Sind LEDs besser als wir denken?

Konventionelle Weisheit über LEDs sagt ihre maximale Sperrspannung ist sehr begrenzt, in der Regel in dem 5V-8V - Bereich.$V_{R(max)}$

Zu Versuchszwecken wollte ich eine LED mit meinem strombegrenzten Netzteil in einen kontrollierten Ausfall versetzen.

Natürlich habe ich erwartet, dass die tatsächliche Durchbruchspannung etwas höher ist als die angegebene garantierte , aber ich hätte nie mit dem Ergebnis gerechnet, das ich gefunden habe. Ich habe es mit verschiedenen Arten von "el cheapo" -LEDs ohne chinesische Marke (3 mm und 5 mm, rot, grün, blau, gelb und weiß) versucht und konnte sie nicht in den Durchschlagsbereich bringen, auch nicht bei 32 V (wo meine Leistung ist) Angebot erreicht sein Maximum)!$V_{R(max)}$

Aus diesem Grund wollte ich meine Annahmen überprüfen und habe systematisch viele Datenblätter (ca. 40) aktueller Geräte (Standard-3-mm- und 5-mm-LEDs, sowohl für Anzeigen- als auch für Beleuchtungsanwendungen) verschiedener Hersteller (z. B. Vishay, Nichia, Kingbright, Fairchild, Cree) durchsucht. . Fast alle von ihnen meldeten eine , wobei einige Vishay-Geräte mit 6 V bewertet wurden.$V_{R(max)}=5V$

Ich war sehr verwirrt. OK, die Hersteller tendieren dazu, konservativ zu sein, aber eine Spanne von> 25 V schien etwas zu hoch. Die Gewährleistung eines (oder so ähnlich) könnte LEDs zu guten Kandidaten für einige nützliche Anwendungen machen oder Schaltungsvereinfachungen ermöglichen (z. B. keine Notwendigkeit, LEDs vor Niederspannungs-Rückspitzen zu schützen). Wie auch immer, das wäre eine weitere Kugel in der Liste, mit der sich die Marketing-Leute rühmen könnten!$V_{R(max)}=25V$

Natürlich war mein Test auf ein Dutzend LEDs unbekannter Hersteller beschränkt, aber ich nehme an, sie können nicht besser sein als diejenigen aus seriösen Quellen. Oder habe ich eine Art umgekehrtes Murphy-Gesetz erlebt, bei dem ich die einzige LED-Box auf dem Planeten mit einem solchen Merkmal gefunden habe?!?

Frage (n): Finde ich etwas, das in der Branche bekannt ist? Warum spezifizieren sie weiterhin LEDs mit einem so niedrigen wenn die tatsächlichen Geräte viel besser zu sein scheinen? Vermisse ich etwas$V_{R(max)}$

BEARBEITEN

(um einige Punkte zu klären, die möglicherweise zu Kommentaren / Antworten führten, die mir nicht die Erklärungen gaben, die ich mir wünschen würde)

Dinge, die ich bereits weiß

• Spannungen über absolute Maximum - Ratings in dem Datenblatt könnte das Gerät beschädigen, und in der Regel wird es beschädigt werden, wenn die Spannungen weit über diese Grenzen sind.

• Wenn Sie diese Maximalwerte überschreiten, können Sie vom Hersteller nichts verlangen. Sie sind in unbekanntem Gebiet auf sich allein gestellt. Sie können ihn weder verklagen noch sich beschweren.

• Kein vernünftiger Designer würde ein Teil in seinem Design außerhalb der im Datenblatt angegebenen Spezifikationen verwenden. Gute Designer werden sicherstellen, dass das Teil deutlich unter den angegebenen Maximalwerten bleibt. Wie ich zu Beginn feststellte, habe ich experimentiert und dabei gezielt unbekanntes Land betreten, um meine Erwartungen und mein Wissen über den umgekehrten Zusammenbruch zu überprüfen.

