Czy diody LED są lepsze niż nam się wydaje?

Konwencjonalna wiedza na temat diod LED mówi, że ich maksymalne napięcie wsteczne Jest dość ograniczone, zwykle w zakresie 5 V-8 V.$V_{R(max)}$

Tak więc, do celów eksperymentalnych, chciałem doprowadzić diodę LED do kontrolowanej awarii, używając mojego ograniczonego prądu zasilacza.

Oczywiście spodziewałem się, że rzeczywiste napięcie przebicia będzie nieco wyższe niż zgłaszane gwarantowane , Ale nigdy nie mogłem się spodziewać oczekiwanego rezultatu. Próbowałem z różnymi rodzajami chińskich diod LED „el cheapo” (3 mm i 5 mm, czerwony, zielony, niebieski, żółty i biały) i nie mogłem ich wprowadzić w rejon awarii, nawet przy 32 V (gdzie moja moc podaż osiągnęła maksimum)!$V_{R(max)}$

Dlatego chciałem dokładnie sprawdzić moje założenia i systematycznie przeglądałem wiele arkuszy danych (około 40) aktualnych urządzeń (standardowe diody LED 3 mm i 5 mm, zarówno do wskaźników, jak i oświetlenia) różnych producentów (np. Vishay, Nichia, Kingbright, Fairchild, Cree) . Prawie wszystkie z nich zgłosiły , a niektóre urządzenia Vishay oceniono na 6$V_{R(max)}=5V$

Byłem bardzo zdziwiony. OK, producenci są zazwyczaj konserwatywni, ale margines> 25 V wydawał się nieco zbyt wysoki. W końcu zagwarantowanie (lub coś w tym rodzaju) może sprawić, że diody LED będą odpowiednimi kandydatami do niektórych przydatnych zastosowań lub umożliwią uproszczenie obwodu (np. Nie ma potrzeby ochrony diod LED przed skokami napięcia niskiego napięcia). Tak czy inaczej, byłby to kolejny punkt na liście, którym ludzie marketingowi mogą się pochwalić!$V_{R(max)}=25V$

Oczywiście mój test był ograniczony do kilkunastu diod LED nieznanego producenta, ale przypuszczam, że nie mogą być lepsze niż te z renomowanych źródeł. Czy też doświadczyłem czegoś w rodzaju odwróconego prawa Murphy'ego, w którym znalazłem jedyne pudełko diod LED na tej planecie z taką funkcją?!?

Pytanie: Czy znajduję coś, co jest znane w branży? Dlaczego wciąż określają diody LED o tak niskim Kiedy rzeczywiste urządzenia wydają się znacznie lepsze? Czy coś mi umknęło?$V_{R(max)}$

EDYTOWAĆ

(aby wyjaśnić niektóre punkty, które prawdopodobnie skłoniły komentarze / odpowiedzi, które nie dały mi wyjaśnień, które chciałbym uzyskać)

Rzeczy, które już wiem

• Podkreśla poza bezwzględnych ocen maksymalnych podanych w arkuszu danych może spowodować uszkodzenie urządzenia, a zwykle będzie go uszkodzić jeśli naprężenia są daleko poza te granice.

• Gdy przekroczysz te maksymalne oceny, nie możesz żądać niczego od producenta. Jesteś sam na nieznanym terytorium. Nie możesz go pozwać ani narzekać.

• Żaden rozsądny projektant nie użyłby części w swoim projekcie poza specyfikacjami podanymi w arkuszu danych. Dobrzy projektanci upewnią się, że część pozostanie znacznie poniżej podanych maksymalnych ocen. Jak powiedziałem na początku, eksperymentowałem , celowo wkraczając w nieznany ląd, aby zweryfikować moje oczekiwania i moją wiedzę na temat odwrotnego rozkładu.

