基于NTC热敏电阻的LED闪光基板的温度检测

描述

  NTC热敏电阻是一种热阻元件,其阻值会随温度升高而急剧下降。利用这一特性,它除了可以被设计为温度传感器以外,还被用作温度保护元件以防止电路过热。通过将NTC热敏电阻安装在靠近热源的位置上,可以准确检测热源温度。但由于基板尺寸和PCB布线等限制,有时也需要将其安装在远离热源的位置。

  本期推文中,我们假设了一种LED和NTC热敏电阻安装位置不同而导致的测量温差的情况,并确认了基板厚度的影响,然后对其结果进行说明。

  

 

基板

 

  通过将NTC热敏电阻安装在靠近热源的位置,可实现精确的热源温度检测。但由于基板尺寸和PCB布线等限制,有时也需要将其安装在远离热源的位置。我们使用发热模拟软件,假设了将LED闪烁灯基板的LED作为热源来确认由于LED和NTC热敏电阻安装位置不同而导致的温差,此外还确认基板厚度的影响。

  

 

基板

 

  测试所用的基板是基于智能手机LED闪光基板的模型所设计的。各项尺寸如下:

  ■ 基板尺寸:6.5 x 5.0mm

  ■ LED尺寸:1.0 x 1.0mm

  ■ LED输出:30mW x 4个

  

 

基板

 

  图1:基板信息

  

 

基板

 

  

 

基板

 

  对于LED闪烁灯基板,正面的GND布线通过Via连接到背面,其他部分使用FR4基板材料,而基板越厚使用的基材越多。基板厚度有0.4mm和1.6mm两个等级。

  

 

基板

 

  图2:模拟条件1【基板厚度】

  

 

基板

 

  在LED闪烁灯基板的中央区域安装了四个1mm形状的LED,在远离LED的位置上配置0402mm形状的NTC热敏电阻。NTC热敏电阻的安装位置距离LED为0.25mm、1.00mm和1.75mm。

  

 

基板

 

  图3:模拟条件2【NTC热敏电阻安装位置】

  

 

基板

 

  发热模拟时的测温点设为LED表面和NTC热敏电阻表面四处。

  

 

基板

 

  图4:测温点

  

 

基板

 

  

 

基板

 

  ■ LED表面温度:显示92.5℃

  ■ NTC热敏电阻表面温度:显示距离LED越远温度越低

  ■ NTC热敏电阻表面温度相对于LED表面温度产生了温差

  ■ 基板表面存在温度分布,导体图案与基板材料之间也产生了温差

  

 

基板

 

  图5:各个测温点的LED & NTC热敏电阻表面温度模拟结果-1

  

 

基板

 

  ■ LED表面温度:显示92.8℃

  ■ NTC热敏电阻表面温度:显示距离热源LED越远温度越低

  ■ NTC热敏电阻表面温度相对于LED表面温度产生了温差

  ■ 基板表面存在温度分布,导体图案与基板材料之间也产生了温差

  

 

基板

 

  图6:各个测温点的LED & NTC热敏电阻表面温度模拟结果-2

  

 

基板

 

  NTC热敏电阻安装位置导致的温差:由于FR4的导热系数低至0.25W/mk,LED的热量难以向周围传递,导致LED与周围产生温差。距离热源LED越远,LED和NTC热敏电阻之间的温差越大。

  

 

基板

 

  图7:NTC热敏电阻安装位置导致的温差

  确认基板厚度的影响:当基板厚度较厚时,NTC热敏电阻不容易受到转移到背面GND的热量的影响,因此NTC热敏电阻与热源LED的温差变大。

  

 

基板

 

  图8:LED和NTC热敏电阻的表面温差 (Δ温度)

  △温度:其显示了LED表面温度和NTC热敏电阻表面温度之间的温差。示例:83.1-92.8=-9.7℃

  

 

基板

 

  基板材质:使用FR4时,由于热源的热量难以向周围传递,导致热源与周围产生温差。此外,距离热源越远,热源与NTC安装位置的温差越大,在设计温度检测电路时需要考虑到这些现象。

  元件选择步骤

  想要进行温度监测使LED表面温度不超过90℃时:

  1) 确认基板上的发热源(LED)位置。

  2) 确定NTC热敏电阻的安装位置。

  3) 确认LED表面温度和NTC安装位置的温度。

  (假设LED温度为90℃时NTC温度为80℃的情况)

  4) 选择合适的检测电路,使80℃时的输出特性高度准确。

  ■检测电路

  ■输出电压(Vout)特性

  

 

基板

 

  NTC温度:确认80℃时的输出电压(Vout)。在这种情况下,若Vout显示高于3.5V,则LED温度保持在90℃以下。

  

 

基板

 

  基板材质:使用FR4时,由于热源的热量难以向周围传递,导致热源与周围产生温差。此外,距离热源越远,热源与NTC安装位置的温差越大。买电子元器件现货上唯样商城。通过确认NTC安装位置的温度并选择检测电路以使输出特性高度准确,可以构建使用NTC热敏电阻的最佳电路。

  以下是TDK用于一般LED闪光灯(消费设备)和LED头灯(车载设备)的NTC热敏电阻推荐型号:

  

 

基板

 

  此外,选择检测电路和NTC热敏电阻时,您还可以使用TDK的基于Web的NTC热敏电阻模拟工具。

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