Meine Annahmen (möglicherweise falsch; und wenn sie falsch sind, würde ich gerne wissen, warum )

• Der Hauptbegrenzungsfaktor für die maximale Sperrspannung einer Diode ist ihre Durchbruchspannung. Mit anderen Worten, Sie können eine Diode so stark sperren, wie Sie möchten, bis der Durchschlag (entweder Zener oder Lawine) einsetzt.

• Ein Zusammenbruch ist an sich nicht destruktiv. Der plötzliche Anstieg des Rückstroms führt zu einem enormen Anstieg der Verlustleistung, insbesondere bei hohen Rückspannungen. Daher wird der PN-Übergang zerstört, sofern Sie den Strom nicht irgendwie begrenzen.

• Der LED-Durchschlagmechanismus unterscheidet sich nicht von anderen PN-Sperrschichtdioden, wie z. B. gewöhnlichen Siliziumgleichrichtern oder Zenern.

• Da LEDs (im Gegensatz zu Zenern) nicht für den Durchbruch ausgelegt sind, ist die BD-Spannung kein genau spezifizierter Parameter, sodass die Herstellungsspanne sehr groß sein kann. Daher wählen die Hersteller einen geeigneten Sicherheitsabstand und geben diesen als maximale Sperrspannung an.

• Obwohl ein gewisser Sicherheitsspielraum erforderlich ist, kann er nicht riesig sein. Die Spannung von IIRC und BD hängt von den Dotierungsniveaus und der Geometrie des metallurgischen Übergangs ab, und diese Parameter beeinflussen auch die Diodeneigenschaften, wenn sie in Durchlassrichtung vorgespannt sind. Wenn die "nützlichen Spezifikationen" der LED einigermaßen konsistent sein müssen, müssen die Dotierung und die Geometrie so sein; daher können auch BD-Spannungswerte nicht zu wild verteilt werden.

Was mich verwirrte und mich denken ließ, dass es mehr Probleme gibt, als eine LED vor einem Ausfall zu schützen

• Ein so großer Unterschied zwischen der maximalen Nenn-Sperrspannung und der tatsächlichen BD-Spannung (mindestens + 400%) sollte etwas bedeuten und eine Begründung haben. Angesichts der obigen Annahmen kann ich nicht glauben, dass dasselbe LED-Modell eine so große BD-Spannungsstreuung haben kann, dh ich kann nicht glauben, dass derselbe Prozess (auch über verschiedene Chargen hinweg) einen Teil ergeben kann, der beispielsweise bei 10V und eine andere, die mit 30V eingespeist wird (ich muss noch korrigiert werden).

Ja, das ist allgemein bekannt. Wer es getestet hat, weiß das. Die Werkzeughersteller wissen es sicher.

Sie spezifizieren keine LEDs für mehr als 5 V Sperrspannung, da dies den Umsatz nicht messbar steigern würde (dh nur sehr wenige benötigen diese Fähigkeit ) und sie müssten tatsächlich jeden LED-Typ und die Spannung berücksichtigen, der er widerstehen könnte (vielleicht 12 V für einige, vielleicht 80V für andere). Es kann auch langfristige Zuverlässigkeitsprobleme geben , die eine Quantifizierung oder möglicherweise eine Änderung des LED-Designs zur Minderung erfordern.

Die Nennspannung von 5 V ergibt sich aus der Sperrspannung einer LED, die in einer Matrix mit einer 5-V-Versorgung mit Gegentakttreibern betrieben wird. Dies ist einer der wenigen Vorgänge, bei denen Sie eine LED absichtlich in Sperrrichtung vorspannen (LEDs in Wechselstromeingangsoptokopplern von hinten nach hinten) die Durchlassspannung der anderen LED im ungünstigsten Fall oder etwa -1,2 V).

Es gibt viele Parameter, die nicht spezifiziert sind (typische Daten oder überhaupt keine Daten) oder nur lose spezifiziert sind, weil der Großteil des Marktes dies nicht verlangt. Zum Beispiel Reverse Beta, Vbe-Durchschlag bei BJTs, Temperaturkoeffizient von Vf bei Anzeige-LEDs.

