Les LED sont-elles meilleures que nous le pensons?

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La sagesse conventionnelle concernant les LED dit que leur tension inverse maximale est assez limitée, généralement dans la plage 5V-8V.VR(max)

Donc, à des fins d’expérimentation, je voulais amener une LED en panne contrôlée, en utilisant mon alimentation limitée en courant.

Bien sûr, je m'attendais à ce que la tension de claquage réelle soit un peu plus élevée que le garanti , mais je n'aurais jamais pu m'attendre au résultat que j'ai trouvé. J'ai essayé avec différents types de DEL d'indicateur chinois sans marque "el cheapo" (3 mm et 5 mm, rouge, vert, bleu, jaune et blanc) et je ne pouvais pas les amener dans la zone de panne, même à 32V (où l'offre a atteint son maximum)!VR(max)

Je voulais donc vérifier deux fois mes hypothèses et j'ai systématiquement consulté de nombreuses fiches techniques (environ 40) de dispositifs actuels (DEL standard de 3 et 5 mm, pour les applications d'indicateur et d'éclairage) de différents fabricants (par exemple, Vishay, Nichia, Kingbright, Fairchild, Cree). . Presque tous ont déclaré un , avec certains dispositifs Vishay évalués à 6V.VR(muneX)=5V

J'étais extrêmement perplexe. OK, les fabricants ont tendance à être conservateurs, mais une marge> 25V semblait un peu trop élevée. Après tout, garantir un (ou quelque chose du genre) pourrait faire des DEL de bonnes candidates pour certaines applications utiles ou permettre des simplifications de circuit (par exemple, il n’est pas nécessaire de protéger les DEL des pointes inverses à basse tension). Quoi qu'il en soit, ce serait une autre puce dans la liste dont les spécialistes du marketing pourraient se vanter!VR(muneX)=25V

Bien sûr, mon test a été limité à une douzaine de LED de fabricants inconnus, mais je suppose qu'elles ne peuvent pas être meilleures que celles de sources réputées. Ou ai-je vécu une sorte de loi de Murphy inversée, où j'ai trouvé le seul boîtier de LED de la planète doté d'une telle fonctionnalité?!?

Question (s): Ma découverte est-elle connue dans le secteur? Pourquoi continuent-ils à spécifier des LED avec un aussi bas alors que les périphériques réels semblent être bien meilleurs? Est-ce que quelque chose me manque?VR(muneX)

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(pour clarifier certains points qui ont éventuellement suscité des commentaires / réponses qui ne m'ont pas réellement fourni les explications que je voudrais obtenir)

Ce que je sais déjà

  • Au - delà des contraintes absolues max évaluations rapportées dans la fiche technique pourrait endommager l'appareil, et le plus souvent s'endommager si les contraintes sont bien au - delà de ces limites.

  • Lorsque vous dépassez ces valeurs maximales, vous ne pouvez rien exiger du fabricant. Vous êtes seul en territoire inconnu. Vous ne pouvez ni le poursuivre ni se plaindre.

  • Aucun concepteur sensé n’utiliserait une pièce dans sa conception en dehors des spécifications données dans la fiche technique. Les bons designers veilleront à ce que la pièce reste bien en dessous des cotes maximales indiquées. Comme je l'ai dit au début, je faisais des expériences en pénétrant à dessein dans un pays inconnu pour vérifier mes attentes et mes connaissances en matière de ventilation inverse.

Mes hypothèses (éventuellement erronées; si elles sont fausses, j'aimerais savoir pourquoi )

  • Le facteur de limitation principal de toute tension nominale inverse de diode max est sa tension de claquage. En d’autres termes, vous pouvez en toute sécurité inverser la polarisation d’une diode aussi fort que vous le souhaitez jusqu’à ce que la panne (de Zener ou d’avalanche) se déclenche.

  • La panne n'est pas destructive en soi. L'augmentation soudaine du courant inverse provoque une énorme augmentation de la puissance dissipée, en particulier à des tensions inverses élevées; la jonction PN sera donc détruite, à moins que vous ne limitiez le courant d'une manière ou d'une autre.

  • Le mécanisme de panne des LED n'est pas différent de celui des autres diodes à jonction PN, comme les redresseurs au silicium ou les zeners.

  • Etant donné que les LED ne sont pas conçues (contrairement aux Zeners) pour fonctionner en panne, la tension BD n'est pas un paramètre bien spécifié, de sorte que l'écart de fabrication peut être assez important. Par conséquent, les fabricants choisissent une marge de sécurité appropriée et la déclarent comme tension inverse maximale.

