I LED sono migliori di quanto pensiamo?

La saggezza convenzionale sui LED afferma che la loro massima tensione inversa è piuttosto limitata, di solito nell'intervallo 5V-8V.$V_{R(max)}$

Quindi, a fini di sperimentazione, volevo portare un LED in guasto controllato, usando il mio alimentatore a corrente limitata.

Ovviamente mi aspettavo che la tensione di rottura effettiva fosse leggermente superiore alla garantita ( m a x ) , ma non avrei mai potuto aspettarmi il risultato che ho trovato. Ho provato con diversi tipi di LED indicatori cinesi senza marchio "el cheapo" (3mm e 5mm, rosso, verde, blu, giallo e bianco) e non sono riuscito a portarli nella regione del guasto, anche a 32V (dove la mia potenza l'offerta ha raggiunto il massimo)!$V_{R(max)}$

Pertanto, ho voluto ricontrollare i miei presupposti e ho navigato sistematicamente in molti fogli di dati (circa 40) di dispositivi attuali (LED standard da 3 mm e 5 mm, per entrambi gli indicatori e le applicazioni di illuminazione) di diversi produttori (ad esempio Vishay, Nichia, Kingbright, Fairchild, Cree) . Quasi tutti hanno riportato una , con alcuni dispositivi Vishay classificati a 6V.$V_{R(max)}=5V$

Ero estremamente perplesso. OK, i produttori tendono ad essere prudenti, ma un margine> 25 V sembrava un po 'troppo alto. Dopotutto, garantire una (o qualcosa del genere) potrebbe rendere i LED buoni candidati per alcune utili applicazioni o consentire semplificazioni dei circuiti (ad esempio, non è necessario proteggere i LED da picchi inversi a bassa tensione). Comunque, quello sarebbe un altro proiettile nell'elenco di cui i professionisti del marketing potrebbero vantarsi!$V_{R(max)}=25V$

Ovviamente il mio test era limitato a una dozzina di LED di produttori sconosciuti, ma suppongo che non possano essere migliori di quelli provenienti da fonti affidabili. O ho sperimentato una sorta di legge inversa di Murphy, dove ho trovato l'unica scatola di LED sul pianeta con una tale caratteristica?!?

Domande: sto trovando qualcosa che è noto nel settore? Perché continuano a specificare i LED con una così bassa ( m a x ) quando i dispositivi reali sembrano essere molto migliori? Mi manca qualcosa?$V_{R(max)}$

MODIFICARE

(per chiarire alcuni punti che probabilmente hanno spinto commenti / risposte che non mi hanno dato le spiegazioni che vorrei ottenere)

Cose che già conosco

• Le sollecitazioni oltre le valutazioni massime assolute riportate nel foglio dati potrebbero danneggiare il dispositivo e di solito lo danneggerebbero se le sollecitazioni superano ampiamente tali limiti.

• Quando si superano tali valori massimi non è possibile richiedere nulla al produttore. Sei da solo in un territorio sconosciuto. Non puoi né fargli causa né lamentarti.

• Nessun progettista sano userebbe una parte del suo progetto al di fuori delle specifiche fornite nel foglio dati. I bravi progettisti si assicureranno che la parte rimanga ben al di sotto delle valutazioni massime indicate. Come ho affermato all'inizio, stavo sperimentando , entrando di proposito in terre sconosciute per verificare le mie aspettative e le mie conoscenze sulla ripartizione inversa.

I miei presupposti (possibilmente sbagliato; e se sono sbagliati mi piacerebbe sapere perché )

• Il principale fattore limitante per qualsiasi valore nominale di tensione inversa massima del diodo è la sua tensione di rottura. In altre parole, puoi invertire in modo sicuro un diodo con la forza che vuoi fino a quando non si avvia la rottura (Zener o valanga).

• La ripartizione non è di per sé distruttiva. L'improvviso aumento della corrente inversa provoca un enorme aumento della potenza dissipata, specialmente ad alte tensioni inverse, pertanto la giunzione PN verrà distrutta, a meno che non si limiti la corrente in qualche modo.

• Il meccanismo di rottura dei LED non è diverso da quello di altri diodi a giunzione PN, come i normali raddrizzatori al silicio o Zeners.

• Poiché i LED non sono progettati (al contrario degli Zeners) per funzionare in avaria, la tensione BD non è un parametro ben specificato, quindi la diffusione della produzione potrebbe essere piuttosto grande. Pertanto i produttori scelgono un adeguato margine di sicurezza e lo dichiarano come massima tensione inversa.

