Apakah LED lebih baik dari yang kita kira?

Kebijaksanaan konvensional tentang LED mengatakan mereka maksimum tegangan terbalik sangat terbatas, biasanya di kisaran 5V-8V.$V_{R(max)}$

Jadi, untuk tujuan eksperimen, saya ingin membawa LED ke dalam gangguan terkontrol, menggunakan catu daya terbatas saya saat ini.

Tentu saja saya harapkan tegangan rusaknya sebenarnya menjadi agak lebih tinggi dari dijamin melaporkan , tapi saya tidak pernah bisa diharapkan hasil yang saya temukan. Saya mencoba dengan berbagai jenis LED indikator Cina "el murahan" tanpa merek (3mm dan 5mm, merah, hijau, biru, kuning, dan putih) dan saya tidak dapat membawanya di wilayah kerusakan, bahkan pada 32V (di mana kekuatan saya persediaan mencapai maksimum)!$V_{R(max)}$

Oleh karena itu saya ingin memeriksa ulang asumsi saya dan saya secara sistematis mencari banyak lembar data (sekitar 40) dari perangkat saat ini (LED standar 3mm dan 5mm, untuk aplikasi indikator dan penerangan) dari produsen yang berbeda (misalnya Vishay, Nichia, Kingbright, Fairchild, Cree) . Hampir semua dari mereka melaporkan , dengan beberapa perangkat Vishay diberi peringkat 6V.$V_{R(max)}=5V$

Saya sangat bingung. OK, produsen cenderung konservatif, tetapi margin> 25V tampak agak terlalu tinggi. Bagaimanapun, menjamin (atau sesuatu seperti itu) dapat membuat LED menjadi kandidat yang baik untuk beberapa aplikasi yang berguna atau memungkinkan penyederhanaan rangkaian (mis., Tidak perlu melindungi LED dari spike terbalik tegangan rendah). Bagaimanapun, itu akan menjadi peluru lain dalam daftar yang bisa dibanggakan oleh orang-orang pemasaran!$V_{R(max)}=25V$

Tentu saja pengujian saya terbatas pada selusin LED dari produsen yang tidak dikenal, tetapi saya kira mereka tidak bisa lebih baik daripada yang dari sumber yang memiliki reputasi. Atau apakah saya mengalami semacam hukum Murphy terbalik, di mana saya menemukan satu-satunya kotak LED di planet ini dengan fitur seperti itu?!?

Pertanyaan: Apakah saya menemukan sesuatu yang dikenal di industri ini? Mengapa mereka tetap menentukan LED dengan begitu rendah sebuah ketika perangkat yang sebenarnya tampaknya jauh lebih baik? Apakah saya melewatkan sesuatu?$V_{R(max)}$

SUNTING

(untuk mengklarifikasi beberapa poin yang mungkin memicu komentar / jawaban yang tidak benar-benar memberi saya penjelasan yang ingin saya dapatkan)

Hal-hal yang sudah saya ketahui

• Tekanan yang melampaui batas maksimum absolut yang dilaporkan dalam lembar data dapat merusak perangkat, dan biasanya akan merusaknya jika tekanannya jauh melampaui batas itu.

• Ketika Anda melebihi peringkat maksimal itu, Anda tidak dapat meminta apa pun dari pabrikan. Anda sendirian di wilayah yang tidak dikenal. Anda tidak bisa menuntutnya atau mengeluh.

• Tidak ada perancang yang akan menggunakan bagian dalam desainnya di luar spesifikasi yang diberikan dalam lembar data. Desainer yang baik akan memastikan bagian itu akan tetap di bawah peringkat maksimal yang dinyatakan. Seperti yang saya nyatakan di awal, saya bereksperimen , dengan sengaja memasuki tanah yang tidak dikenal untuk memverifikasi harapan dan pengetahuan saya tentang kerusakan terbalik.

Asumsi saya (mungkin salah; dan jika salah saya ingin tahu mengapa )

• Faktor pembatas utama untuk setiap rating tegangan balik dioda maks adalah tegangan tembusnya. Dengan kata lain, Anda dapat dengan aman membalik bias dioda sekuat yang Anda inginkan hingga kerusakan (baik Zener atau longsoran salju) mulai.

• Kerusakan itu sendiri tidak merusak. Peningkatan arus balik yang tiba-tiba menyebabkan peningkatan besar pada daya yang hilang, terutama pada tegangan balik yang tinggi, oleh karena itu persimpangan PN akan hancur, kecuali jika Anda membatasi arus dengan cara apa pun.

• Mekanisme kerusakan LED tidak berbeda dari dioda junction PN lainnya, seperti penyearah silikon biasa atau Zener.

• Karena LED tidak dirancang (berlawanan dengan Zeners) berfungsi dalam kerusakan, tegangan BD bukan parameter yang ditentukan dengan baik, sehingga penyebaran manufaktur bisa sangat besar. Oleh karena itu pabrikan memilih margin keselamatan yang sesuai dan menyatakannya sebagai tegangan balik maks.