  • Bien qu'une marge de sécurité soit nécessaire, elle ne peut pas être énorme. La tension IIRC, BD dépend des niveaux de dopage et de la géométrie de la jonction métallurgique. Ces paramètres ont également une influence sur les caractéristiques de la diode en cas de polarisation directe. Si les "caractéristiques utiles" de la LED doivent être raisonnablement cohérentes, le dopage et la géométrie doivent l'être; par conséquent, les valeurs de tension BD ne peuvent pas être trop dispersées.

Ce qui m'a rendu perplexe et m'a fait penser qu'il y a d'autres problèmes que la protection des DEL contre les pannes

  • Une différence si importante entre la tension inverse maximale assignée et la tension BD réelle (au moins + 400%) devrait avoir un sens et doit être justifiée. Compte tenu des hypothèses ci-dessus, je ne peux pas croire que le même modèle de LED puisse avoir une tension BD aussi étendue, c'est-à-dire que je ne peux pas croire qu'un même processus (même sur des lots différents) puisse produire une partie qui tombe en panne à, disons, 10V et un autre qui entre en 30V (je tiens à être corrigé).
Lorenzo Donati soutient Monica
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Êtes-vous sûr que cela n'affecte pas l'efficacité de la vie ou de la production?
dandavis
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vous pouvez parfois survivre à vous faire tirer dessus. les spécifications reflètent un fonctionnement fiable à long terme.
Dandavis
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@dandavis Pour justifier mon idée fausse, même Wikipedia semble le renforcer ici : si la tension inverse croît suffisamment pour dépasser la tension de claquage, un courant important coule et la LED peut être endommagée. Si le courant inverse est suffisamment limité pour éviter tout dommage, la diode électroluminescente inversée est une diode de bruit utile.
Lorenzo Donati soutient Monica le
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Sur quelle plage de température avez-vous répété vos mesures de tension inverse? De plus, je ne tirerais aucune conclusion en testant des appareils d'un seul fabricant.
AlmostDone
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J'ajouterais que quel que soit le cas, dans un système de production, vous ne devez jamais utiliser de composants en dehors de leurs spécifications. Si un fabricant spécifie une tension inverse maximale (ce que la plupart (tous?) Font), vous ne devriez pas aller au-delà, car les caractéristiques dépassant ce point ne sont pas garanties par le fabricant. Tout ce que vous mesurez à ce stade peut facilement changer radicalement d'un lot à l'autre.
BeB00

Réponses:

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Oui, c'est largement connu. Quiconque l'a testé le sait. Les fabricants de matrices le savent certainement.

Ils ne spécifient pas les LED pour une tension inverse de plus de 5V car cela n’augmenterait pas les ventes de manière significative (c’est-à-dire que très peu d’entre elles ont besoin de cette capacité ) et les obligerait à considérer réellement chaque type de LED et la tension qu’elle pourrait supporter peut-être 80V pour les autres). Il peut également y avoir des problèmes de fiabilité à long terme nécessitant une quantification ou éventuellement une modification de la conception des DEL pour les atténuer.

La tension nominale de 5V provient de la tension inverse subie par une LED alimentée dans une matrice à partir d’une alimentation de 5V avec des drivers push-pull, ce qui est l’une des rares fois où vous polarisez l’inverse de manière volontaire en polarisant en sens inverse une LED la tension directe de l'autre LED dans le cas le plus défavorable, soit environ -1,2 V).

Il existe de nombreux paramètres non spécifiés (données typiques ou pas de données du tout) ou spécifiés de manière vague, car la majeure partie du marché ne l'exige pas. Par exemple, bêta inverse, décomposition de Vbe sur les BJT, coefficient de température de Vf sur les voyants DEL.


En ce qui concerne la capacité réelle des LED ordinaires, il est évident que la tension de polarisation inverse cause des dommages graduels à la LED en raison des porteurs chauds. Par exemple, DOI 10.1109 / LED.2009.2029129 indique que les DEL vertes avec -40 V sont endommagées, il serait donc déconseillé de concevoir à l’aveuglette quelque chose qui dépend de la chute de tension inverse élevée.

entrez la description de l'image ici

Spehro Pefhany
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Merci! C'est une information très pertinente! Je commence à voir un peu de lumière dans le numéro! (jeu de mots volontaire :-). Cela confirme également que le Vr élevé dégrade la LED de types autres que Blue GaN, comme cela semblait être le cas des articles liés à DmitryGrigoryev et TonyStewart.
Lorenzo Donati soutient Monica le
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Si vous vous tenez sous un arbre dans un orage et que vous avez survécu, cela signifie-t-il quelque chose d'important? Cela ressemble un peu à la polarisation inverse d’une LED> -5V.