Moje założenia (być może błędne; a jeśli są błędne, chciałbym wiedzieć, dlaczego )

• Głównym czynnikiem ograniczającym dla dowolnej diody maks. Napięcie zwrotne jest napięcie przebicia. Innymi słowy, możesz bezpiecznie odwrócić napięcie diody tak mocno, jak chcesz, dopóki nie pojawi się awaria (Zenera lub lawina).

• Awaria sama w sobie nie jest destrukcyjna. Nagły wzrost prądu wstecznego powoduje ogromny wzrost rozproszonej mocy, szczególnie przy wysokich napięciach zwrotnych, dlatego złącze PN zostanie zniszczone, chyba że jakoś ograniczysz prąd.

• Mechanizm rozkładania diod nie różni się od innych diod złączowych PN, takich jak zwykłe prostowniki krzemowe lub Zenery.

• Ponieważ diody LED nie są zaprojektowane (w przeciwieństwie do Zenerów) do pracy w stanie awarii, napięcie BD nie jest dobrze określonym parametrem, więc rozpiętość produkcji może być dość duża. Dlatego producenci wybierają odpowiedni margines bezpieczeństwa i deklarują to jako maksymalne napięcie wsteczne.

• Chociaż potrzebny jest pewien margines bezpieczeństwa, nie może być on ogromny. Napięcie IIRC, BD zależy od poziomów domieszkowania i geometrii złącza metalurgicznego, a parametry te również wpływają na charakterystykę diody, gdy jest ona skierowana do przodu. Jeżeli „przydatne specyfikacje” diody LED muszą być w miarę spójne, wówczas domieszkowanie i geometria muszą być; stąd też wartości napięcia BD nie mogą być zbyt gwałtownie rozłożone.

Co mnie zaskoczyło i sprawiło, że pomyślałem, że jest więcej problemów poza ochroną diody LED przed awarią

• Tak duża różnica między znamionowym maksymalnym napięciem zwrotnym a faktycznym napięciem BD (co najmniej + 400%) powinna coś znaczyć i mieć uzasadnienie. Biorąc pod uwagę powyższe założenia, nie mogę uwierzyć, że ten sam model LED może mieć tak duży rozrzut napięcia BD, tzn. Nie mogę uwierzyć, że ten sam proces (nawet w różnych partiach) może dać jedną część, która wchodzi w stan rozpadu, powiedzmy, 10 V i kolejny, który wchodzi do niego przy 30 V (mam nadzieję, że zostanie poprawiony).

Tak, jest to powszechnie znane. Każdy, kto to przetestował, wie o tym. Producenci matryc na pewno to wiedzą.

Nie określają diod LED dla napięcia wstecznego większego niż 5 V, ponieważ nie zwiększyłoby to w sposób wymierny sprzedaży (tj. Bardzo niewielu potrzebuje takiej możliwości ) i wymagałoby od nich rozważenia każdego typu diody LED i napięcia, które może wytrzymać (może 12 V dla niektórych, może 80 V dla innych). Mogą również występować problemy z długoterminową niezawodnością , które wymagałyby kwantyfikacji lub zmiany konstrukcji diod LED w celu złagodzenia problemu .

Wartość znamionowa 5 V pochodzi od napięcia wstecznego, które odczuwa dioda LED napędzana w matrycy z zasilacza 5 V ze sterownikami push-pull, co jest jednym z niewielu przypadków, w których celowo odwraca się napięcie diody LED (diody LED z powrotem do tyłu w transoptorze z wejściem AC patrz napięcie przewodzenia drugiego najgorszego przypadku LED lub około -1,2 V.

Istnieje wiele nieokreślonych parametrów (typowe dane lub brak danych) lub tylko luźno określone, ponieważ większość rynku tego nie wymaga. Na przykład odwrotna beta, rozkład Vbe na BJT, współczynnik temperaturowy Vf na wskaźnikowych diodach LED.

