¿Depende (y cuándo) la vida útil de un LED depende de la frecuencia PWM

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Asumamos dos opciones para conducir un LED estándar a su corriente nominal.

PWM configurado en un ciclo de trabajo del 50% a 10 kHz
PWM configurado en un ciclo de trabajo del 50% a 50 kHz

Técnicamente, ambos LED producirían la misma cantidad de luz y el 'parpadeo' no será visible para el ojo humano o una cámara (excepto tal vez para una cámara de alta velocidad ...)

led pwm lifetime

— Gilad
fuente

Buena pregunta +1, iba a hacer algo similar. Me preocuparía una frecuencia realmente baja como 50Hz rectificado debido al ciclo térmico de la pequeña unión. Esperaremos las respuestas.

— Autista

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Por cierto, algunos de nosotros los humanos tenemos ojos que en realidad son sensibles al parpadeo de PWM. Y así, algunos proveedores de monitores y televisores están construyendo paneles sin parpadeo sin PWM para atenuarlos.

— Basil Bourque

Por "a su corriente nominal", ¿se refiere a la corriente que fluye durante la parte "encendida" del ciclo de trabajo, o se refiere a la corriente promedio durante todo el ciclo? Si esto último, claramente hay alguna frecuencia en la que se puede decir mejor que el LED está encendiéndose y apagándose de modo que el LED se sobrecargue efectivamente durante ese tiempo, la pregunta es cuál es el mecanismo de daño y qué tan lento debería ser ser.

— Chris Stratton

Esto puede ser irrelevante, pero esa última oración ("Técnicamente ambos LED producirían la misma cantidad de luz ...") no es del todo cierto; El LED con la frecuencia más alta producirá menos luz que el que tiene la frecuencia más baja. Aprendí esto aquí en Electronics Stack Exchange :) electronics.stackexchange.com/a/86942/30973

— ayane

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Permítanme abrir mi confiable MIL-HDBK-217F y ver qué dice sobre los LED y su longevidad:

El factor principal que afecta la tasa de falla por millón de horas es la temperatura.

De interés, si leo la siguiente sección sobre diodos láser, tienen en cuenta el pulso del ciclo de trabajo, pero su conclusión (en la página 6-21) es que a un ciclo de trabajo de 50:50 la tasa de falla para los diodos láser es aproximadamente el 25% de eso cuando se conduce continuamente.

También concluyen (en la página 6-22) que si utiliza un diodo láser con una potencia de salida de luz del 50% de su potencia nominal, durará diez veces más que hacerlo con el 95% de su potencia de salida nominal.

— Andy alias
fuente

Esto es fascinante, pero tengo que preguntarme cómo se derivaron estas tasas de falla base. ¿Por qué el "fototransistor", el "fotodiodo" y el "IRLED" fallan con mucha más frecuencia que el "LED" (y ninguno de ellos se especifica en cuanto a tipo o aplicación)? ¿Cuál es el intervalo de confianza en cualquiera de estos valores? ¿Por qué el factor de temperatura es el mismo para todos los dispositivos? Esto no es para menospreciar su respuesta en absoluto: la fuente dice claramente lo que dice. Pero no puedo evitar pensar que estos cálculos, como los valores del peor de los casos, ca. 1991 bajo condiciones no especificadas, puede ser realmente significativo para el ejército de los Estados Unidos.

— Oleksandr R.

@OleksandrR. ¿Desde entonces ha escrito este comentario alguna investigación sobre la validez del estándar mil?

— Andy aka

Lamentablemente no. No sé por dónde empezar, porque no se menciona nada en el documento que permita evaluar esto. En realidad, la mayor parte parece completamente sensata, pero para estos dispositivos muy similares con tasas de falla de referencia tan pequeñas, parece probable que exista algún efecto de aplicación no reconocido que sesgue los valores citados. Si los IRLED son de alta luminosidad, por ejemplo, se usan en iluminadores IR. Y los optoaisladores podrían fallar fácilmente debido a la tensión o la tensión en lugar de que los LED se quemen, por lo que los de salida del fototransistor fallan con más frecuencia.