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Graphique, gracieuseté de Ce graphique montre la sensibilité des diodes électroluminescentes dans les polarisations inverse et directe exposées à une décharge électrostatique. Notez ci-dessous qu'il est beaucoup plus sensible à gauche lorsque Vr passe en dessous de -5V

entrez la description de l'image ici

(Je pourrais écrire un livre sur les décharges partielles et la tension de claquage, mais je vais raccourcir cette modification;)


LORSQU'une jonction PN est polarisée en inverse, un nuage de charges (comme un cumulonimbus) crée une densité de charge de champ E élevée où les défauts sont des charges mobiles (particules contaminantes) qui sont accélérées pour former un chemin qui détonera les particules (par PD) et "enrouler" le dispositif (même l'isolant du transformateur MVA) ou créer un chemin de streamer avant un événement catastrophique du BDV. (par exemple, comme un éclair mais silencieux)

Sauf dans le cas d’une LED polarisée en inverse, le champ E que je suppose est de l’ordre de grandeur de 5V / um (comme 5kV / mm pour presque une étincelle dans l’air. Les impuretés moléculaires ayant une constante Er légèrement inférieure auront alors une valeur E supérieure. La charge accumulée par le flux de courant> | -10uA | où les DEL blanches sont spécifiées à -5 V dans de petites puces.

Anecdotique

Un transformateur de distribution blessé de 5 MVA sur lequel j'ai enquêté dans une usine de transformateur de Scarborough présentait un problème de responsabilité financière, mais il disposait d'un test de performance parfait sur le terrain, MAIS avait dissous de l'hydrogène gazeux, comme le prouvait l'analyse fréquente des gaz dissous (DGA). Ce H2 a été généré par chaque événement PD dans l’huile, exactement comme un oscillateur DIAC Relaxation, puis a atteint le seuil bien connu (de ceux de cette industrie) de niveaux d’explosifs (4% correspond au seuil inférieur d’explosifs, de sorte qu’il a été pris rapidement. hors service, après quoi j’ai effectué des tests approfondis pour trouver la cause fondamentale et résoudre le problème de contamination à partir des potentiels normaux de 23 kV attendus dans ce diélectrique, mais provoquant des champs E anormaux dans les particules> 16V / um, provoquant la décharge et la détonation des molécules de pétrole autour de celui-ci hydrocarbures longs en CxHychaînes libérant H2.

Un contaminant similaire mais différent (mélangé à une distribution normale de nitrure, phosphure de gallium et arsenic) est accéléré par des champs E anormaux dans une jonction PN polarisée en inverse et affecte négativement l'espérance de vie de LED.

Cette accusation montre la relation entre les défauts et le courant de fuite, mais une jonction blessée est dense contrairement à un contaminant homogène, de sorte que le BDV est imprévisible, mais que le niveau de contrainte commence pour de nombreuses jonctions PN (Vbe et LED, bien que leur construction diffère, présente ce mécanisme de défaillance courant). avec différents degrés de sensibilité accélérée.

En résumé , si une jonction PN a une tolérance plus élevée aux polarisations inverses, cela ne signifie pas qu’elle n’est toujours pas blessée, mais qu’elle a une densité de contaminants particulaires inférieure en parties par million. L'accélération de la charge n'est pas linéaire avec la densité de contaminants, mais plutôt logarithmique. C'est l'énergie cinétique de l'impact qui fait exploser les dommages de taille micro ou nanométrique.

fin éditer

En polarisation inverse, le courant est généralement évalué à 1 µA pour les couleurs RY et 10 µA pour les couleurs BGW.

Imaginez que la polarisation inverse soit une micropuissance extrême et mesurez-la. S'il n'y a pas de pince antistatique, quelque chose de l'ordre de 100 µW a plus de puissance par micromètre carré qu'un courant polarisé en direct de 100 mW par mm carré car le chemin est BEAUCOUP DIFFÉRENT.

Ce n'est pas comme une diode Zener limitée par la puissance dans un sens ou dans l'autre. Les bandes interdites peuvent échouer brusquement ou doucement.

Ainsi, le stress est invisible et blesse les jonctions différemment. Le résultat peut être vu avec une capacité de jonction plus élevée, une couleur décolorée ou une intensité plus faible, ou une blessure pour réduire le MTBF de manière significative.

Peu importe qu'elle résiste brièvement ou pendant un certain temps. Les experts comprennent que le niveau de stress réduit la fiabilité ou les performances.

Si vous ne comprenez pas pourquoi les valeurs maximales absolues existent, ne l'ignorez pas, n'en doutez pas ou attendez le moins ... hmm, ça ne marche pas.

