個々ばらばらで3.6Vではありません。
点灯開始が実側で　0.01A、2.5V　から点灯します。
これが玉切れ前にはかなり電圧が上昇します。

まず問題点を教えてください。
そして何か打開策を教えてください。

回答No.1

noname#230359

再現できるのでしたら普通のオシロ（ストレージ）でとらえることができます。
トリガを立下りにしてノーマル設定にしておけば電流が落ちた時に停止します。
ほかに見たいところがあればほかのｃｈをつないでおけば解析に役立ちます。
ただしコモンに注意する必要があります。

お礼

早々の回答ありがとうございます。手持ちオシロはストレージしません、デジタルオシロを今回の為購入してました。時間に追われてるのと慣れてないので一度つかったきりでした。うっかりしてました立下りで工夫して測ります。