• Sebbene sia necessario un certo margine di sicurezza, non può essere enorme. IIRC, la tensione BD dipende dai livelli di drogaggio e dalla geometria della giunzione metallurgica e questi parametri influenzano anche le caratteristiche del diodo quando distorto in avanti. Se le "specifiche utili" del LED devono essere ragionevolmente coerenti, quindi il doping e la geometria devono essere; quindi anche i valori di tensione BD non possono essere sparsi troppo selvaggiamente.

Ciò che mi ha sconcertato e mi ha fatto pensare che ci siano più problemi oltre a proteggere un LED dall'entrare in avaria

• Una differenza così grande tra la tensione inversa massima nominale e la tensione BD effettiva (almeno + 400%) dovrebbe significare qualcosa e dovrebbe avere una logica alla base. Dati i presupposti di cui sopra, non posso credere che lo stesso modello di LED possa avere una diffusione della tensione BD così grande, cioè non posso credere che lo stesso processo (anche tra lotti diversi) possa produrre una parte che entra in avaria, diciamo, 10 V e un altro che lo immette a 30 V (sto per essere corretto).

Sì, questo è ampiamente noto. Chiunque lo abbia provato lo sa. I produttori di stampi lo sanno sicuramente.

Non specificano i LED per una tensione inversa superiore a 5 V perché non aumenterebbe in modo misurabile le vendite (vale a dire pochissime necessitano di tale capacità ) e richiederebbero loro di considerare effettivamente ciascun tipo di LED e quale tensione potrebbe sopportare (forse 12 V per alcuni, forse 80 V per gli altri). Potrebbero esserci anche problemi di affidabilità a lungo termine che richiederebbero una quantificazione o eventualmente un cambiamento nella progettazione dei LED per mitigarli.

La classificazione a 5 V deriva dalla tensione inversa sperimentata da un LED pilotato in una matrice da un'alimentazione a 5 V con driver push-pull, che è una delle poche volte in cui si inverte deliberatamente un LED di polarizzazione (LED back-to-back in accoppiatori ottici con ingresso CA, vedere la tensione diretta dell'altro caso peggiore del LED, o circa -1,2 V).

Esistono molti parametri non specificati (dati tipici o nessun dato) o solo vagamente specificati perché la maggior parte del mercato non lo richiede. Ad esempio, beta inversa, ripartizione Vbe su BJT, coefficiente di temperatura di Vf sui LED indicatori.

Per quanto riguarda l'effettiva capacità dei normali LED, vi sono prove di una tensione di polarizzazione inversa che causa un danno graduale al LED a causa dei portatori caldi. Ad esempio, DOI 10.1109 / LED.2009.2029129 indica danni ai LED verdi con -40V applicato, quindi non sarebbe saggio progettare ciecamente qualcosa che dipendesse dall'elevata caduta di tensione inversa.

Se stai sotto un albero in un temporale e sei sopravvissuto, significa qualcosa di significativo? Questo è un po 'come la polarizzazione inversa di un LED> -5V.

Grafico, per gentile concessione di Questo mostra la sensibilità dei LED sia in polarizzazione inversa che in avanti esposti a ESD. Nota sotto, che è molto più sensibile a sinistra quando Vr scende sotto -5V

(Potrei scrivere un libro sull'argomento Partial Discharge (PD) e Breakdown Voltage (BDV) ma terrò questa modifica più breve;)

Quando una giunzione PN è polarizzata al contrario una nuvola di carica (come una nuvola cumulonembo) crea un'alta densità di carica del campo E in cui i difetti sono cariche mobili (particelle contaminanti) che vengono accelerate per formare un percorso che farà esplodere le particelle (da PD) e "avvolgere" il dispositivo (anche l'isolamento del trasformatore MVA) o creare un percorso streamer prima dell'evento catastrofico BDV. (es. come un fulmine ma silenzioso)

Tranne che in un LED a polarizzazione inversa, il campo E che suppongo sia nell'ordine di grandezza di 5 V / um (come 5 kV / mm per quasi una scintilla in aria. Quindi le impurità molecolari con una costante Er leggermente inferiore avranno una E- maggiore campo e carica attraverso di esso rispetto al suo vicino. La carica che si sta accumulando dal flusso di corrente | | -10uA | dove i LED bianchi sono specificati a -5V in piccoli chip.

aneddotico

Un trasformatore di distribuzione da 5 MVA ferito che ho studiato in una fabbrica di trasformatori a Scarborough aveva un problema di responsabilità di $ m, ma aveva un perfetto test sul campo delle prestazioni dello studio di potenza, MA aveva sciolto il gas idrogeno dimostrato da frequenti analisi del gas dissolto (DGA). Questo H2 è stato generato da ogni evento PD nell'olio, proprio come un oscillatore DIAC Relaxation, e quindi ha raggiunto la nota soglia (a quelli di quell'industria) di livelli esplosivi (il 4% è la soglia esplosiva inferiore, quindi è stata prontamente presa fuori servizio, in seguito ho eseguito test approfonditi per trovare la causa principale e risolvere il problema di contaminazione da potenziali 23kV previsti in questo dielettrico, ma ho causato campi E anormali in particelle> 16 V / um causando lo scarico e la detonazione delle molecole di olio attorno ad esso, abbattendo così il idrocarburo lungo CxHycatene che rilasciano H2.