Jeśli chodzi o rzeczywistą zdolność zwykłych diod LED, istnieją dowody na napięcie zwrotne powodujące stopniowe uszkodzenie diody LED z powodu gorących nośników. Na przykład DOI 10.1109 / LED.2009.2029129 wskazuje na uszkodzenie zielonych diod LED przy przyłożonym napięciu -40V, więc nierozsądnie byłoby projektować na ślepo coś, co zależało od przebicia wysokiego napięcia wstecznego.

Jeśli staniesz pod drzewem w burzy z piorunami i przeżyjesz, czy to oznacza coś znaczącego? Jest to trochę jak odwrotne odchylenie diody LED> -5 V.

Wykres, dzięki uprzejmości To pokazuje czułość diod LED zarówno w kierunku wstecznym, jak i przednim narażonych na ESD. Zauważ, że jest znacznie bardziej wrażliwy na lewo, gdy Vr spadnie poniżej -5 V.

(Mógłbym napisać książkę na temat częściowego rozładowania (PD) i przebicia napięcia (BDV), ale będę ją skracał;)

Kiedy złącze PN jest odwrócone, chmura ładunków (jak chmura cumulonimbus) tworzy wysoką gęstość ładunku w polu E, w której wadami są ładunki ruchome (cząstki zanieczyszczeń), które są przyspieszane, tworząc ścieżkę, która albo zdetonuje cząstki (przez PD) i „uzwojenie” urządzenia (nawet izolacji transformatora MVA) lub utworzenie ścieżki streamera przed katastroficznym zdarzeniem BDV. (np. jak błyskawica, ale cicho)

Z wyjątkiem diod LED z tendencyjnym odwróceniem zgaduję, że pole E jest rzędu wielkości 5 V / um (jak 5 kV / mm dla prawie iskry w powietrzu. Wtedy zanieczyszczenia cząsteczkowe z nieco niższą stałą Er będą miały większą E- pole i ładunek w poprzek niż jego sąsiad. Ładunek jest wytwarzany przez przepływ prądu> | -10uA | w przypadku, gdy białe diody LED są podawane przy -5V w małych chipach.

Anegdota

Zraniony transformator dystrybucyjny o mocy 5 MVA, który badałem w fabryce transformatorów w Scarborough, miał problem z odpowiedzialnością, ale miał doskonały test wydajności badania mocy, ALE rozpuszczał gazowy wodór potwierdzony przez częstą analizę gazu rozpuszczonego (DGA). Ten H2 był generowany przez każde zdarzenie PD w oleju, podobnie jak oscylator relaksacyjny DIAC, a następnie osiągnął dobrze znany (dla tych w tej branży) próg poziomów wybuchowości (4% to dolny próg wybuchowości, więc został natychmiast podjęty poza serwisem, po czym przeprowadziłem wyczerpujące testy w celu znalezienia przyczyny pierwotnej i rozwiązania problemu zanieczyszczenia z normalnych potencjałów 23 kV oczekiwanych w tym dielektryku, ale spowodowało nieprawidłowe pola E w cząsteczkach> 16 V / um, powodując rozładowanie i detonację otaczających go cząsteczek oleju, a tym samym rozbicie długi węglowodór CxHyłańcuchy zwalniające H2.

Podobny, ale różny zanieczyszczenie (zmieszane z normalnym rozkładem azotku, fosforu galu i arsenu) jest przyspieszane przez nieprawidłowe pola E w odwróconym złączu PN i niekorzystnie wpływa na długość życia diody LED.

Ten ładunek pokazuje związek z defektami i prądem upływowym, ale zranione złącze jest gęste w przeciwieństwie do jednorodnych zanieczyszczeń, więc BDV jest nieprzewidywalny, ale znany, gdzie poziom naprężenia zaczyna się dla wielu skrzyżowań PN (Vbe i diody LED, chociaż różne w budowie wykazują ten wspólny mechanizm awarii. o różnym stopniu przyspieszonej czułości.