• Meskipun beberapa margin keamanan dibutuhkan, itu tidak bisa besar. IIRC, tegangan BD tergantung pada tingkat doping dan geometri persimpangan metalurgi dan parameter-parameter tersebut juga mempengaruhi karakteristik dioda ketika bias maju. Jika "spesifikasi berguna" dari LED harus konsisten, maka doping dan geometri harus; maka nilai tegangan BD juga tidak bisa terlalu liar menyebar.

Apa yang membingungkan saya dan membuat saya berpikir ada lebih banyak masalah di luar melindungi LED dari memasuki gangguan

• Begitu besar perbedaan antara tegangan balik nominal maksimum dan tegangan BD aktual (setidaknya + 400%) harus berarti sesuatu dan harus memiliki alasan di baliknya. Mengingat asumsi di atas, saya tidak percaya model LED yang sama dapat memiliki penyebaran tegangan BD sebesar itu, yaitu saya tidak percaya proses yang sama (bahkan lintas batch yang berbeda) dapat menghasilkan satu bagian yang mengalami kerusakan, katakanlah, 10V dan satu lagi yang masuk pada 30V (saya berdiri untuk dikoreksi).

Ya, ini dikenal luas. Siapa pun yang telah mengujinya tahu itu. Produsen die pasti tahu itu.

Mereka tidak menentukan LED untuk tegangan balik lebih dari 5V karena tidak akan secara terukur meningkatkan penjualan (mis. Sangat sedikit yang memerlukan kemampuan itu ) dan akan mengharuskan mereka untuk benar-benar mempertimbangkan setiap jenis LED dan tegangan apa yang mungkin ditahan (mungkin 12V untuk beberapa, mungkin 80V untuk orang lain). Mungkin juga ada masalah keandalan jangka panjang yang akan membutuhkan kuantifikasi atau mungkin perubahan dalam desain LED untuk memitigasi.

Peringkat 5V berasal dari tegangan balik yang dialami oleh LED yang digerakkan dalam sebuah matriks dari suplai 5V dengan driver push-pull, yang merupakan salah satu dari beberapa kali Anda dengan sengaja membalikkan bias sebuah LED (back to back LED dalam optocoupler input AC. tegangan maju dari LED terburuk lainnya, atau sekitar -1.2V).

Ada banyak parameter yang tidak ditentukan (data khas atau tidak ada data sama sekali) atau hanya ditentukan secara longgar karena sebagian besar pasar tidak menuntutnya. Misalnya, reverse beta, Vbe breakdown pada BJTs, koefisien suhu Vf pada LED indikator.

Sejauh apa kemampuan aktual LED biasa, ada bukti tegangan bias balik yang menyebabkan kerusakan bertahap pada LED karena pembawa panas. Misalnya, DOI 10.1109 / LED.2009.2029129 menunjukkan kerusakan pada LED hijau dengan -40V yang diterapkan, jadi tidak bijaksana untuk secara membabi buta merancang sesuatu yang bergantung pada kerusakan tegangan balik tinggi.

Jika Anda berdiri di bawah pohon dalam badai petir dan Anda selamat, apakah itu berarti sesuatu yang signifikan? Ini agak seperti membalikkan bias LED> -5V.

Grafik, courtesy of Ini menunjukkan sensitivitas LED di kedua bias terbalik dan maju yang terkena ESD. Catatan di bawah ini, bahwa itu jauh lebih sensitif ke kiri ketika Vr berjalan di bawah -5V

(Saya bisa menulis buku tentang masalah Partial Discharge (PD) dan Breakdown Voltage (BDV) tapi saya akan membuat suntingan ini lebih pendek;)

Saat persimpangan PN dibiaskan terbalik, awan muatan (seperti awan kumulonimbus) menciptakan kerapatan muatan medan-E tinggi di mana cacat adalah muatan bergerak (partikel kontaminan) yang dipercepat untuk membentuk jalur yang akan meledakkan partikel (oleh PD) dan "melukai" perangkat (bahkan isolasi transformator MVA) atau membuat jalur streamer sebelum peristiwa bencana BDV. (misalnya suka kilat tapi diam)

Kecuali pada LED bias terbalik, bidang-E yang saya duga berada pada urutan besarnya 5V / um (seperti 5kV / mm untuk hampir percikan di udara. Kemudian pengotor molekuler dengan konstanta Er yang sedikit lebih rendah akan memiliki E- lebih besar. lapangan dan mengisi melintasi itu dari tetangganya.Biaya yang sedang dibangun oleh>> -10uA | arus saat ini di mana White LED ditentukan pada -5V dalam chip kecil.

Anekdotal

Trafo distribusi 5 MVA yang terluka yang saya selidiki di sebuah pabrik trafo di Scarborough memiliki masalah kewajiban $ m namun memiliki uji lapangan kinerja studi daya yang sempurna, TETAPI telah melarutkan gas Hidrogen yang dibuktikan dengan seringnya analisis gas terlarut (DGA). H2 ini dihasilkan oleh setiap peristiwa PD dalam minyak, seperti osilator DIAC Relaksasi, dan kemudian mencapai ambang tingkat ledakan yang terkenal (untuk mereka yang ada di industri itu) (4% adalah ambang ledakan yang lebih rendah sehingga segera diambil keluar dari layanan, setelah itu saya melakukan pengujian mendalam untuk menemukan Root Cause dan memperbaiki masalah kontaminasi dari potensi 23kV normal yang diharapkan dalam dielektrik ini tetapi menyebabkan medan E yang tidak normal dalam partikel> 16V / um yang menyebabkan pelepasan dan peledakan molekul minyak di sekitarnya sehingga menghancurkan hidrokarbon CxHy panjangrantai melepaskan H2.