— Oleksandr R.

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Perdóneme. Acabo de ver que hay una sección de referencias al final. Los LED se describen en RADC-TR-88-97, donde se observa que solo 22 LED fallaron durante 4827 millones de horas de operación, y cero (!) IRLED fallaron durante 39 millones de horas. Con tamaños de muestra tan pequeños (o inexistentes), la razón de los valores impares es clara. RADC-TR-88-97 también entra en detalles sobre los métodos y resultados estadísticos. En general, parece ser un documento mucho más significativo que MIL-HDBK-217F.

— Oleksandr R.

@OleksandrR. tal vez considere hacer de esto una respuesta?

— Andy aka

6

Los LED son solo diodos que no se "desgastan" con frecuencia. La corriente máxima y la corriente promedio afectan la forma en que se desgasta el LED, pero la frecuencia no tiene ningún efecto del que haya oído hablar.

Además, sus frecuencias son bajas. El ciclo de trabajo de 50 kHz y 50% significa 10 µs encendido y 10 µs apagado. Ese es un tiempo "largo" para un LED.

— Olin Lathrop
fuente

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Algunos efectos pueden tardar mucho tiempo, pero para la degradación térmica (que aparentemente domina) es muy corto.

— Chris H

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Experiencia personal:

Conduje un LED UV estándar clasificado para 3.4V, 20mA con aproximadamente 1A para 5ns a una velocidad de 87kHz (ciclo de trabajo: 1: 2300) pero no observé ningún "desgaste" en términos de brillo o forma de pulso dentro de 10 ^ 11 pulsos.

— Sweber
fuente

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¿Son unos 8,000 días? ¡Uy, perdón, son 133 días (menos impresionante LOL)!

— Andy aka

OT, pero ¿cuánto más flujo luminoso produce en estas condiciones extremadamente saturadas? Supongo que la eficiencia disminuye bastante rápidamente con el aumento de la corriente (debido a la mayor tasa de recombinación de portadores a temperaturas de matriz más altas), pero no estoy seguro del comportamiento real para pulsos breves como este.

— Oleksandr R.

¿Cómo midió la corriente real? Parece que sería difícil evitar los efectos inductivos, tanto en el controlador como en la configuración de medición actual.

— Chris Stratton

@OleksandrR. : Hubo un efecto de saturación, pero fue casi insignificante. Además, debido a que toda la configuración tenía suficientes otras razones para tales efectos, diría que no hubo pérdida de eficiencia. Sin embargo, no me importó demasiado, era importante que la cantidad de luz pudiera ser dirigida de alguna manera, y el 1A era un valor extremo.

— sweber

@ChrisStratton: Bueno, de hecho utilicé una resistencia muy pequeña en serie y una de estas agradables sondas diferenciales de 3.5GHz de Agilent. Por supuesto, la resistencia reduce la corriente, pero la interpolación debido a la cantidad de luz y las estimaciones de los datos medidos llevan a la conclusión de que la corriente debe ser de aproximadamente 1A. Claro, esto fue duro y todo se puso preciso.

— sweber

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Sin impacto perceptible. El LED en sí solo sería sensible a la vida útil total, pero la fiabilidad se mide en 10 años.

Las fallas térmicas debidas a fallas en el empaque o en la unión de cables son más probables, pero la probabilidad de falla aún es muy baja. La falla más probable para un sistema hecho a sí mismo son las uniones de soldadura, o los cables entre el LED y la PCB, o la PCB y la fuente de alimentación.

Las fallas térmicas son causadas por diferentes tasas de expansión térmica, y la sobrecarga resultante que esto causa en la estructura. Pequeños esfuerzos o ciclos de estrés tienen un efecto insignificante. Tenga en cuenta que el plástico del LED probablemente fue moldeado y curado a +175 C, siempre está bajo tensión.

La constante de tiempo térmico del LED está probablemente en el rango de 10 a 100 ms. Ciclismo más rápido que eso conduce a excursiones de temperatura muy pequeñas que no causan problemas, y un ciclo más lento que eso limita el número total de ciclos a un número muy pequeño.

— jp314
fuente