La durée de vie d'une LED dépend-elle (et quand) de la fréquence PWM

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Supposons deux options pour piloter une LED standard à son courant nominal.

  1. PWM réglé sur un rapport cyclique de 50% à 10 kHz
  2. PWM réglé sur un rapport cyclique de 50% à 50 kHz

Techniquement, les deux LED produiraient la même quantité de lumière et le `` clignotement '' ne serait pas visible pour l'œil humain ou une caméra (sauf peut-être pour une caméra à haute vitesse ...)

led pwm lifetime Gilad
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Bonne question +1, j'allais poser quelque chose de similaire. Je serais inquiet à des fréquences très basses comme le 50Hz rectifié en raison du cycle thermique de la petite jonction. Nous attendrons les réponses.
autiste
3
BTW, certains d'entre nous, les humains ont des yeux qui sont réellement sensibles au clignotement PWM. Et donc certains fournisseurs de moniteurs et de téléviseurs construisent des panneaux sans scintillement sans PWM pour la gradation.
Basil Bourque
Par «à son courant nominal», voulez-vous dire le courant qui circule pendant la partie «active» du cycle de service, ou voulez-vous dire le courant moyen sur l'ensemble du cycle? Si dans ce dernier cas, il est clair qu'il y a une certaine fréquence où la LED peut mieux dire qu'elle s'allume et s'éteint de telle sorte que la LED est effectivement surchargée pendant ce temps, la question est de savoir quel est le mécanisme des dommages et à quel point cela devrait être lent. être.
Chris Stratton
Cela peut ne pas être pertinent, mais cette dernière phrase ("Techniquement les deux LED produiraient la même quantité de lumière ...") n'est pas entièrement vraie; la LED avec la fréquence la plus élevée produira moins de lumière que celle avec la fréquence la plus basse. J'ai appris cela ici sur Electronics Stack Exchange :) electronics.stackexchange.com/a/86942/30973
ayane

Réponses:

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Permettez-moi d'ouvrir mon fidèle MIL-HDBK-217F et de voir ce qu'il dit sur les LED et leur longévité: -

entrez la description de l'image ici

Le principal facteur affectant le taux de défaillance par million d'heures est la température.

Fait intéressant, si je lis la section suivante sur les diodes laser, elles prennent en compte les pulsations du cycle de service, mais leur conclusion (à la page 6-21) est qu'à 50:50, le taux de défaillance des diodes laser est d'environ 25% de celui-ci. lorsqu'il est conduit en permanence.

Ils concluent également (à la page 6-22) que si vous utilisez une diode laser à une puissance de sortie lumineuse de 50% de sa puissance nominale, elle durera dix fois plus longtemps que de la faire fonctionner à 95% de sa puissance de sortie nominale.

Andy aka
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C'est fascinant, mais je dois me demander comment ces taux de défaillance de base ont été calculés. Pourquoi "phototransistor", "photodiode" et "IRLED" devraient-ils échouer beaucoup plus souvent que "LED" (et aucun d'entre eux n'est spécifié quant au type ou à l'application)? Quel est l'intervalle de confiance sur l'une de ces valeurs? Pourquoi le facteur de température est-il le même pour tous les appareils? Ce n'est pas du tout pour dénigrer votre réponse - la source dit clairement ce qu'elle dit. Mais je ne peux pas m'empêcher de penser que ces calculs - comme les pires valeurs ca. 1991 dans des conditions non spécifiées - ne peut vraiment avoir de sens que pour l'armée américaine.
Oleksandr R.
@OleksandrR. avez-vous, depuis la rédaction de ce commentaire, fait des recherches sur la validité de la norme mil?
Andy aka
Malheureusement non. Je ne sais pas par où commencer, car rien dans le document ne permet d'apprécier cela. En fait, la plupart d'entre eux semblent tout à fait sensés - mais pour ces appareils très similaires avec de si faibles taux de défaillance de base, il semble probable qu'il existe un effet d'application non reconnu qui biaise les valeurs citées. Si les IRLED sont à haute luminance, ceux utilisés dans les illuminateurs IR, par exemple. Et les opto-isolateurs pourraient facilement tomber en panne en raison de contraintes de courant ou de tension plutôt que de brûlures des LED - c'est pourquoi les sorties de phototransistor tombent plus souvent en panne.
Oleksandr R.
1
Pardon. Je viens de voir qu'il y a une section de références à la fin. Les LED sont décrites dans RADC-TR-88-97, où il est noté que seulement 22 LED ont échoué sur 4827 millions d'heures de fonctionnement, et zéro (!) IRLED a échoué sur 39 millions d'heures. Avec des tailles d'échantillon aussi petites (ou inexistantes), la raison des valeurs impaires est claire. RADC-TR-88-97 aborde également en détail les méthodes statistiques et les résultats. Dans l'ensemble, il semble être un document beaucoup plus significatif que MIL-HDBK-217F.
Oleksandr R. du
@OleksandrR. envisagez peut-être d'en faire une réponse?
Andy aka
6