Kontaminan yang serupa tetapi berbeda (dicampur dengan distribusi normal Nitrida, Gallium Phosphide, dan Arsen) dipercepat oleh medan-E yang abnormal pada persimpangan PN yang bias terbalik dan berdampak buruk pada harapan hidup LED.

Tuduhan ini menunjukkan hubungan dengan cacat dan arus bocor tetapi sambungan yang terluka padat tidak seperti kontaminan yang homogen sehingga BDV tidak dapat diprediksi namun diketahui di mana tingkat tegangan dimulai untuk banyak persimpangan PN (Vbe dan LED, meskipun berbeda dalam konstruksi menunjukkan mekanisme kegagalan umum ini dengan berbagai tingkat sensitivitas yang dipercepat.

Jadi untuk meringkas , jika persimpangan PN memiliki toleransi yang lebih tinggi untuk membalikkan bias dari pengujian, itu tidak berarti masih tidak terluka, hanya saja ia memiliki kepadatan kontaminan partikel yang lebih rendah di bagian per juta. Akselerasi muatan tidak linier dengan kepadatan kontaminan melainkan logaritmik. Ini adalah dampak energi kinetik yang meledakkan kerusakan berukuran mikro atau nano.

akhiri edit

Ketika bias balik arus biasanya dinilai 1 μA untuk RY dan 10 μA untuk warna BGW.

Bayangkan bahwa biasing terbalik adalah mikropower ekstrim dan mengukurnya dan jika tidak ada penjepit ESD bahwa sesuatu dari urutan 100 μW memiliki lebih banyak daya per mikrometer kuadrat daripada arus bias maju 100 mW per mm persegi karena jalannya JAUH BERBEDA.

Ini tidak seperti dioda Zener yang dibatasi oleh kekuatan di kedua arah. Kesenjangan band bisa gagal tiba-tiba atau lembut.

Jadi stres tidak terlihat dan melukai persimpangan berbeda. Hasilnya dapat dilihat dengan kapasitansi persimpangan yang lebih tinggi atau off-warna atau intensitas yang lebih rendah atau terluka untuk mengurangi MTBF secara signifikan.

Apakah itu bisa bertahan sebentar atau untuk sementara waktu atau tidak tidak relevan. Para ahli memahami tingkat stres mengurangi keandalan, atau kinerja.

Jika Anda tidak mengerti mengapa peringkat maksimum absolut ada, jangan abaikan atau ragukan atau ketika Anda paling tidak mengharapkannya ... hmm, itu tidak berfungsi.

Panduan teknik yang saya buat untuk klien pada tahun 2005 sebelum saya mengunjungi situs untuk menyelesaikan masalah ESD dan solder menyebabkan 1% kegagalan lapangan diperbaiki kemudian oleh rekomendasi perbaikan proses saya.

artikel penelitian tentang tegangan Tegangan Terbalik dalam dioda

Tes trivia

Mengapa ini ide yang buruk?

^{mensimulasikan rangkaian ini - Skema dibuat menggunakan CircuitLab}

Melebihi nilai absolut absolut dari lembar data tidak selalu berarti kegagalan bencana yang langsung terjadi. Ini berarti bahwa Anda telah pergi ke suatu wilayah di mana produsen tidak lagi merasa cocok untuk menjamin bahwa perangkat akan pernah melakukan spesifikasi lagi, selama sisa masa pakai perangkat.

Apakah ini berarti itu tidak akan berfungsi untuk spec? Tidak, itu berarti pabrikan tidak lagi menjamin bahwa ia akan bekerja sesuai spesifikasi.

Juga, karena pengujian Anda dilakukan pada LED tentang "manufaktur yang tidak dikenal", Anda tidak tahu bagaimana nilai mereka.

Sederhananya, menerapkan tegangan balik tinggi ke LED baru selama beberapa menit bukanlah tes konklusif. Arus balik dalam LED meningkat seiring bertambahnya usia ( 1 ), dan saya berharap tegangan rusaknya juga berkurang. Pada akhir masa hidupnya, lebih banyak LED akan rusak pada nilai tegangan balik yang lebih rendah.

Itu akan secara tidak perlu menurunkan hasil produksi.

Setelah Anda menentukan tegangan breakdown yang lebih tinggi dari yang diperlukan (untuk penggunaan LED), Anda harus menolak (atau menjual sebagai tingkatan yang berbeda) setiap output produksi yang tidak memenuhi spesifikasi itu tetapi jika tidak berfungsi sebagai OK sebagai LED. Kecuali jika pengguna memerlukan LED yang dapat melakukan tugas ganda sebagai penyearah, ini hanya akan menaikkan biaya dan / atau kompleksitas katalog.