Was die tatsächliche Leistungsfähigkeit gewöhnlicher LEDs anbelangt, so gibt es Hinweise auf eine Sperrvorspannung, die zu einer allmählichen Beschädigung der LED aufgrund heißer Ladungsträger führt. Zum Beispiel zeigt DOI 10.1109 / LED.2009.2029129 eine Beschädigung der grünen LEDs an, wenn -40 V anliegen. Daher ist es nicht ratsam, blind etwas zu entwerfen, das vom Durchbruch der hohen Sperrspannung abhängt.

Wenn Sie in einem Gewitter unter einem Baum stehen und überlebt haben, bedeutet das etwas Bedeutendes? Dies ist in etwa so, als würde eine LED> -5V in Sperrrichtung vorgespannt.

Grafik mit freundlicher Genehmigung von Diese Grafik zeigt die Empfindlichkeit der LEDs sowohl in Rückwärtsrichtung als auch in Vorwärtsrichtung, die ESD ausgesetzt sind. Beachten Sie, dass es nach links viel empfindlicher ist, wenn Vr unter -5V fällt

(Ich könnte ein Buch zum Thema Teilentladung (PD) und Durchbruchspannung (BDV) schreiben, aber ich werde diese Bearbeitung kürzer halten;)

Wenn ein PN-Übergang in Sperrrichtung vorgespannt ist, erzeugt eine Ladungswolke (wie eine Cumulonimbus-Wolke) eine hohe E-Feld-Ladungsdichte, bei der Defekte bewegliche Ladungen (verunreinigende Partikel) sind, die beschleunigt werden, um einen Pfad zu bilden, der die Partikel entweder zur Detonation bringt (durch PD). und "wickeln" Sie das Gerät (sogar die MVA-Transformatorisolierung) oder erstellen Sie einen Streamerpfad vor dem BDV-Katastrophenereignis. (zB wie ein Blitz, aber leise)

Außer bei einer in Sperrrichtung vorgespannten LED liegt das E-Feld, das ich schätze, in der Größenordnung von 5 V / um (wie 5 kV / mm für fast einen Funken in Luft). Dann haben molekulare Verunreinigungen mit einer geringfügig niedrigeren Er-Konstante eine größere E- Die Ladung wird durch den> | -10uA | Stromfluss aufgebaut, bei dem weiße LEDs in kleinen Chips auf -5 V spezifiziert sind.

Anekdoten

Ein verwundeter 5-MVA-Verteilungstransformator, den ich in einer Transformatorfabrik in Scarborough untersucht habe, hatte ein Problem mit der Haftung in Millionenhöhe, hatte jedoch einen Feldtest für eine perfekte Leistungsstudie. Dieses H2 wurde bei jedem PD-Ereignis im Öl wie bei einem DIAC-Relaxationsoszillator erzeugt und erreichte dann die in der Branche bekannte Explosionsschwelle (4% ist die untere Explosionsschwelle), sodass es umgehend aufgenommen wurde Danach führte ich umfassende Tests durch, um die Grundursache zu finden und das Kontaminationsproblem durch normale 23 kV-Potentiale zu beheben, die in diesem Dielektrikum zu erwarten waren, verursachte jedoch abnormale E-Felder in Partikeln> 16 V / um, die zu Entladung und Detonation von Ölmolekülen in der Umgebung führten langer CxHy-KohlenwasserstoffKetten , die H2 freisetzen.

Eine ähnliche, aber unterschiedliche Verunreinigung (gemischt mit normaler Verteilung von Nitrid, Galliumphosphid und Arsen) wird durch abnormale E-Felder in einem in Sperrrichtung vorgespannten PN-Übergang beschleunigt und beeinträchtigt die Lebenserwartung der LED.

Diese Ladung zeigt die Beziehung zu Defekten und Leckstrom, aber ein verwundeter Übergang ist im Gegensatz zu homogenen Verunreinigungen dicht, so dass das BDV unvorhersehbar ist und dennoch bekannt ist, wo das Spannungsniveau für viele PN-Übergänge beginnt (Vbe und LEDs, obwohl sich die Konstruktion von diesem gemeinsamen Fehlermechanismus unterscheidet) mit unterschiedlich stark beschleunigter Empfindlichkeit.