Un contaminante simile ma diverso (miscelato con la normale distribuzione di nitruro, fosfuro di gallio e arsenico) è accelerato da campi E anomali in una giunzione PN distorta inversa e influisce negativamente sull'aspettativa di vita del LED.

Questa carica mostra la relazione con i difetti e la corrente di dispersione, ma una giunzione ferita è densa a differenza di contaminanti omogenei, quindi il BDV è imprevedibile ma noto dove inizia il livello di stress per molte giunzioni PN (Vbe e LED, sebbene diversi nella costruzione mostrino questo meccanismo di guasto comune con diversi gradi di sensibilità accelerata.

Quindi, per riassumere , se una giunzione PN ha una tolleranza più elevata per invertire i pregiudizi dai test, non significa che non sia ancora ferita, ma solo che ha una densità più bassa di contaminanti da particelle in parti per milione. L'accelerazione della carica non è lineare con la densità del contaminante ma piuttosto logaritmica. È l'energia cinetica dell'impatto che fa esplodere il danno micro o nanometrico.

fine modifica

In caso di polarizzazione inversa, la corrente è generalmente nominale di 1 µA per RY e 10 µA per i colori BGW.

Immagina che la polarizzazione inversa sia un micropotenza estremo e misurala e se non esiste un morsetto ESD che qualcosa dell'ordine di 100 µW ha una potenza maggiore per micrometro della corrente polarizzata in avanti 100 mW per mm quadrato perché il percorso è MOLTO DIVERSO.

Non è come un diodo Zener limitato dal potere in entrambe le direzioni. Gli spazi della banda possono fallire bruscamente o dolcemente.

Quindi lo stress è invisibile e ferisce le giunzioni in modo diverso. Il risultato può essere visto con una capacità di giunzione più elevata o un colore sfocato o un'intensità più bassa o ferito per ridurre significativamente l'MTBF.

Se è in grado di resistere brevemente o per un po 'o meno è irrilevante. Gli esperti comprendono che il livello di stress riduce l'affidabilità o le prestazioni.

Se non capisci perché esiste il punteggio massimo assoluto, non ignorarlo o dubitarne o quando meno te lo aspetti ... hmm, non funziona.

Una guida ingegneristica che ho presentato al cliente nel 2005 prima di andare in visita in loco per risolvere i problemi ESD e di saldatura che causavano guasti all'1% sul campo risolti in seguito dalle mie raccomandazioni di miglioramento del processo.

articolo di ricerca sullo stress di tensione inversa nei diodi

Test di curiosità

Perché questa è una cattiva idea?

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

Superare i massimi assoluti dalle schede tecniche non significa necessariamente un guasto catastrofico immediato. Significa che sei andato in una regione per la quale il produttore non ritiene più opportuno garantire che il dispositivo eseguirà di nuovo le specifiche, per il resto della vita del dispositivo.

Questo significa che non funzionerà secondo le specifiche? No, significa che il produttore non garantisce più che si esibirà secondo le specifiche.

Inoltre, poiché i tuoi test sono stati eseguiti su LED di "fabbricazione sconosciuta", non hai idea di come siano classificati.

In poche parole, applicare un'alta tensione inversa ai nuovi LED per alcuni minuti non è un test conclusivo. La corrente inversa nei LED aumenta con l'età ( 1 ) e mi aspetto che anche la tensione di interruzione diminuisca. Entro la fine della loro vita più LED si rompono con valori di tensione inversa più bassi.

Ridurrebbe inutilmente la produzione.

Una volta specificata una tensione di interruzione più alta del necessario (per l'utilizzo del LED), è necessario rifiutare (o vendere come un grado diverso) qualsiasi uscita di produzione che non soddisfa tale specifica ma che altrimenti funziona A-OK come LED. A meno che l'utente non abbia bisogno di un LED in grado di svolgere il doppio ruolo di raddrizzatore, ciò aumenterebbe solo i costi e / o la complessità del catalogo.