Un guide technique que j’avais remis au client en 2005 avant de me rendre sur le site pour résoudre les problèmes de décharge électrostatique et les problèmes de soudure générant 1% de défaillances sur le terrain, corrigé ultérieurement par mes recommandations d’amélioration des processus. entrez la description de l'image ici entrez la description de l'image ici

article de recherche sur la tension inverse dans les diodes

Test de jeu-questionnaire

pourquoi est-ce une mauvaise idee?

schématique

simuler ce circuit - Schéma créé à l'aide de CircuitLab

Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
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Merci pour les conseils. Je ne doute pas du nombre maximum d’évaluations, mais je voudrais comprendre pourquoi elles sont comme elles sont. Comme je l'avais écrit à @dandavis dans un commentaire sur ma question, je pensais que la limitation principale de cette tension inverse était la destruction de la jonction par entrée en panne. D'après ce que vous dites, il semble que j'ai eu une idée fausse. Mais je suis sûr que j'ai déjà entendu cette logique à propos de low max Vr auparavant. Peut-être que c'est une idée fausse commune.
Lorenzo Donati soutient Monica le
De ce que je me souviens, la panne des jonctions bipolaires base-émetteur dégraderait le facteur de bruit.
analogsystemsrf
@analogsystemsrf yep, et aussi la beta, IIRC. Mais ce que je voulais dire, ce n’était pas que je s’attendais à ce qu’une DEL survive indemne ou sans dégradation, mais plutôt que la DEL entre en panne à des tensions beaucoup plus basses.
Lorenzo Donati soutient Monica le
1
haha, uniquement à partir d'échecs antérieurs ESD qui fonctionnaient dans de nombreux cas, mais de couleur blanc cassé dans la direction y, pas de décalage bleu, et une capacité accrue dans les tests de style Huntron à partir de lacunes plus petites.
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
1
Merci! Lecture intéressante et pertinente de cet article de recherche.
Lorenzo Donati soutient Monica le
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Dépasser les maximums absolus des fiches de données ne signifie pas nécessairement une défaillance catastrophique immédiate. Cela signifie que vous vous êtes rendu dans une région pour laquelle le fabricant ne jugera plus utile de garantir que l'appareil fonctionnera à nouveau selon les spécifications, pour la durée de vie restante de l'appareil.

Est-ce que cela signifie qu'il ne fonctionnera pas selon les spécifications? Non, cela signifie que le fabricant ne garantit plus qu'il sera conforme aux spécifications.

De plus, puisque vos tests ont été effectués sur des LED de "fabrication inconnue", vous ne savez pas comment elles sont évaluées.

Scott Seidman
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3
Droite. Les programmeurs appellent cela le royaume des démons nasaux .
gauche du
Merci de le signaler. Je sais que je ne peux rien attendre de précis en dehors des spécifications. Mon étonnement était dû au fait que la spécification en question (Vrmax) était tellement inférieure à la tension de claquage possible (que je n’étais pas capable d’atteindre). Ce que je pense, c’est qu’un fabricant appliquerait une marge de sécurité pour garantir un certain niveau de fiabilité, mais pas que cette marge est aussi énorme. Ma question a été posée pour comprendre pourquoi la marge est si énorme, étant donné qu'apparemment, la panne en entrée n'est pas le mode de défaillance le plus redouté du fabricant.
Lorenzo Donati soutient Monica le
Pour faire une comparaison: je ne m'attendrais pas à ce qu'un 1N4007 (1000V Vrmax) ait une tension de claquage supérieure ou égale à 5 fois (peut-être que je me trompe), et je serais aussi perplexe si je découvrais qu'elle pourrait résister, disons, à 5000V sans entrer en panne (détruit ou non). Comme je l'ai dit au début de ma question, j'essayais de forcer une LED à une panne contrôlée (limitation du courant afin de ne pas causer de destruction immédiate par une trop grande dissipation de puissance). Je m'attendais à ce qu'il soit endommagé à un moment donné.
Lorenzo Donati soutient Monica le
Le fait que ce ne soit pas le cas signifie que la fabrication de la tension BD est très importante (ou peut-être que la raison?) Ou qu’il existe d’autres problèmes de fiabilité / modes de défaillance moins connus qui interviennent bien avant de se rapprocher de la tension BD.
Lorenzo Donati soutient Monica le
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En termes simples, appliquer une tension inverse élevée à de nouvelles LED pendant quelques minutes n’est pas un test concluant. Le courant inverse dans les LED augmente avec l'âge ( 1 ), et je m'attendrais à ce que la tension de claquage diminue également. À la fin de leur durée de vie, davantage de DEL s’allument lorsque les valeurs de tension inverse sont plus faibles.

Dmitry Grigoryev
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3

Cela réduirait inutilement le rendement de production.

Une fois que vous avez spécifié une tension de claquage supérieure à celle nécessaire (pour l'utilisation de LED), vous devez rejeter (ou vendre en tant que qualité différente) toute sortie de production ne répondant pas à cette spécification, mais fonctionnant autrement comme une LED. À moins que l'utilisateur n'ait besoin d'une LED pouvant servir de redresseur, cela ne ferait qu'augmenter les coûts et / ou la complexité du catalogue.

rackandboneman
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