Les LED sont-elles meilleures que nous le pensons?

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

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)!$V_{R(max)}$

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.$V_{R(max)}=5V$

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!$V_{R(max)}=25V$

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?$V_{R(max)}$

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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).

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.

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.

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

(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.

article de recherche sur la tension inverse dans les diodes

Test de jeu-questionnaire

pourquoi est-ce une mauvaise idee?

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

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.

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.

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.