Zusammenfassend bedeutet ein PN-Übergang, der eine höhere Toleranz für die Umkehrung der Vorspannung beim Testen aufweist, nicht, dass er immer noch nicht verwundet ist, sondern nur, dass er eine geringere Dichte an Partikelverunreinigungen in Teilen pro Million aufweist. Die Ladungsbeschleunigung ist nicht linear mit der Verunreinigungsdichte, sondern logarithmisch. Es ist die kinetische Energie des Aufpralls, die den Schaden in Mikro- oder Nanogröße detoniert.

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Bei Sperrspannung beträgt der Strom normalerweise 1 µA für RY und 10 µA für BGW-Farben.

Stellen Sie sich vor, dass die umgekehrte Vorspannung eine extreme Mikropower ist, und messen Sie sie. Wenn es keine ESD-Klemme gibt, hat etwas in der Größenordnung von 100 µW mehr Leistung pro Quadratmikrometer als ein vorwärts vorgespannter Strom von 100 mW pro Quadratmillimeter, weil der Pfad VIEL UNTERSCHIEDLICH ist.

Es ist nicht wie bei einer Zener-Diode, die durch die Leistung in beide Richtungen begrenzt ist. Die Bandlücken können abrupt oder leise ausfallen.

So ist der Stress unsichtbar und verwundet die Verbindungsstellen unterschiedlich. Das Ergebnis kann mit einer höheren Sperrschichtkapazität oder einer Fehlfarbe oder einer geringeren Intensität oder einer Verwundeten gesehen werden, um die MTBF signifikant zu reduzieren.

Es ist unerheblich, ob es kurzzeitig oder eine Weile aushält oder nicht. Experten wissen, dass der Stresspegel die Zuverlässigkeit oder Leistung verringert.

Wenn du nicht verstehst, warum es absolute Maximalbewertungen gibt, ignoriere es nicht oder bezweifle es, oder wenn du es am wenigsten erwartest ... hmm, es funktioniert nicht.

Ein Engineering-Leitfaden, den ich 2005 vor meinem Besuch beim Kunden erstellt habe, um ESD- und Lötprobleme zu beheben, die zu 1% Feldausfällen führten und später durch meine Empfehlungen zur Prozessverbesserung behoben wurden.

Forschungsartikel über Sperrspannungsbeanspruchung in Dioden

Trivia-Test

Warum ist das eine schlechte Idee?

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schaltplan erstellt mit CircuitLab}

Das Überschreiten der absoluten Höchstwerte aus den Datenblättern bedeutet nicht unbedingt ein sofortiges katastrophales Versagen. Dies bedeutet, dass Sie in eine Region gegangen sind, für die der Hersteller keine Garantie mehr sieht, dass das Gerät für den Rest der Lebensdauer des Geräts jemals wieder die Spezifikationen erfüllt.

Bedeutet das, dass es nicht den Spezifikationen entspricht? Nein, dies bedeutet, dass der Hersteller nicht mehr garantiert, dass er die Spezifikationen einhält.

Da Ihre Tests auch an LEDs "unbekannter Herstellung" durchgeführt wurden, wissen Sie nicht, wie diese bewertet werden.

Einfach ausgedrückt ist das Anlegen einer hohen Sperrspannung für einige Minuten an neue LEDs kein abschließender Test. Der Rückstrom in LEDs nimmt mit zunehmendem Alter zu ( 1 ), und ich würde erwarten, dass auch die Durchbruchspannung abnimmt. Am Ende ihrer Lebensdauer brechen mehr LEDs bei niedrigeren Sperrspannungswerten.

Dies würde die Produktionsausbeute unnötig senken.

Wenn Sie eine höhere Durchbruchspannung als erforderlich (für die Verwendung von LEDs) angeben, müssen Sie alle Produktionsausgaben ablehnen (oder als andere Sorte verkaufen), die diese Spezifikation nicht erfüllen, ansonsten aber als LED von A-OK funktionieren. Wenn der Benutzer keine LED benötigt, die als Gleichrichter eine doppelte Leistung erbringen kann, würde dies nur die Kosten und / oder die Katalogkomplexität erhöhen.