Les LED ne sont que des diodes qui ne s'usent pas avec la fréquence. Le courant maximal et le courant moyen affectent la façon dont la LED s'use, mais la fréquence n'a aucun effet dont j'ai jamais entendu parler.

De plus, vos fréquences sont basses. Un rapport cyclique de 50 kHz et 50% signifie 10 µs allumés et 10 µs éteints. C'est un "long" temps pour une LED.

Olin Lathrop
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1
Cela peut être long pour certains effets, mais pour la dégradation thermique (qui domine apparemment) c'est très court.
Chris H
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Expérience personnelle:

J'ai piloté une LED UV standard évaluée à 3,4 V, 20 mA avec environ 1 A pendant 5 ns à un taux de 87 kHz (rapport cyclique: 1: 2300) mais je n'ai observé aucune «usure» en termes de luminosité ou de forme d'impulsion dans les 10 ^ 11 impulsions.

bonbon
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Est-ce environ 8 000 jours? Oups désolé c'est 133 jours (moins impressionnant LOL)!
Andy aka
OT, mais combien de flux lumineux produit-il de plus dans ces conditions extrêmement saturées? Je suppose que l'efficacité diminue assez rapidement avec l'augmentation du courant (en raison de l'augmentation du taux de recombinaison des porteurs à des températures de filière plus élevées), mais je ne suis pas sûr du comportement réel pour de brèves impulsions comme celle-ci.
Oleksandr R.
Comment avez-vous mesuré le courant réel? Il semble qu'il serait difficile d'éviter les effets inductifs, à la fois dans le pilote et dans la configuration de mesure actuelle elle-même.
Chris Stratton du
@OleksandrR. : Il y avait un effet de saturation, mais c'était presque négligeable. Aussi parce que la configuration entière avait suffisamment d'autres raisons pour de tels effets, je dirais qu'il n'y a pas eu de perte d'efficacité. Cependant, je m'en fichais trop, il était juste important que la quantité de lumière puisse être dirigée d'une manière ou d'une autre, et le 1A était une valeur extrême.
sweber
@ChrisStratton: Eh bien, j'ai en effet utilisé une très petite résistance en série et une de ces belles sondes différentielles 3,5 GHz d'Agilent. Bien sûr, la résistance réduit le courant, mais l'interpolation en raison de la quantité de lumière et des estimations des données mesurées conduit à la conclusion que le courant doit être d'environ 1A. Bien sûr, c'était difficile et tout était précis.
sweber
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Aucun impact perceptible. La LED elle-même ne serait sensible qu'à la durée de vie totale, mais la fiabilité est mesurée en 10 ans.

Les défaillances thermiques dues à des défaillances de conditionnement ou de liaison par fil sont plus probables, mais la probabilité de défaillance est encore très faible. La défaillance la plus probable pour un système auto-fabriqué est les joints de soudure ou les fils entre la LED et le PCB, ou le PCB et la source d'alimentation.

Les défaillances thermiques sont causées par différents taux de dilatation thermique et la surcharge qui en résulte sur la structure. Les petites contraintes ou cycles de contraintes ont un effet négligeable. Considérez que le plastique de la LED a probablement été moulé et durci à +175 C - il est toujours sous contrainte.

La constante de temps thermique de la LED se situe probablement dans la plage de 10 à 100 ms. Faire du vélo plus vite que cela conduit à de très petites excursions de température qui ne causent pas de problèmes, et faire du vélo plus lentement que cela limite le nombre total de cycles à un très petit nombre.

jp314
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