Podsumowując , jeśli złącze PN ma wyższą tolerancję na odwrócenie tendencyjności od testowania, nie oznacza to, że nadal nie jest ranny, tylko że ma niższą gęstość zanieczyszczeń cząsteczkowych w częściach na milion. Przyspieszenie ładunku nie jest liniowe z gęstością zanieczyszczeń, ale raczej logarytmiczne. Jest to energia kinetyczna uderzenia, która detonuje uszkodzenia w skali mikro lub nanometrycznej.

zakończ edycję

W przypadku odwrotnej tendencji prąd jest zwykle oceniany na 1 µA dla RY i 10 µA dla kolorów BGW.

Wyobraź sobie, że odchylenie zwrotne jest ekstremalną mikroprocesorem i zmierz go, a jeśli nie ma zacisku ESD, to coś rzędu 100 µW ma większą moc na mikrometr kwadratowy niż prąd o napięciu do przodu 100 mW na mm kwadratowy, ponieważ ścieżka jest DUŻO RÓŻNA.

To nie jest jak dioda Zenera ograniczona mocą w dowolnym kierunku. Luki w pasmach mogą nagle ulec awarii lub miękko.

Tak więc stres jest niewidoczny i inaczej rani skrzyżowania. Rezultat można zobaczyć przy wyższej pojemności złącza lub zabarwieniu, mniejszej intensywności lub zranieniu w celu znacznego zmniejszenia MTBF.

Nie ma znaczenia, czy będzie w stanie wytrzymać to krótko, czy przez jakiś czas. Eksperci rozumieją, że poziom stresu zmniejsza niezawodność lub wydajność.

Jeśli nie rozumiesz, dlaczego istnieją absolutne maksymalne oceny, nie ignoruj ​​go, nie wątp w to lub kiedy najmniej się tego spodziewasz ... hmm, to nie działa.

Przewodnik inżynieryjny, który napisałem klientowi w 2005 r., Zanim udałem się na wizytę w celu rozwiązania problemów z wyładowaniami elektrostatycznymi i problemów z lutowaniem, powodując 1% awarii w terenie naprawionych później przez moje zalecenia dotyczące poprawy procesu.

artykuł badawczy na temat naprężenia odwrotnego napięcia w diodach

Test ciekawostek

Dlaczego to zły pomysł?

^{symulacja tego obwodu - Schemat utworzony za pomocą CircuitLab}

Przekroczenie absolutnych maksimów z kart danych niekoniecznie oznacza natychmiastową katastrofalną awarię. Oznacza to, że udałeś się do regionu, dla którego produkcja nie jest już odpowiednia, aby zagwarantować, że urządzenie będzie kiedykolwiek działało zgodnie ze specyfikacją przez resztę okresu użytkowania urządzenia.

Czy to oznacza, że ​​nie będzie działać zgodnie ze specyfikacją? Nie, oznacza to, że producent nie gwarantuje już, że będzie działać zgodnie ze specyfikacją.

Ponadto, ponieważ twoje testy zostały przeprowadzone na diodach LED „nieznanej produkcji”, nie masz pojęcia, jak są oceniane.

Mówiąc prosto, zastosowanie wysokiego napięcia wstecznego do nowych diod LED przez kilka minut nie jest rozstrzygającym testem. Prąd wsteczny w diodach LED rośnie wraz z wiekiem ( 1 ) i spodziewałbym się, że napięcie przebicia również spadnie. Pod koniec swojego życia więcej diod LED pęknie przy niższych wartościach napięcia wstecznego.

To niepotrzebnie obniżyłoby wydajność produkcji.

Po określeniu wyższego niż konieczne (w przypadku zastosowania diody LED) napięcia przebicia, należy odrzucić (lub sprzedać jako inny gatunek) każdą produkcję, która nie spełnia tej specyfikacji, ale poza tym działa A-OK jako dioda LED. O ile użytkownik nie potrzebuje diody LED, która może pełnić podwójną funkcję jako prostownik, zwiększyłoby to tylko koszty i / lub złożoność katalogu.